GIS技術在艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)及應用

陳晨，陳韜，胡興剛，張耀俊

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

艦船損害發(fā)生時，艦船指揮中心能否及時做出科學、合理的應對措施取決于對整船危險品、資源、消防設施等狀態(tài)信息的掌握程度；若損管狀態(tài)信息有延遲、不確定、不準確，可能會導致錯失最佳滅火、逃生的時機。面對艦船艙室結構復雜、眾多電力線路、管路交錯等特點，GIS可視化管理平臺按照空間位置坐標對空間數據進行處理并加以有效管理，結合圖、文、表、庫以多維度、動態(tài)變化的形式進行信息展現(xiàn)，彌補了傳統(tǒng)損管監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提高災害判斷、判斷的速度以及應急處理和管理水平。因此，考慮將GIS地理信息技術應用在艦船損管監(jiān)控領域，優(yōu)化并提高通過查詢圖紙和資料獲取現(xiàn)場設備狀態(tài)信息的傳統(tǒng)方式，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控設備資料電子化、實時監(jiān)控、火災實時動態(tài)顯示等各類信息全面展示。為艦船損管監(jiān)控過程中火災探測、安全評估、輔助決策及人員疏散等提供多維度、可視化方案。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體架構

GIS可視化管理總體架構見圖1。

圖1 GIS可視化管理系統(tǒng)總體架構

圖形工作站基于現(xiàn)有的硬件和網路環(huán)境構建，包括基礎網絡、計算機硬件及軟件。數據層和應用庫將文件數據與可視化界面結合，以3D圖形化的方式顯示。

應用服務器系統(tǒng)采用C++、Java開發(fā)語言搭建，實現(xiàn)服務器與現(xiàn)場設備相互通訊以及數據庫系統(tǒng)的訪問與操作，將設備狀態(tài)、視頻流媒體數據、安全評估和滅火決策等結果輸出。

前端可視化系統(tǒng)作為軟件平臺的核心交互部分，采用HTML5、CSS3、WebGL、WebSocket等前端桌面軟件系統(tǒng)技術，實現(xiàn)艦船損管設備的參數顯示和設置、設備狀態(tài)實時呈現(xiàn)、安全評估輸出及數據管理與分析等功能。

1.2 系統(tǒng)功能

GIS可視化平臺采用C/S和B/S混合系統(tǒng)架構，以便在充分利用工作站的硬件性能同時，快速實現(xiàn)圖形、表格、數據管理等功能的研發(fā)。平臺的功能結構見圖2。

圖2 GIS可視化管理平臺功能

1)艦船3D模型。呈現(xiàn)全局及甲板、艙室布局的二維或三維視圖，支持地理信息顯示、不同類別圖層篩選、現(xiàn)場設備故障或區(qū)域報警及現(xiàn)場設備、管路等參數信息。

2)實戰(zhàn)運維管理。戰(zhàn)備狀態(tài)下能夠對全船的損管區(qū)域、艙室等重要部位進行實時、直觀的信息監(jiān)控；在平臺管理系統(tǒng)上能夠對設備、人員、物資等消防資源進行遠程配置、參數設置等功能。

3)視頻信息監(jiān)控。二維或三維地圖上顯示攝像頭點，選擇特定的攝像頭標識獲得該位置的實時監(jiān)控畫面，或檢索歷史監(jiān)控信息。

4)安全評估顯示。3D模型或二維視圖實時顯示火災蔓延趨勢、火災預測等安全評估結果。

5)輔助決策顯示?；馂膽甭窂健⑤o助決策文字、圖標及多媒體資料顯示在監(jiān)控臺或單兵接收器。

6)數據庫管理。能夠整理全艦艙室結構模型、消防滅火設備、人員等資源數據，并進行存儲與應用。

1.3 總體架構設計

C/S模式是局域網環(huán)境下典型的客戶端到服務器結構，能夠很好地進行數據操作和事務處理。在保證數據傳遞安全、可靠和完整的基礎上，依托圖形工作站硬件性能基礎，以達到整船三維立體渲染效果。而B/S模式是一種瀏覽器到服務器的結構模式，具有便于升級維護、減輕數據負荷等眾多優(yōu)勢。在GIS可視化平臺中，能夠快速實現(xiàn)圖形、表格、數據管理等功能的研發(fā)。

