楊東方, 劉善偉, 汪小琪, 萬(wàn)劍華

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊東方, 劉善偉, 汪小琪, 萬(wàn)劍華

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266580)

為對(duì)海上船舶航行提供安全保障決策支持, 本文設(shè)計(jì)了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向服務(wù)架構(gòu)思想, 將功能單元封裝成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù), 服務(wù)之間的調(diào)用關(guān)系經(jīng)設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)交互與功能組合重用。本文闡述了系統(tǒng)開發(fā)與部署步驟并展示決策支持部分的示范性系統(tǒng)流程, 向決策者提供衛(wèi)星成像規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急救援路徑規(guī)劃等決策服務(wù)。系統(tǒng)為海洋環(huán)境航行安全保障提供了多源海洋數(shù)據(jù)管理、海洋數(shù)據(jù)可視化與決策支持服務(wù)等技術(shù)方案, 為海洋環(huán)境航行安全保障決策提供參考依據(jù)。

海洋環(huán)境; 航行安全; 決策支持

作為世界第一大進(jìn)出口貿(mào)易國(guó), 中國(guó)外貿(mào)進(jìn)出口貨運(yùn)量的90%以上是通過海運(yùn)完成[1]。保障海上環(huán)境安全, 是涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)、軍事和能源運(yùn)輸安全等重大戰(zhàn)略問題。海面風(fēng)場(chǎng)、海浪、海流、海霧、降雨、內(nèi)波與海底地形等海洋自然環(huán)境因素極大影響海上航行與運(yùn)輸安全, 故針對(duì)復(fù)雜多變的海洋自然環(huán)境因素, 有必要開展相關(guān)海洋環(huán)境航行安全保障工作。海洋航行安全保障決策支持離不開我國(guó)“數(shù)字海洋”建設(shè)發(fā)展, 雖然“數(shù)字海洋”促使海洋信息化程度不斷加深, 但目前也存在一些問題: 海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在體量、數(shù)據(jù)格式、存儲(chǔ)組織以及語(yǔ)義上差別較大, 缺少對(duì)海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)統(tǒng)一的組織、處理、管理與分析[2]; 海洋信息融合應(yīng)用能力較低, 信息分發(fā)支持能力薄弱[3]; 海洋數(shù)據(jù)獲取與交互不夠方便、共享和交換手段不夠先進(jìn); 數(shù)據(jù)挖掘與可視化海洋數(shù)據(jù)相對(duì)較為欠缺, 故對(duì)海洋自然規(guī)律認(rèn)知和海洋決策支撐力度不夠[4]; 當(dāng)前以海洋數(shù)據(jù)的分析處理為主, 而輕視了決策模擬在國(guó)家海洋戰(zhàn)略中的重要作用[5]。

海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的提出要求海洋環(huán)境保障應(yīng)擴(kuò)大保障范圍, 拓展服務(wù)對(duì)象, 構(gòu)建新型海洋環(huán)境信息綜合保障模式, 加快向多樣化、精細(xì)化與全球化的海洋環(huán)境信息綜合保障轉(zhuǎn)變[3]。為順應(yīng)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略與“21世紀(jì)海上絲綢之路”的發(fā)展要求, 本文設(shè)計(jì)了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng), 聚焦航行安全保障主題, 針對(duì)船舶航行前、航行中與船舶事故發(fā)生后等方面, 提供了一套包括衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、應(yīng)急救援路徑規(guī)劃與海上溢油漂移預(yù)測(cè)的較為完整的決策支持流程。系統(tǒng)也包括海洋數(shù)據(jù)高頻監(jiān)測(cè)更新、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)、海洋數(shù)據(jù)共享、海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)可視化等內(nèi)容, 為我國(guó)海上活動(dòng)與環(huán)境安全保障提供技術(shù)支撐與參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及服務(wù)設(shè)計(jì)與調(diào)用四個(gè)方面。

1.1 系統(tǒng)需求分析

圍繞海洋環(huán)境航行安全保障決策支持主題, 系統(tǒng)主要需求如下。

1) 確保海洋環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)效性。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)特別是氣象數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有較大變化。故系統(tǒng)應(yīng)盡量提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新頻率, 確保海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的時(shí)效性與系統(tǒng)服務(wù)的準(zhǔn)確性。

2)評(píng)估海洋航行風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)雜多變的海洋自然環(huán)境因素對(duì)船舶航行威脅極大。動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確地計(jì)算海洋自然因素對(duì)航行過程中的風(fēng)險(xiǎn)影響是系統(tǒng)重要需求。

