于 钱 井浩宇 赫美琳

（中国人民解放军92941部队5分队 葫芦岛 125001）

1 引言

随着海上活动日益蓬勃发展，海上船舶数量也不断增多，海上航行密度越来越大。同时，航行海域环境日益复杂，船舶航行的信息量也在不断的扩大，给船舶的管理带来了巨大困难［1～2］。随着信息技术的发展，以往依靠人工管理的方式显然不能满足当前海上船舶管理的需求，因此需要设计一种智能化船舶信息管理系，对船舶信息进行统一管理，以便船舶工作人员能够做出及时有效的决策，减少船舶管理的工作量，提高工作效率。

当前常见的GIS系统包含电子地图、GPS等功能，能够直观、系统、实时地显示某区域的地形、纬度等信息，在地质勘查和导航等领域具有广泛的应用［3～5］。对于船舶管理系统，不仅需要具备定位、导航等基本功能，还需要具备处理海况信息、高程信息等能力。在船舶航行过程中需要获取各类海域信息，从而规避浅滩、暗礁以及其他船舶，同时还要确定自身的位置、航向和航速等。GIS已经在管理和规划方面实现了广泛的应用，高照忠等提出了一种通用的海上地理信息系统架构，包含了海洋环境信息子系统等多个子系统，为GIS应用于海上船舶信息管理提供了理论和实践依据［6］，因此将GIS应用到船舶管理信息系统中可以为船舶管理和航区规划提供决策支撑，能够较好完善和实现船舶管理信息系统各项功能。

本文从顶层设计出发，注重系统框架搭建、功能设计和关键技术分析，为船舶信息管理系统的开发应用提供重要参考，对海上船舶信息系统建设具有一定的指导意义。

2 系统设计原则

1）共享性

船舶管理及工作人员可以方便进行数据查询、统计与分析，船舶之间可以互相访问数据，实现数据共享，减少资源浪费、避免多次建设，提高船舶管理效率，减少工作量。

2）独立性

不同级别的用户具备的权限不同，用户使用及访问数据需要进行身份验证和密码保护，各分系统脱机状态下可以依据自身信息独立运行，保证较高的独立性。

3）可靠性

系统主机独立电源，保障在突然断电后能够继续供电，防止系统数据受损。另外，各系统之间数据互相备份，数据损坏后可从其他终端获取。

4）安全性

各系统之间的网络连接需使用专门的防火墙技术，避免恶性病毒的入侵。各终端定期进行杀毒和病毒库的跟新，从根源上保证系统的安全。

5）易操作性

系统面对操作用户层次复杂，必须满足大多数用户的使用及操作习惯。采用可视化显示，更加直观。登录后能够依据权限显示相应模块任务，操作界面简单，符合操作习惯，能够及时显示已经存储的信息。

3 系统设计

3.1 原理

GIS与船舶信息管理系统是基于计算机技术与网络技术的相互独立的两个研究和应用领域，实现海图显示、空间分析、航路决策等实际应用功能需求是船舶信息管理系统与GIS集成的主要驱动力，GIS的分析模型不足导致其系统分析功能相对简单，而船舶信息管理系统可以建立强大的分析模型，但难以实现GIS的空间分析及显示功能，两者的集成能够实现优势互补。

基于GIS的船舶信息管理系统采用分布式结构，分为船舶端系统、岸上管理系统以及数据库系统。采用B/S与C/S相结合的软件体系结构，即能满足管理用户对数据库进行维护和更新的需求又满足分布用户的访问需求。通过应用服务层和用户交互层进行数据管理，实现请求与响应的用户交互。

3.2 系统总体框架

基于GIS的船舶管理信息系统分为一个岸基管理分系统和多个船舶管理分系统，对上能与岸基管理信息系统平台对接，对下连接各个船舶信息系统，可融入其他部门信息体系，实现数据信息共享。由于整个系统包含数据较大、服务器过多，需要较大的空间来保证，因此需要将数据库部署在岸上，通过岸基管理分系统和卫星链路向船舶提供相应的服务。然而由于海洋环境瞬息万变，仅仅依靠远程数据中心支持可能会造成服务可用性降低，因而在船舶上还需部署小规模船载数据库，船舶管理分系统能够直接访问这些船载数据库，能够实现基本的服务，如导航、地理信息、水文信息检索等，当船舶需要使用更加复杂的服务时，可以利用服务迁移技术，通过岸基管理分系统调用岸基数据库，将部分服务迁移到船舶管理分系统中使用，以提高服务的可靠性。

3.3 系统组成架构

整个系统组成分为三个模块，分别为数据库模块、功能模块、交互与显示模块。其中数据库模块为基础层，包括地理信息库、专题信息库、船舶信息库等，主要负责数据存储并提供访问接口，为整个系统提供数据支撑；功能模块为中间层，包括信息采集、数据管理、航路规划等8个主要功能，访问数据库并提供响应的计算分析功能，响应用户请求并反馈图表方案等结果；交互与显示模块为用户层，负责完成用户与系统的交互，用户包括管理员用户和普通用户，管理员用户采用B/S架构设计，普通用户（即分布式用户）采用C/S架构设计。交互与显示模块能够显示GIS数据海图、各类图表信息、航路规划方案等，通过指令操作界面能够完成用户指令或请求的发送以及接收显示。基于GIS的船舶信息管理系统组成架构如图2所示。

