李東楓，吳 杰，楊 揚(yáng)，劉 錟 LI Dong-feng, WU Jie, YANG Yang, LIU Tan

（1. 華南理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院，廣東 廣州510006；2. 廣州通易科技有限公司，廣東 廣州510630）

(1. School of Economics and Commerce, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China； 2. Guangzhou Comit Technology Co., Ltd, Guangzhou 510630, China)

0 引 言

江海聯(lián)運(yùn)是多式聯(lián)運(yùn)的一種形式，包括海船進(jìn)江和江船出海兩個(gè)方面。由于具有縮短運(yùn)輸周期，降低貨損貨差，節(jié)省人力物力等方面的優(yōu)越性，江海聯(lián)運(yùn)正逐漸成為內(nèi)河航運(yùn)的主要方式之一[1]。近年來，航道電子地圖系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用大大提高船舶航行服務(wù)水平，促進(jìn)船舶航行服務(wù)信息化和智能化，但目前現(xiàn)有系統(tǒng)在服務(wù)江海聯(lián)運(yùn)的船舶時(shí)仍存在很大的缺陷。一方面，內(nèi)河航道電子地圖、港口電子圖和電子海圖的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使得往返于江海的船舶無法同時(shí)獲得內(nèi)河航道電子地圖、港口電子圖和電子海圖的動(dòng)態(tài)信息，江海聯(lián)運(yùn)的船舶不得不分別獲取這三種地圖的信息并人工進(jìn)行切換，造成江海聯(lián)運(yùn)的船舶航運(yùn)信息滯后、地圖信息碎片化等問題。另一方面，以GPS 技術(shù)和電子地圖為核心的內(nèi)河航道電子地圖被廣泛應(yīng)用在內(nèi)河船舶，但是現(xiàn)有內(nèi)河航道電子地圖基本是采用近30 年的水文觀測(cè)的最低潮面作為基準(zhǔn)面標(biāo)注水深，結(jié)合電子地圖的位置確定，將內(nèi)河航道電子地圖所標(biāo)水深值發(fā)布給船舶，由于內(nèi)河航道水深受降雨影響，在洪水期和枯水期差別較大，所以船舶并無法獲得內(nèi)河航道實(shí)時(shí)水深，面臨著擱淺和碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于船舶航行信息服務(wù)的研究，歐洲的內(nèi)河信息服務(wù)系統(tǒng)（River Information Services，RIS） 著力于解決跨國(guó)跨區(qū)運(yùn)輸不同系統(tǒng)兼容性差，資源整合和共享程度不高等問題，為用戶提供大量的協(xié)同信息，包括相對(duì)靜態(tài)的電子江圖、船舶登記數(shù)據(jù)等以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，像船舶的位置、載貨信息、航速等[2]。國(guó)內(nèi)的“數(shù)字長(zhǎng)江”則對(duì)內(nèi)提供航道演變的預(yù)測(cè)、航道維護(hù)輔助決策等管理輔助功能，對(duì)外提供電子航道圖、航道通行公共信息等信息服務(wù)[3]。但是RIS 主要側(cè)重于整合內(nèi)河航運(yùn)資源而未著重考慮江海聯(lián)運(yùn)的因素，而“數(shù)字長(zhǎng)江”系統(tǒng)也未能從江海聯(lián)運(yùn)角度整合地圖，解決地圖信息碎片化問題。本文立足于江海聯(lián)運(yùn)的船舶實(shí)時(shí)接收航運(yùn)過程中各類航運(yùn)信息包括水深信息、船舶信息、地圖信息的需求，提出使用基于反距離權(quán)重插值算法計(jì)算內(nèi)河航道水深的方法，并采用GIS 技術(shù)解決內(nèi)河航道、港口電子地圖與電子海圖融合的問題，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、技術(shù)框架等方面開展面向江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)研究。