為滿足GIS可視化平臺上述功能需求，融合C/S和B/S架構，采用混合架構方式開發(fā)軟件平臺。系統(tǒng)總體結構見圖3。

圖3 GIS可視化管理平臺系統(tǒng)結構

1.4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

GIS可視化管理平臺硬件組成見表1。

表1 GIS可視化管理平臺硬件組成

圖形工作站主要實現(xiàn)艦船3D建模、渲染，將后端服務器采集到的現(xiàn)場狀態(tài)數據，以圖表、多維度等形式實時顯示。

應用服務器為Web應用程序提供簡單和可管理的系統(tǒng)資源訪問機制，實現(xiàn)軟件平臺圖表、數據等信息快速管理。

數據服務器能夠進行系統(tǒng)配置與管理、數據存儲與查詢以及數據完整性和安全性的管理，實現(xiàn)損管設備參數、狀態(tài)、圖像數據等存儲及安全備份。

數據庫系統(tǒng)選取MySql數據庫，通過數據庫的整體設計及表格、視圖、索引等核心內容的優(yōu)化，對各項后臺數據進行管理。

2 可視化實現(xiàn)方法

2.1 圖像獲取與處理

矢量化的圖表是艦船損管GIS可視化平臺的基礎，能夠為損管消防器材運營、安全評估及滅火輔助決策等提供支撐。全船圖標信息的矢量圖是由MapInfo軟件生成的多個獨立圖層疊加而成，包括消防器材、通風設備、攝像頭和人力資源等，實時監(jiān)控全船設備狀態(tài)信息并分析、記錄，建立整船的數據信息庫。

將MapInfo支持的艦船圖標格式轉入，然后對柵格圖標進行編輯處理，主要包括以下方式。

1)柵格圖像預處理。圖紙未輸入計算機前確定好圖紙的比例和內容，留有寬裕的深化和拓展余地；標定好艦船艙室、重要設施部位、通道、大門以及主要危險源位置信息。

2)坐標系確定。在MapInfo中預先設置多個坐標系，使用中根據設備種類、艙室位置等類別信息選擇預定義坐標系或設置新的坐標系參數。

3)柵格圖像的拼接調整。對艦船不同比例圖紙進行拼接，通過調整圖像的顏色、對比度以及縮放等參數，完善整幅矢量圖定位的準確性和圖像清晰度。

2.2 圖表信息矢量化

通過GIS可視化圖像將系統(tǒng)實戰(zhàn)運維、視頻監(jiān)控、安全評估以及輔助決策等功能特征全面、完整的顯示。圖表信息矢量化實現(xiàn)步驟如下。

1)矢量化數據獲取。將掃描獲取的柵格圖像與數據庫之間實現(xiàn)關聯(lián)，通過矢量圖疊加上柵格圖像上實現(xiàn)數據與圖層對象的連接。

2)艦船分層。MapInfo根據3D可視化空間對象(艙室結構、消防設備、逃生路層等)按圖層組織劃分，添加空間和屬性等數據管理。

3)屬性數據結構。艦船分層后，在柵格圖像上新建表屬性名稱、數據類型等參數，實現(xiàn)屬性數據索引功能。

4)矢量圖層編輯。根據艦船功能不同需求對圖像顯示的大小、比例、中心點等參數進行調整、修改，使矢量圖層具備可編輯性。

5)數據庫的編制。采用MySql數據庫便于外部修改數據庫信息，解決MapInfo中圖層屬性信息在狀態(tài)發(fā)生變化時能夠進行修改完善。

2.3 GIS平臺功能實現(xiàn)

基于MapInfo軟件對全艦圖表進行矢量化處理后，利用GIS組件集成二次開發(fā)，采用MySql數據庫編程，使得全船結構、艦船艙室、危險品部位、消防設備等信息實時監(jiān)控顯示。

GIS平臺搭建通過圖層合成、地理編碼、與外部數據關聯(lián)和外部平臺結構實現(xiàn)。在對全船圖表矢量化處理后，能夠分別對圖層進行操作、分類合成，提高了圖層的轉換效率；并由地址編碼將全船用戶需求的設備、艙室等特征數據分類、立體地呈現(xiàn)；最后將上述矢量化后圖表關聯(lián)地屬性、空間等數據保存數據庫，實現(xiàn)艦船三維顯示、實戰(zhàn)運維、安全評估及輔助決策等功能。

3 損管的典型應用

地理信息系統(tǒng)GIS技術能夠多來源、多層式、多形式地獲取全船損管狀態(tài)信息，具備快速、高精度地特點。

3.1 滅火決策信息可視化

實時掌握艦船火災、消防設備、艙室、探測器、通風等信息，是在損害發(fā)生情況下進行滅火決策的前提條件。GIS可視化管理平臺能夠實時獲取和顯示損管信息，實現(xiàn)火災發(fā)展蔓延的空間立體可視化，為滅火決策提供可靠的依據。