1）数据库模块

图2 基于GIS的船舶信息管理系统组成架构

如图3所示，按照功能设计和数据类别，将数据库模块分为5个主要数据库，分别为地理信息库、专题信息库、船舶信息库、知识库和算法模型库。地理信息库存储GIS图层、高程数据等地理信息数据，通过访问地理信息库获取GIS图层，用于用户端电子地图及航路等信息的显示；专题信息库主要存储水文气象等信息，作为船舶航行风险规避及航路规划的参考信息，该数据库中的信息将根据各用户终端的反馈情况进行实时更新；船舶信息库存储船舶状态、航向位置等信息，这些信息可用于船舶自身的航路规划，同时也便于海域船舶的统一规划管理；知识库主要存储历史数据及专家经验，包括历史航路、救援方案等，方便用户快速访问，尤其在紧急情况下能够提供重要参考信息；算法模型库主要存储GIS算法模型、泊位分析等计算模型，是系统的核心部分，系统通过调用各种算法来实现各个功能。

图3 数据库组成图

2）系统功能模块

系统主要功能如图4所示，各个功能之间存在支持和依赖关系。信息采集功能：系统将采集和反馈的数据进行分类并存储在数据库中；数据管理功能：管理员用户通过管理员终端可对数据库数据进行修改、补充和删除等操作；数据共享功能：系统采集数据的同时也将数据库中的数据与各个终端进行共享，并更新终端数据库；风险评估功能：能够根据现有信息有效评估航行风险，提出风险规避方案和建议；海上救援功能：能够将船舶情况一键发送，发出求救信号并获取救援方案；目标识别功能：船舶终端可将海上目标图像、位置等信息传至管理中心，获取目标信息，以判断航行路线；航路规划功能：系统能够根据当前信息和用户要求，自动规划航路，在电子海图上显示航行路线和当前位置；驻泊规划功能：船舶靠码头时，系统获取码头信息，并根据船舶情况规划最佳泊位。

图4 系统功能关系图

3）交互与显示模块

交互与显示模块是人机交互层面，能够实时显示电子海图、船舶位置、航行海域船只分布等信息，用户发出相应指令时，能够反馈相应航路信息和各种图表信息。

4 关键技术分析

本文中舰艇编队通信组网采用有中心与无中心相结合的拓扑结构策略，采用动态按需分配的时隙分配策略。通信网络是按照动态周期进行调整的，节点间的通信链路不是固定的，分配的时隙资源也随着实际业务需求而变化。

基于GIS的船舶信息管理系统是一个复杂的系统工程，涉及到多个分系统、多个不同终端，实现存在一定困难，涉及关键技术层面多、范围广。

1）GIS空间分析技术

地理信息系统是一种采集、存储、管理、分析、显示和应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术［7］。随着GIS在各个领域的应用，空间分析功能范围越来越大，主要有空间数据管理、空间数据查询、几何分析、地形分析、栅格数据分析、网络分析、空间统计分析等［8］。

虽然GIS技术发展较快，出现了一系列新技术 ，如 WebGIS、3DGIS 等新概 念［9～10］。 但 实际 上GIS的空间分析功能很难满足复杂系统的需求，对于大数据的处理能力较弱，GIS空间数据分析和研究工具发展和推广较慢。目前，对于GIS拓展二次开发平台主要有ArcGIS、MapInfo、MapGIS等，主流开发语言有C#、C++等。船舶信息管理系统是具有多个子系统集成和海量信息数据的复杂系统，涉及到的空间分析功能和其他数据处理功能更加复杂。因此，可以基于ArcGIS平台采用C#语言进行拓展开发，同时采用WebGIS技术实现远程客户端部署，使系统具备大数据处理能力和高效的空间分析能力。

2）通信技术

船舶信息管理系统通信链路复杂，涉及到岸船之间的无线通信以及系统内部的有线通信，而且传输的数据包含图像、图表信息等，数据格式复杂，数据量庞大，数据传输实时性和数据完整性难以保证。基于GIS的船舶信息管理系统可采用TCP/IP通信协议，以某种格式将数据打包传输，存储和调用时进行解压和分类处理。

3）信息融合技术

基于GIS的船舶信息管理系统信息种类繁多，进行规划时需要进行信息融合处理。目前，信息融合技术主要分为基于模型、统计理论、信息论和人工智能的四类［11］，而本系统信息融合主要是对不同信息源的数据进行融合，常用的方法有卡尔曼滤波、加权平均法、粒子滤波等。

4）智能优化技术

智能优化算法是模拟生物进化而发展起来的一类通用问题求解方法，采用群体搜索技术技术优胜劣汰的紫檀选择来指导学习和确定搜索方向，主要有遗传算法、粒子群优化算法和人工神经网络算法等。该类算法在可以接受的时间与空间开销范围内求解出约束之下问题的可行解，可以用于复杂优化问题的求解。对于基于GIS的船舶信息管理系统，可采用智能优化算法弥补GIS本身空间分析能力的不足，如系统功能中的航路规划、驻泊规划等可采用粒子群优化算法［12～13］进行多目标优化，从而获取最优方案。

5 结语

针对船舶航路规划信息匮乏、缺乏统一管理、风险预知困难等特点，将GIS技术应用于船舶信息管理系统，提出一种基于GIS的船舶信息管理系统框架，设计了四个功能模块，进而研究了系统的关键技术。该系统设计结构清晰、易于部署，能够解决航路精确规划、风险规避等问题，为船舶航行以及靠港停泊提供重要决策依据，具有十分广阔的应用前景。