1 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、核心服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層四個(gè)層次。其總體結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，其中：數(shù)據(jù)采集層通過使用基于Android 平臺(tái)智能船舶移動(dòng)終端比如手機(jī)、平板電腦等，采集基站定位和GPS 輔助定位數(shù)據(jù)，獲取船舶位置信息，將其數(shù)據(jù)保存為標(biāo)準(zhǔn)格式并上傳到數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器；數(shù)據(jù)傳輸層將服務(wù)器端接收的定位數(shù)據(jù)壓縮處理，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器端；核心服務(wù)層通過對(duì)定位信息、水位站提供的水深等數(shù)據(jù)分析處理，以此提供實(shí)時(shí)計(jì)算水深系統(tǒng)服務(wù)、定位數(shù)據(jù)接收和儲(chǔ)備服務(wù)、時(shí)空數(shù)據(jù)與地圖匹配服務(wù)、預(yù)警信息獲取服務(wù)等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層一方面通過智能船舶移動(dòng)終端的船舶航行電子地圖系統(tǒng)，向客戶提供和展示各種服務(wù)的信息，包括實(shí)施水深、定位數(shù)據(jù)、時(shí)空數(shù)據(jù)、預(yù)警信息等，另一方面通過智能船載終端監(jiān)控平臺(tái)的船舶航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)向航運(yùn)監(jiān)管部門提供船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)硬件要求

（1） 服務(wù)器軟硬件要求

系統(tǒng)推薦配置：

為支撐系統(tǒng)未來的業(yè)務(wù)需要，建議服務(wù)器的性能不能太低。推薦配置如下：

硬盤：10G 以上；

內(nèi)存：2G 以上；

CPU：最低雙核CPU。

服務(wù)器使用環(huán)境：

操作系統(tǒng)：Windows Server 2003；

數(shù)據(jù)庫(kù)：ORACLE 10G；

基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)架：J2EE 技術(shù)框架、MVC 框架。

（2） PC 客戶端軟硬件要求

硬盤：無特殊要求；

內(nèi)存：運(yùn)行客戶端操作系統(tǒng)最低要求；

CPU：運(yùn)行客戶端操作系統(tǒng)最低要求。

客戶端使用環(huán)境：

操作系統(tǒng)：Windows XP/2000 及以上版本；

瀏覽器：IE6 及以上版本。

（3） 手機(jī)客戶端使用環(huán)境

Android 操作系統(tǒng)：Android2.2 及以上版本。

2 功能設(shè)計(jì)

面向江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)主要是根據(jù)航運(yùn)監(jiān)管部門、船主、船代等用戶需求調(diào)研分析結(jié)果，以服務(wù)江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行為目的設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。一方面，系統(tǒng)根據(jù)船主、船代等與航運(yùn)相關(guān)企業(yè)的需求，提供航行參考圖、船舶定位、船舶安全信息查詢等助航信息。另一方面，系統(tǒng)面向航運(yùn)監(jiān)管部門，開發(fā)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。如圖2 所示，其主要功能分為兩個(gè)主要模塊：面向智能船舶移動(dòng)終端的船舶航行電子地圖系統(tǒng)和面向智能船載終端監(jiān)控平臺(tái)的船舶航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。其中船舶航行電子地圖系統(tǒng)的功能包括：

（1） 航行參考圖：航行參考圖融合內(nèi)河航道電子地圖、港口電子地圖、電子海圖等數(shù)據(jù)，形成面向航運(yùn)船舶的航行參考圖。通過航行參考圖，結(jié)合船舶的當(dāng)前位置，可了解船舶當(dāng)前的實(shí)時(shí)水深和周邊的助航標(biāo)志信息。

（2） 船舶綁定：對(duì)船舶信息進(jìn)行綁定，以便進(jìn)行用戶船舶安全檢測(cè)與信息提醒。

（3） 船舶定位：根據(jù)GPS 和基站數(shù)據(jù)，對(duì)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，顯示船舶的航速、航向等信息。

（4） 船舶安全信息查詢與提示：根據(jù)建筑物的凈高和水位，系統(tǒng)自動(dòng)判斷船舶是否可安全通過，并給出智能判斷提示。

（5） 用戶管理：基本功能是提供用戶進(jìn)行登錄、注冊(cè)、退出功能。用戶可利用系統(tǒng)提供的用戶信息進(jìn)行系統(tǒng)登錄及按照權(quán)限分配使用系統(tǒng)功能。

船舶航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括：

（1） 船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一GPS 資源管理，船舶信息查詢、船舶當(dāng)前位置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、某時(shí)間段船舶行駛軌跡回放等功能。

