（廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，廣西 南寧 530022）

【摘 要】設(shè)計了一套基于北斗導(dǎo)航技術(shù)的船閘報閘管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合GPRS全球移動通信技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)了船閘業(yè)務(wù)管理及GIS地圖應(yīng)用2個主要模塊。文章對系統(tǒng)的總體架構(gòu)、設(shè)計過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)的功能進行了描述。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航；船閘報閘；管理系統(tǒng)；GIS

【中圖分類號】TP311.52 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）06-0030-04

0 引言

由于受信息化技術(shù)、通信手段等多種因素的制約，我國一些內(nèi)河航運尚存在下岸報閘、插隊報到等現(xiàn)象，造成堵船、滯船等航運通道不暢、過閘效率低等問題。隨著我國北斗導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)及GIS（Geographic Information System，簡稱GIS）和通信技術(shù)的成熟，船閘的調(diào)度管理工作已經(jīng)進入了計算機輔助支持的實時管理階段，利用這些信息化手段可以極大地提高通航效率，解決航運不暢的現(xiàn)狀。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)通過對船閘報閘業(yè)務(wù)及調(diào)度原則的分析，結(jié)合北斗導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，架構(gòu)出基于北斗導(dǎo)航的船閘報閘管理系統(tǒng)的整個框架。考慮系統(tǒng)的擴展性及為了系統(tǒng)建設(shè)的分步實施提供較好的規(guī)范藍本，將系統(tǒng)劃分為4個邏輯層，即信息數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)共享服務(wù)層、應(yīng)用層、接入層，各層通過硬件、網(wǎng)絡(luò)、接口和協(xié)議形成有機的整體。信息標準體系和安全體系保證系統(tǒng)安全地提供標準的數(shù)據(jù)和服務(wù)，數(shù)據(jù)采集、維護、更新、管理、查詢、分析、決策和發(fā)布的解決方案為系統(tǒng)的建設(shè)和運行提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1.1 信息和數(shù)據(jù)管理層

信息和數(shù)據(jù)管理層用于存儲空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。具體存儲內(nèi)容如下。

（1）空間數(shù)據(jù)庫用于存儲提供GIS系統(tǒng)顯示的空間地圖數(shù)據(jù)，包含矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，針對本次項目，空間數(shù)據(jù)庫主要存儲全國電子地圖矢量和影像數(shù)據(jù)、船閘矢量地形數(shù)據(jù)信息（帶真實經(jīng)緯度）和船只位置信息數(shù)據(jù)等。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲支撐，存儲人員基本信息、船只基本信息、船主信息和船閘信息等。

（3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫存儲船運相關(guān)業(yè)務(wù)信息，如船閘調(diào)度登記、報到和拍檔、閘次信息等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為查詢、統(tǒng)計、分析提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)信息服務(wù)層

數(shù)據(jù)信息服務(wù)層建立在信息數(shù)據(jù)管理層之上，通過對空間、基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的邏輯處理，提供多種服務(wù)供應(yīng)用層調(diào)用，提供空間分析服務(wù)、過閘業(yè)務(wù)服務(wù)、北斗定位服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)等。

1.3 應(yīng)用層與接入層

接入層主要是北斗導(dǎo)航終端的硬件設(shè)備與傳感器接入，屬于數(shù)據(jù)采集層。應(yīng)用層將本系統(tǒng)劃分為終端監(jiān)控子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)、GIS應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)和后臺管理子系統(tǒng)。

（1）終端監(jiān)控子系統(tǒng)。終端監(jiān)控系統(tǒng)是一個高并發(fā)的服務(wù)端應(yīng)用程序，為北斗終端和其他終端（如GPS終端和AIS終端）提供數(shù)據(jù)傳輸、經(jīng)緯度加密解密和數(shù)據(jù)處理服務(wù)，具備北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控、終端數(shù)據(jù)處理、終端設(shè)備管理等功能。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是本項目的核心，由船閘報到管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)、會員信息服務(wù)系統(tǒng)、船閘門戶網(wǎng)站、查詢統(tǒng)計和智能分析決策服務(wù)等功能組成。

（3）GIS應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)。GIS應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)由GIS平臺開發(fā)，系統(tǒng)包含地圖基礎(chǔ)操作、數(shù)據(jù)采集維護工具和GIS監(jiān)控平臺。

（4）后臺管理子系統(tǒng)。后臺管理子系統(tǒng)負責(zé)對系統(tǒng)的維護和管理工作，具有系統(tǒng)用戶管理、組織機構(gòu)管理、系統(tǒng)備份恢復(fù)、權(quán)限管理、日志管理等功能。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 北斗衛(wèi)星定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星的定位技術(shù)是本系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，在本系統(tǒng)中采用基于北斗載波相位定位算法來實現(xiàn)定位。在進載波定位之前，需要將載波進行重建，將無關(guān)的測距碼和導(dǎo)航應(yīng)用的電文去掉，并且還需要將離散的載波信號構(gòu)建成連續(xù)的載波信號。船務(wù)北斗衛(wèi)星終端采用多塊化、組合式優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)置高性能芯片，各模塊之間的接口采用標準接口，充分利用系統(tǒng)平臺、移動通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)絡(luò)，將定位功能、行駛軌跡等集于一體，通過無線數(shù)據(jù)通信接口（GPRS、GSM）和GPS接口，能與監(jiān)控中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和移動位置的定位，能夠滿足用戶的多種需求。船載北斗導(dǎo)航終端與系統(tǒng)信息的交互如圖2所示。