3)規(guī)劃緊急事故救援路徑。提高突發(fā)船舶事故處理方式, 實(shí)現(xiàn)科學(xué)的應(yīng)急救援辦法, 盡可能提高救援效率。如參考遙感衛(wèi)星圖像, 結(jié)合海洋要素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)救援路徑。

4)預(yù)測(cè)船舶溢油事件。船舶事故發(fā)生不僅可造成重大的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失, 同時(shí)也會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成巨大危害, 這其中影響較大的是溢油事故。高效準(zhǔn)確處理溢油事件也是系統(tǒng)的需求之一。

5)可視化表達(dá)海洋要素與決策支持。利用前臺(tái)可視化技術(shù)展示海洋自然要素與決策支持計(jì)算結(jié)果, 同時(shí)生成決策報(bào)告文檔, 可準(zhǔn)確且直觀生動(dòng)地提供決策支持。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture, SOA)。利用web service技術(shù), 數(shù)據(jù)和功能模型會(huì)進(jìn)行集成與封裝, 并發(fā)布為與平臺(tái)無(wú)關(guān)的符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù), 在網(wǎng)絡(luò)條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與功能模型的調(diào)用, 實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間、服務(wù)器與服務(wù)器之間靈活高效的數(shù)據(jù)傳輸與交互。這一套流程提高了海洋大數(shù)據(jù)的共享能力, 方便其他系統(tǒng)調(diào)用海洋決策支持服務(wù)及其他功能模塊, 減少冗余開發(fā)。

系統(tǒng)采用B/S(browser/server)模式, 瀏覽器端只需進(jìn)行少量運(yùn)算, 而主要的計(jì)算與事務(wù)邏輯依靠服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。B/S模式與SOA架構(gòu)結(jié)合的模式能夠降低客戶端負(fù)載, 減輕系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)各層之間的松耦合, 使系統(tǒng)功能易擴(kuò)展與維護(hù)[6]。

系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1所示, 由下而上依次為: 數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、事務(wù)層、應(yīng)用層及用戶層。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境多源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理, 作為可視化模塊及決策支持模塊的數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器高頻監(jiān)測(cè)自動(dòng)下載獲取與處理數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù), 確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。同時(shí)數(shù)據(jù)層基于NAS(network atta-ched storage)為不同模塊分配不同的存取權(quán)限, 實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理調(diào)配。

2) 服務(wù)層包括數(shù)據(jù)服務(wù)與決策支持服務(wù)。將數(shù)據(jù)層中的多源海洋數(shù)據(jù)按類型設(shè)計(jì)為RESTful風(fēng)格的數(shù)據(jù)服務(wù)接口并發(fā)布, 為整個(gè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。決策支持服務(wù)是將后臺(tái)決策支持算法模型封裝并發(fā)布, 支持響應(yīng)前臺(tái)瀏覽器的決策支持服務(wù)請(qǐng)求。

3) 事務(wù)層構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)中心, 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中服務(wù)的注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)、調(diào)用以及管理。后臺(tái)服務(wù)發(fā)布前服務(wù)中心記錄有關(guān)信息, 再進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)與服務(wù)發(fā)布。瀏覽器請(qǐng)求服務(wù)時(shí), 由服務(wù)中心代理請(qǐng)求調(diào)用服務(wù), 方便了系統(tǒng)服務(wù)的維護(hù)與管理。

4) 應(yīng)用層集成海洋數(shù)據(jù)可視化、衛(wèi)星成像規(guī)劃、溢油漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)、航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與應(yīng)急救援路徑規(guī)劃等功能。用戶在瀏覽器的交互界面中可設(shè)置不同的參數(shù), 以實(shí)現(xiàn)在不同情況下的決策模擬。

5) 用戶層中可依據(jù)不同的用戶類型設(shè)置不同的系統(tǒng)操作權(quán)限, 滿足不同層次的用戶服務(wù)需求, 提高了系統(tǒng)的安全性。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng)由海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)構(gòu)成, 功能設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.3.1 海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

海洋數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量巨大, 同時(shí)具有多源、多維、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)的特點(diǎn)[7], 對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。