（2） 船舶位置接收服務(wù)：對(duì)智能船舶移動(dòng)終端發(fā)送的GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并存儲(chǔ)到船舶監(jiān)控平臺(tái)。船舶監(jiān)控平臺(tái)對(duì)船舶GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

（3） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：在監(jiān)控平臺(tái)上顯示航道水位站位置、航道淺灘位置、橋梁通航凈空尺度、船舶基本信息、航道基本信息等，并對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

（4） 系統(tǒng)管理：對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行維護(hù)管理，包括用戶管理、角色管理、操作日志等。

3 技術(shù)框架

3.1 總體技術(shù)框架（見圖3）

面向江海聯(lián)運(yùn)的在線電子地圖服務(wù)系統(tǒng)采用面向接口編程的架構(gòu)開發(fā)模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，其中系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)接口包括動(dòng)態(tài)水深數(shù)據(jù)接口和地圖瓦片數(shù)據(jù)接口[4]。調(diào)用動(dòng)態(tài)水深數(shù)據(jù)接口，可通過船舶的定位，接收船舶附近水位站的實(shí)測(cè)水位信息，經(jīng)過反距離權(quán)重插值算法推算實(shí)時(shí)水深。調(diào)用地圖瓦片數(shù)據(jù)接口，可利用地圖融合技術(shù)將港口電子地圖、內(nèi)河航道電子地圖和電子海圖整合成一個(gè)完整的航運(yùn)電子地圖。系統(tǒng)采用基于ESRI ArcGIS 的跨平臺(tái)地圖引擎，調(diào)用地圖瓦片數(shù)據(jù)接口和動(dòng)態(tài)水深數(shù)據(jù)接口，分別利用面向WEB 的地圖引擎和面向Android 客戶端的地圖引擎開發(fā)船舶航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和船舶航行電子地圖系統(tǒng)。其中面向WEB 的地圖引擎采用JavaScript 語言開發(fā)，面向Android 客戶端的地圖引擎采用Java 語言開發(fā)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 內(nèi)河航道、港口電子地圖與電子海圖的融合技術(shù)

內(nèi)河航道、港口電子地圖的坐標(biāo)系是北京1954 坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)格式通常采用是ArcGIS Shapefile，顯示標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5863-86《內(nèi)河航道助航標(biāo)志》。電子海圖的坐標(biāo)系是WGS84 坐標(biāo)系，電子海圖數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)[5]分別是由國(guó)際海事組織（IMO） 頒布的S57 和S52 格式。由于內(nèi)河航道、港口電子地圖與電子海圖數(shù)據(jù)坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式以及顯示規(guī)范不同，造成內(nèi)河航道、港口電子地圖與電子地圖無法直接兼容，對(duì)江海聯(lián)運(yùn)船舶造成極大不便。故必須統(tǒng)一內(nèi)河航道、港口電子地圖與電子海圖的坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式以及顯示標(biāo)準(zhǔn)，將內(nèi)河航道、港口、沿海海域的空間要素整合在同一張地圖上。以廣東航道電子地圖數(shù)據(jù)、港口電子地圖和電子海圖為例，主要步驟為：

（1） 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采用ArcGIS Shapefile 數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)。由于廣東省內(nèi)河航道電子地圖數(shù)據(jù)和港口電子地圖數(shù)據(jù)本身均采用ArcGIS Shapefile 格式，無需轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式。電子海圖采用S57 的數(shù)據(jù)格式，故須利用ArcGIS 軟件將電子海圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS Shapefile 格式。

（2） 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

廣東省內(nèi)河航道電子地圖數(shù)據(jù)和港口電子地圖數(shù)據(jù)均采用北京1954 平面直角坐標(biāo)系，采用高斯克呂格投影，3 度分帶。電子海圖數(shù)據(jù)采用WGS 1984 大地坐標(biāo)系。將廣東省內(nèi)河航道電子地圖數(shù)據(jù)和港口電子地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WGS 1984 大地坐標(biāo)系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程如圖4 所示：

（3） 合并圖幅

電子海圖數(shù)據(jù)是分圖幅的，同一個(gè)區(qū)域可能有多張電子海圖數(shù)據(jù)，但是每張電子海圖數(shù)據(jù)的比例尺有區(qū)別。因此需要按比例尺和按物標(biāo)圖層，對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)各圖幅進(jìn)行合并，將同一個(gè)比例尺下的同一類物標(biāo)合并到一個(gè)圖層中。