在本文中，相位用φ表示，衛(wèi)星與接收端距離用R表示，整周模糊度用N表示，電離層用Vion表示，對流層延遲改正用Vtrop表示。首次觀測φ0=Fr（φ）0，以后的觀測有φ=Int（φi）+Fr（φi），其中Int（φi）為整周計數(shù)，N0為整周模糊度，北斗載波觀測方程如公式（1）所示：

（1）

在公式（1）中的4子公式中，第1項是在新歷中衛(wèi)星當(dāng)前為止跟接受芯片之間的集合距離，dT是接收鐘差，dt是衛(wèi)星鐘差。對同一接收端來說，不同衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)中的接收端鐘差成分是相同的，公式如下：

（2）

作差分可得：

（3）

為了能夠更加準確地定位，需要對公式的模糊度進行精確求解。本系統(tǒng)采用cholesky分解法來進行求解，為了削弱整周跳變，本系統(tǒng)采用超次差分法來實現(xiàn)。

2.2 船舶過閘自動圖形排擋技術(shù)

通過研究開發(fā)船舶過閘智能調(diào)度的數(shù)學(xué)模型和快速搜索算法，求解最優(yōu)的過閘排擋方案。通過面向?qū)ο蠛湍K化編程技術(shù)，實時提供船舶參數(shù)信息和船舶待閘信息。系統(tǒng)采用友好的人機交互界面，對船舶排檔實現(xiàn)圖形化處理。

本系統(tǒng)使用的是二維優(yōu)化編排啟發(fā)式算法的優(yōu)化算法，算法主要描述如下：

Step1：

Step2：

Step3：

Step4：

Step5：

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 船閘報到管理業(yè)務(wù)模塊

系統(tǒng)的實現(xiàn)模塊采用B/S模式架構(gòu)，通過瀏覽器進行訪問。船閘報到管理功能的目的是通過北斗、GPS、GPRS等輔助技術(shù)，依托先進的信息系統(tǒng)，運用管理學(xué)、運籌學(xué)構(gòu)建船閘調(diào)度優(yōu)化模型，實現(xiàn)對船閘（單、雙、多線）的聯(lián)合調(diào)度，綜合利用水運資源，提高船閘運行效率，減少船舶待閘時間，保障船閘安全運行管理，提升服務(wù)質(zhì)量。

自動報到：當(dāng)安裝了北斗定位終端的船舶進入船閘的錨地，系統(tǒng)接收衛(wèi)星傳回的位置信息，通過預(yù)先設(shè)定的算法計算該船是否符合報到條件，進而執(zhí)行自動報到的功能。北斗定位終端的定位精度直接影響了船只自動報到的實時性及準確性。目前使用的北斗定位終端其定位精度小于10 m，符合實際應(yīng)用的需求。

自動排隊號：系統(tǒng)程序設(shè)計中實現(xiàn)自動生成排隊序號，通過后臺的MAS機接口向相應(yīng)的船主手機下發(fā)該排隊號及待閘船只數(shù)量信息，以便船長掌握航行，及時調(diào)整航速，避免了船只待閘時間太長的問題。

自動化圖形排擋：使用特定的算法，結(jié)合船閘調(diào)度室工作人員的調(diào)度經(jīng)驗，提供自動化的排擋功能，并以圖形的方式在系統(tǒng)界面顯示。

3.2 GIS地圖應(yīng)用模塊

GIS應(yīng)用服務(wù)平臺是本項目的核心子系統(tǒng)之一，本技術(shù)方案專門在GIS平臺選型與設(shè)計對系統(tǒng)采用的GIS開發(fā)實現(xiàn)進行詳細介紹。

（1）漫游?？梢詫Φ貓D進行平移、放大和縮小等相關(guān)地圖漫游和查看操作。

（2）查詢。在地圖上用鼠標點擊船舶，可彈出對話框顯示該船舶的詳細信息，例如顯示該船舶的船舶代碼、凈噸位、船舶寬度、船高、出發(fā)地、目的地、空載吃水、滿載吃水、實載噸位、核載噸位、船舶類型、船舶名稱、總船長等信息。