GIS可視化平臺具體功能如下。

1)信息顯示。能夠將整船的結構特征、復雜艙室分布、關鍵設備、通風空調及易燃易爆危險品等，以直觀、立體的形式呈現(xiàn)；同時具備對具體艙室區(qū)域的縮放功能，能夠進行信息的存儲、選擇以及相關的圖像操作等功能，使得全船信息顯示更加具體、多樣化。

2)查詢統(tǒng)計。將全艦艙室結構、通道分布、探測器、滅火裝備、消防器材、通風空調等信息實時采集顯示，以直觀、立體的形式顯示并能夠快速查詢相關設備詳細信息，在損害發(fā)生時為艦船指揮員提供充分的設備、人力等資源信息，便于根據消防資源合理決策。

3)維護管理。在具備全船設備信息的顯示和查詢功能基礎上，同時可對損害程度不同狀態(tài)、資源類型差別等特點進行分類管理，對信息及時存儲和更新。

3.2 模擬火災預案

1)火災實時預測。根據損管區(qū)域現(xiàn)場各類傳感器、人工探測等方式確定損害發(fā)生艙室位置、火源類型、可燃物信息及火災趨勢等信息，通過讀取相關艙室結構布局、通風條件、火源熱釋放速率等因素，在GIS可視化管理平臺實時顯示并模擬損害發(fā)生時火災蔓延趨勢、消防等資源實時狀態(tài)。

2)最佳行動方案預測?？梢暬脚_系統(tǒng)依托火災滅火預案庫、專家?guī)?，結合實時現(xiàn)場設備信息和火災發(fā)展變化形式，生產符合現(xiàn)有環(huán)境下最佳滅火行動方案；為決策者提供合理、可行的行動依據，最大程度合理利用滅火資源。

3)與虛擬現(xiàn)實結合訓練。為了更好地實現(xiàn)整船消防資源、火災趨勢變化及數值計算結果可視化，將虛擬現(xiàn)實技術應用于損管監(jiān)控系統(tǒng)中，以立體、多維的形式展示火災變化過程；同時，艦員能夠在模擬火災發(fā)生狀態(tài)下進行滅火訓練，使得消防人員具備熟練、可靠的消防技能。

該功能可有效地提高火災預案的針對性，便于處理方案的制定和改進，對類似火災起到極大的參考作用。

3.3 人員疏散與演練

1)艦船內部火災風險評估。基于GIS監(jiān)控平臺對火災發(fā)生艙室區(qū)域火災風險進行評估，直觀地為艦船指揮員進行滅火決策、人員疏散提供空間信息支撐；同時，利用機器學習建立整船火災發(fā)展影響因素分布模型，為火災預測和人員疏散提供理論分析基礎。

2)動態(tài)優(yōu)化最優(yōu)疏散路徑。監(jiān)控平臺動態(tài)顯示火災煙氣蔓延，采用蟻群等算法動態(tài)調整安全有效的疏散路徑，并結合現(xiàn)場火災信息數據進行優(yōu)化處理。

3)人員火災訓練演練。立體顯示艦船火災趨勢，在進行消防演習時，平臺實時顯示消防資源的分布、人員方位，決策者能夠根據火災動態(tài)直觀地了解演練疏散狀態(tài)，并根據實施效果進行方案改進。

4 結論

將GIS技術創(chuàng)新性應用于艦船損管監(jiān)控領域，通過對系統(tǒng)硬件平臺的分析、搭建及軟件設計，在多維度圖像和地理位置信息相結合的基礎上，能夠更加直觀、明確地展現(xiàn)艦船損管監(jiān)控領域火災預測和模擬、安全評估、輔助決策等結果。相比較于傳統(tǒng)上位機軟件相對單一的圖表顯示功能，突顯出強大的地理數字化或圖形化采集、分析、決策系統(tǒng)的優(yōu)點，為后續(xù)艦船監(jiān)控系統(tǒng)全面、直觀、詳細的人機界面顯示和信息交互設計提供了方向。該GIS可視化管理系統(tǒng)平臺不僅能夠提高平時模擬訓練、實時監(jiān)控的效果，還能夠在戰(zhàn)時狀態(tài)下為指揮員全局把控提供充分的信息資源，有效地提高艦船損管系統(tǒng)管理的效率和生命力。