◎ 楊毅 廣州航標(biāo)處

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珠江口智能航線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎ 楊毅 廣州航標(biāo)處

摘 要：借鑒陸上導(dǎo)航的思路，參照e-航海戰(zhàn)略理念，針對珠江口水域通航環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，開發(fā)了珠江口智能航線系統(tǒng)。本系統(tǒng)開發(fā)的基本思路是以GIS平臺為基礎(chǔ)，建立珠江口水域的推薦航線庫，選用合理的最優(yōu)航線算法，采用面向服務(wù)的方式，將推薦航線及相關(guān)的助航信息服務(wù)推送到用戶端。

關(guān)鍵詞：e-航海 航行安全 自動航線設(shè)計(jì) 助航服務(wù)

1.引言

目前陸地交通導(dǎo)航系統(tǒng)中自動化、智能化的路線設(shè)計(jì)功能已經(jīng)非常成熟，廣泛應(yīng)用于各種商業(yè)導(dǎo)航系統(tǒng)中。而在海上導(dǎo)航系統(tǒng)中，基本還是采取手工設(shè)計(jì)船舶計(jì)劃航線的方式，在某些ECDIS中可以利用電子海圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)劃航線的安全評估，有的廠商提供了氣象導(dǎo)航等航線優(yōu)化的功能，而綜合性、自動化的智能航線設(shè)計(jì)大多停留在理論研究，投入實(shí)際應(yīng)用的甚少。

珠江口水域船舶類型多樣化，既有遠(yuǎn)洋航行的大型船舶，又有小型的內(nèi)河船，還有高速船、漁船等，基本涵蓋了各種類型和等級的船舶。珠江口航道狹窄，航行規(guī)則錯綜復(fù)雜，兩岸港口密集，大型水上工程施工作業(yè)頻繁，船舶流向縱橫交錯、流量甚大，船舶碰撞事故較多。本系統(tǒng)的建設(shè)目的是為航行于珠江口水域的船舶提供有針對性的自動化、智能化的航線設(shè)計(jì)及相應(yīng)的智能導(dǎo)航服務(wù)，以幫助船舶掌握航行規(guī)則，提高航行效率，強(qiáng)化航行安全。

2.智能航線算法的選擇

目前有很多文章中提出了很多海上自動航線設(shè)計(jì)的方法，主要包括：

（1）主要考慮水深和礙航物，以繞開礙航物和淺水區(qū)的最短路徑搜索策略為基礎(chǔ)。該類方法未考慮航行規(guī)則和外在通航環(huán)境因素等條件，適用于沒有明確航行規(guī)則的水域和較小的船舶。

（2）通過建立推薦航線庫，結(jié)合對季風(fēng)、洋流、臺風(fēng)等氣象因素的模糊綜合評判進(jìn)行選擇和優(yōu)化的方法。適用于遠(yuǎn)洋航線的自動設(shè)計(jì)。

（3）基于動態(tài)網(wǎng)格模型的航線自動生成算法或蟻群算法，也只考慮水深和礙航物。

還有的文章提出了Dijkstra最短路徑、QoS路由網(wǎng)絡(luò)等算法，但并未考慮到海上航路、航道并不像陸上的道路網(wǎng)一樣有連續(xù)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

海上航行相比陸上道路而言，具有更多的模糊性和不確定性因素，我們認(rèn)為要考慮具體的通航環(huán)境，以及具體的船舶參數(shù)，才能選擇最合適的自動航線設(shè)計(jì)算法。基本思路如下：

（1）大洋水域及離岸較遠(yuǎn)的水域，船舶密度較小，一般沒有劃定明確的航道，因此主要考慮安全和效率，因此以大圓航線為基礎(chǔ)，考慮水深、礙航物、氣象等因素，自動航線設(shè)計(jì)采取繞開礙航物、危險區(qū)的最短路徑算法為主，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)航線、歷史航線等進(jìn)行綜合評價。

（2）沿海水域航道復(fù)雜、各類船舶來往頻繁、礙航物多，因此優(yōu)先考慮安全和航行規(guī)則。根據(jù)劃定的航道和相應(yīng)的航行規(guī)則，按照船舶大小和類型建立不同等級的推薦航線路徑網(wǎng)絡(luò)。

圖1　珠江口分級航線庫

根據(jù)上述思路，本系統(tǒng)中在珠江口建立了如下的推薦航線路徑網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示：

根據(jù)珠江口水域的特點(diǎn)，結(jié)合該區(qū)域常見船舶大小和吃水，將推薦航線路徑劃分為了六個等級，如下表所示：

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用面向服務(wù)（SOA）的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)中心包括GIS平臺、空間數(shù)據(jù)庫和WEB應(yīng)用服務(wù)，提供B/S模式的WEB應(yīng)用，并通過服務(wù)聯(lián)接移動APP和PC客戶端，實(shí)現(xiàn)服務(wù)和數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能組成分為岸基集中處理平臺、移動APP應(yīng)用和PC端電子海圖系統(tǒng)（ECS）應(yīng)用三個部分。

3.2.1岸基集中處理平臺

即服務(wù)端，是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。主要功能包括：

（1）整合珠江口的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，主要以電子海圖為基礎(chǔ)，整合航行規(guī)則、礙航物等相關(guān)的專題數(shù)據(jù)。

（2）建立和維護(hù)珠江口慣用航線庫，并通過大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行定期優(yōu)化。

（3）管理實(shí)時的船舶動態(tài)數(shù)據(jù)，主要是AIS的數(shù)據(jù)。

（4）響應(yīng)客戶端的請求，進(jìn)行最優(yōu)航線的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至客戶端。