（3）基于GIS的船舶監(jiān)控。系統(tǒng)可以隨時跟蹤船舶當(dāng)前所處的位置、移動速度、移動方向、實時油耗等情況，對船舶進行定位時可按定位、定時、定距、定速、定范圍、定地點等多種方式監(jiān)控，具有分類監(jiān)控、重點監(jiān)控、追蹤監(jiān)控等功能。并在系統(tǒng)界面上顯示船舶的監(jiān)控狀態(tài)，包括區(qū)域報警、軌跡重放、事故報警、遇險救助。

3.3 終端監(jiān)控模塊

終端監(jiān)控子系統(tǒng)是一套采用Java開發(fā)的服務(wù)端高并發(fā)程序，專門為北斗終端設(shè)備和其他終端設(shè)備接入提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)和并行處理能力功能，服務(wù)終端監(jiān)控子系統(tǒng)由北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控、終端數(shù)據(jù)處理、終端設(shè)備管理3個模塊組成。詳細介紹如下。

3.3.1 北斗導(dǎo)航終端監(jiān)控模塊

實時接收并存儲北斗終端每隔30 s（間隔時間可通過后臺設(shè)置）回傳的實時定位信息，北斗終端通過GSM網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)接收終端設(shè)備上報位置信息，系統(tǒng)支持采用TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。位置信息包括終端硬件唯一編碼（用于與服務(wù)端注冊的硬件編碼比對實現(xiàn)終端身份認證）、時間、經(jīng)度、緯度、高程、速度、方向、終端狀態(tài)等。

3.3.2 終端數(shù)據(jù)處理模塊

終端數(shù)據(jù)模塊包括對北斗終端發(fā)送的加密位置信息進行解析，對終端報警信息進行多渠道提醒處理，終端回傳數(shù)據(jù)備份功能、駕駛員身份認證信息驗證處理，終端設(shè)備脫機處理，數(shù)據(jù)后臺自動統(tǒng)計功能等重要功能。

（1）對北斗終端發(fā)送的加密位置信息進行解析，即將終端上傳的加密數(shù)據(jù)解析為真實的經(jīng)度、緯度、速度、方向、船舶狀態(tài)信息，并對偏移的經(jīng)緯度信息進行糾偏運算。

（2）對終端報警信息進行多渠道提醒處理，如電話、短信和系統(tǒng)提示框等形式通知相關(guān)管理人員和海事管理人員。

（3）終端回傳數(shù)據(jù)備份功能，對定位數(shù)據(jù)進行實時存儲；為解決隨著時間的推移定位數(shù)據(jù)過度龐大的問題，系統(tǒng)可以只保存當(dāng)前3個月（具體時間可通過后臺設(shè)置）內(nèi)的定位數(shù)據(jù)，對定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動保存到備份數(shù)據(jù)庫或光盤等其他媒介中；支持備份庫恢復(fù)功能。

（4）駕駛員身份認證信息驗證處理，駕駛員在北斗終端刷身份卡信息（存儲駕駛員從業(yè)資格證信息的非接觸式IC卡，簡稱駕駛員身份卡），數(shù)據(jù)會傳到會員數(shù)據(jù)庫進行檢索查詢，并將查詢結(jié)果返回北斗終端。

（5）終端設(shè)備脫機處理，當(dāng)終端脫機時，即未接收到終端設(shè)備的心跳包信息時，或設(shè)備發(fā)生故障時，北斗終端監(jiān)控模塊會提醒管理員終端離線，提醒工作人員進行處理。

（6）數(shù)據(jù)后臺自動統(tǒng)計功能，根據(jù)數(shù)據(jù)類別的不同，數(shù)據(jù)自動按年、月、日、小時，對終端運行進行統(tǒng)計。例如，某年某船運行總里程、船舶報警類型統(tǒng)計等信息。

3.3.3 終端設(shè)備管理模塊

對終端硬件設(shè)備進行配置管理，用于實現(xiàn)配置北斗終端定時發(fā)送數(shù)據(jù)的遠程服務(wù)器IP和端口信息、定時回傳數(shù)據(jù)的時間間隔、設(shè)置一鍵通話電話號碼和設(shè)置定時定距上報等相關(guān)配置管理功能。

終端上線注冊，提供對于北斗終端的注冊，將終端設(shè)備的終端硬件唯一編碼、SIM卡號碼、ISIM號碼等相關(guān)內(nèi)容與船舶信息和船主信息進行綁定。

4 結(jié)語

系統(tǒng)解決了河船運報閘過程中，過閘監(jiān)控手段落后、報閘效率低下的問題，系統(tǒng)將能夠為船閘調(diào)度提供智能化的在線地圖跟蹤，實時監(jiān)控船舶是否進入錨地，為航運中的船只提供實時的船閘待閘信息，以及提供給調(diào)度人員智能化的調(diào)度排擋決策方案，解決了通航不暢的問題。

參 考 文 獻

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】黃海遵，男，廣西陸川人，本科，廣西西江開發(fā)投資集團有限公司信息中心主任，高級工程師，研究方向：企業(yè)信息化、信息咨詢、物流技術(shù)、北斗導(dǎo)航及其應(yīng)用。