3.2.2 基于Android 平臺(tái)的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)在線發(fā)布技術(shù)

面向智能船舶移動(dòng)終端的船舶航行電子地圖系統(tǒng)采用基于Android 平臺(tái)的內(nèi)河航道實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)在線發(fā)布技術(shù)，使用反距離權(quán)重插值水深算法精確推算內(nèi)河航道的實(shí)時(shí)水深，并基于Android 平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行在線發(fā)布?；贏ndroid 平臺(tái)的實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)在線發(fā)布技術(shù)由五部分組成，分別是實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)水深計(jì)算子系統(tǒng)，面向Internet的地圖數(shù)據(jù)發(fā)布接口、面向Internet 的實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)發(fā)布接口、基于Android 平臺(tái)的船舶航行電子地圖軟件。

（1） 實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)，通過Socket 接口接入內(nèi)河航道水位站傳輸?shù)膶?shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2） 實(shí)時(shí)水深計(jì)算子系統(tǒng)，根據(jù)接收的實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，采用反距離權(quán)重插值算法計(jì)算內(nèi)河航道實(shí)時(shí)水深。（3） 面向Internet 的地圖數(shù)據(jù)發(fā)布接口，通過REST 接口向Android 電子地圖終端軟件，發(fā)布地圖數(shù)據(jù)。

（4） 面向Internet 的實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)發(fā)布接口，通過REST 接口向Android 電子地圖終端軟件，發(fā)布實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)。

（5） 基于Android 平臺(tái)的船舶航行電子地圖軟件由無線通訊模塊、地圖引擎、地圖顯示模塊、GPS 定位模塊四大功能模塊組成，可通過無線網(wǎng)絡(luò)下載地圖數(shù)據(jù)，瀏覽顯示電子地圖，獲取實(shí)時(shí)水深、跨河攔河建筑物的凈空高度等信息，滿足江海聯(lián)運(yùn)船舶航行的需求，提高船舶航行的安全性。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本文的面向江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)應(yīng)用于廣東省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目《基于Android 的江海直達(dá)船舶在線地圖服務(wù)終端技術(shù)研究與開發(fā)》和廣州市創(chuàng)新基金項(xiàng)目《內(nèi)河航運(yùn)船載智能云終端》。該項(xiàng)目根據(jù)本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，攻克關(guān)鍵技術(shù)上的難題，開發(fā)智能船載終端監(jiān)控平臺(tái)和智能船舶移動(dòng)終端應(yīng)用軟件。其中，智能船載終端監(jiān)控平臺(tái)為航運(yùn)監(jiān)管部門提供船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況，提高航運(yùn)監(jiān)管部門安全監(jiān)管水平?；贏ndroid 的智能船舶移動(dòng)終端應(yīng)用軟件提供船主、航運(yùn)企業(yè)、貨代企業(yè)等用戶包括航行實(shí)時(shí)電子地圖、船舶航行安全信息查詢、航道基本信息查詢等船舶航行信息服務(wù)。如圖5 所示，用戶可通過智能船舶移動(dòng)終端應(yīng)用軟件的航行實(shí)時(shí)電子地圖查詢船舶位置、航道水深等信息。

5 結(jié) 論

面向江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道電子地圖、港口電子地圖和電子海圖的融合，為船舶在內(nèi)河航運(yùn)中提供航行參考信息，實(shí)現(xiàn)船舶江海聯(lián)運(yùn)的全方位航行參考圖支持。在提供在線海圖和地圖導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，采用基于反距離權(quán)重插值算法推算內(nèi)河航道水深的方法準(zhǔn)確推算航道實(shí)時(shí)水深并實(shí)時(shí)發(fā)布，大大提高船舶內(nèi)河航運(yùn)安全性。面向江海聯(lián)運(yùn)的船舶航行服務(wù)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提高江海聯(lián)運(yùn)的船舶航運(yùn)安全性和經(jīng)濟(jì)性，加快內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展的步伐，促進(jìn)江海聯(lián)運(yùn)信息化的發(fā)展。

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