（5）監(jiān)控客戶端的航行動態(tài)，實(shí)時推送航行指引和警示信息。

（6）提供第三方接口服務(wù)。

3.2.2移動APP應(yīng)用

移動APP應(yīng)用主要針對航海人員，實(shí)現(xiàn)智能航線服務(wù)、助航信息服務(wù)等增值功能。目前主要完成了基于安卓手機(jī)的開發(fā)。

主要功能包括：

（1）顯示海圖和海上交通要素，包括等深線、航道、航標(biāo)、定線制、錨地、航線、沉船、礙航物、引航員登輪點(diǎn)、限制區(qū)、警戒區(qū)、禁區(qū)、港區(qū)等，并能切換顯示互聯(lián)網(wǎng)地圖。

（2）從系統(tǒng)中心獲得當(dāng)前有效的海上安全信息（MSI），并顯示在海圖上。

（3）可綁定本船AIS的MSSI碼，從而同步本船的基本信息（船舶靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)），軟件的位置數(shù)據(jù)可選擇使用AIS船位，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不可用時，自動切換為移動設(shè)備的GPS位置。

（4）顯示可用實(shí)時/預(yù)報(bào)的水文氣象信息（通過互聯(lián)網(wǎng)水文氣象數(shù)據(jù)接口/氣象服務(wù)獲得）。

（5）設(shè)定航行的目的地，調(diào)用在線智能航線服務(wù)，搜索海上的推薦航線，并可保存為計(jì)劃航線。

（6）查看其它用戶的計(jì)劃航線。

（7）查詢海上要素的信息。

（8）采用語音加屏幕閃爍的方式進(jìn)行警示，包括危險警示（進(jìn)入淺水區(qū)、靠近礙航物、靠近鄰近船舶、穿過限高橋梁、能見度不良、大風(fēng)、急流），違反交通規(guī)則警示（超速、逆行、違規(guī)追越、違規(guī)穿越），普通信息播報(bào)（當(dāng)前位置的加潮水深播報(bào)、交通規(guī)則播報(bào)、附近MSI的相關(guān)信息等）。

（9）搜藏個人興趣點(diǎn)，分享當(dāng)前位置的照片，標(biāo)繪個人的內(nèi)容。

（10）海上信息報(bào)告（如海上事故、風(fēng)險海況、航標(biāo)移位等），報(bào)告數(shù)據(jù)錯誤（如提示的航行規(guī)則與實(shí)際有出入）。

（11）歷史航程計(jì)算：通過本船AIS的歷史軌跡，計(jì)算一定時間區(qū)間的航行里程、時間，并估算相應(yīng)的油料消耗。

（12）航行風(fēng)險分析：分析本船航行過程中遇到安全風(fēng)險、違反交通規(guī)則等情況，給出安全建議。

（13）航行習(xí)慣分析（分析本船經(jīng)常航經(jīng)的水域、航道，經(jīng)常?？康拇a頭、習(xí)慣的航速等數(shù)據(jù)）。

（14）查看海上風(fēng)險點(diǎn)（來自AIS大數(shù)據(jù)分析）。

3.2.3PC端ECS軟件

具有ECS的基本功能，并包含上述移動APP的所有功能。

4.系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1服務(wù)端

服務(wù)端由 GIS SERVER和WEB應(yīng)用服務(wù)構(gòu)成，其中GIS SERVER作為數(shù)據(jù)發(fā)布的容器，主要用來顯示空間數(shù)據(jù)，WEB應(yīng)用服務(wù)主要作為C/S程序的邏輯層和B/S程序的WEB 容器，進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理和提供WEB 訪問服務(wù)。服務(wù)端基于J2EE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下進(jìn)行開發(fā)，采用面向?qū)ο螅∣OP）的設(shè)計(jì)，以面向服務(wù)（SOA）的設(shè)計(jì)為應(yīng)用擴(kuò)展。GIS平臺支持各類GIS數(shù)據(jù)的整合和發(fā)布，支持緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、網(wǎng)絡(luò)分析等各種空間分析算法，支持B/S模式下的數(shù)據(jù)編輯。

4.2數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫選用PostgreSQL對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立了電子海圖庫，航行知識庫，船舶航跡庫，航線庫，障礙物庫，港口數(shù)據(jù)庫，用戶數(shù)據(jù)庫。

圖2　移動APP自動生成最優(yōu)航線

4.3移動App應(yīng)用

通過搭建AppServer服務(wù)端獲取岸基系統(tǒng)服務(wù)，完成安卓系統(tǒng)下的智能航線設(shè)計(jì)的功能。移動APP主要采用Android原生加上Webview的混合開發(fā)模式。用戶輸入出發(fā)位置和目的位置即可獲得從系統(tǒng)中心返回的最優(yōu)推薦航線，如圖2所示。

4.4ECS軟件

開發(fā)基于Windows的PC客戶端ECS軟件，實(shí)現(xiàn)ECS的基本功能，并可通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用岸基共享平臺智能航線服務(wù)、助航信息服務(wù)。采用VC++語言開發(fā)。

5.結(jié)語

船舶智能航線服務(wù)是e-航海戰(zhàn)略中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在Efficiensea和MonaLisa等e-航海示范工程中都有相關(guān)的內(nèi)容，在MonaLisa工程中又被稱為“綠色航線”。本系統(tǒng)以向船舶提供智能的最優(yōu)推薦航線為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航線數(shù)據(jù)在船-船、船-岸之間的數(shù)據(jù)共享和交換，依據(jù)計(jì)劃航線為船舶從起航到靠泊整個過程提供智能導(dǎo)助航服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)船舶航行安全最大化、航行效率最優(yōu)化。