數(shù)據(jù)管理分為后臺(tái)管理與前臺(tái)管理。后臺(tái)數(shù)據(jù)管理主要包括全天候高頻監(jiān)測(cè)獲取、處理、更新多源數(shù)據(jù)。后臺(tái)可將不同數(shù)據(jù)類型設(shè)置不同的更新頻率。例如基于SAR衛(wèi)星的風(fēng)、浪、流等海洋監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)每天更新一次, 基于MODIS遙感影像衛(wèi)星的海霧數(shù)據(jù)每12 h更新一次。管理員也可以手動(dòng)更新獲取當(dāng)前最新數(shù)據(jù)。后臺(tái)數(shù)據(jù)管理同時(shí)包括數(shù)據(jù)自動(dòng)解析處理以及服務(wù)的發(fā)布與管理, 保證數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)效性。前臺(tái)數(shù)據(jù)管理包括系統(tǒng)用戶權(quán)限數(shù)據(jù)、靜態(tài)信息數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)的類型與內(nèi)容上, 數(shù)據(jù)的組織和管理主要涵蓋了海洋基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)類數(shù)據(jù)、靜態(tài)信息數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)與用戶權(quán)限管理數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)類型與對(duì)應(yīng)內(nèi)容如表1所示。

1.3.2 海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)

海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)空框架下, 針對(duì)多源、多維、動(dòng)態(tài)的海洋數(shù)據(jù)建立一致的表征模型, 實(shí)現(xiàn)多維多時(shí)空的海洋數(shù)據(jù)在前臺(tái)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的可視化表達(dá)。海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)包括功能模塊如下。

1) 地圖操作模塊, 包括所有與地圖相關(guān)的操作, 是其他功能模塊的基礎(chǔ), 主要包含地圖測(cè)距測(cè)面、標(biāo)注、截圖快照以及基礎(chǔ)底圖切換等基本操作。

表1 數(shù)據(jù)類型與內(nèi)容

2) 海洋環(huán)境要素可視化模塊, 包括反演、探測(cè)、預(yù)報(bào)等海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的可視化。標(biāo)量數(shù)據(jù)包括海水溫度、鹽度、海霧等, 以等值面的形式對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值、渲染; 矢量數(shù)據(jù)包括海表面風(fēng)場(chǎng)、海流、海浪以及內(nèi)波數(shù)據(jù)等, 不同與以往的箭頭法, 而是以流線法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與可視化[8]。

3) 海洋目標(biāo)可視化模塊, 包括對(duì)探測(cè)海洋目標(biāo)的可視化、船只信息的可視化、以及港口和岸線等靜態(tài)海洋海岸目標(biāo)的可視化。

4) 決策支持可視化模塊, 實(shí)現(xiàn)前臺(tái)渲染航行安全決策支持子系統(tǒng)中服務(wù)返回的計(jì)算結(jié)果, 在瀏覽器地圖中渲染繪制衛(wèi)星成像規(guī)劃圖、航行風(fēng)險(xiǎn)圖、溢油漂移預(yù)測(cè)圖與應(yīng)急救援路徑圖, 為決策的制定提供直觀的參考。

1.3.3 航行安全決策支持子系統(tǒng)

針對(duì)惡劣海況影響航行、海上溢油環(huán)境危害和海上事故應(yīng)急救援等問題, 航行安全決策支持子系統(tǒng)包括功能模塊如下。

1) 衛(wèi)星成像規(guī)劃。獲取指定區(qū)域的遙感光學(xué)衛(wèi)星與SAR衛(wèi)星的成像記錄, 為航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與海上事故緊急救援提供第一手的參考資料。

2) 航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。依據(jù)復(fù)雜的海洋環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù), 動(dòng)態(tài)評(píng)估船舶航行風(fēng)險(xiǎn)變化過程, 并在前臺(tái)可視化表達(dá)。

3) 應(yīng)急救援路徑規(guī)劃。針對(duì)海洋突發(fā)緊急事件, 依據(jù)多種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)與地理空間信息, 規(guī)劃最優(yōu)救援路徑。

4) 溢油漂移預(yù)測(cè)?？梢暬磉_(dá)船舶事故后溢油的時(shí)空變化過程, 為準(zhǔn)確高效處理溢油事件提供參考。

決策支持相關(guān)算法模型在后臺(tái)服務(wù)器中封裝發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù), 供前臺(tái)海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)調(diào)用, 實(shí)現(xiàn)對(duì)決策支持計(jì)算結(jié)果的可視化與動(dòng)態(tài)模擬仿真。

1.3.4 服務(wù)設(shè)計(jì)與調(diào)用

海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)是以RSET (representational state transfer)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RESTful API風(fēng)格的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。RESTful服務(wù)接口輕量級(jí)、易訪問、無(wú)狀態(tài)、面向資源[9], 其輕量與易訪問的特性有利于大體積海洋數(shù)據(jù)的傳輸交互, 無(wú)狀態(tài)性降低了海洋數(shù)據(jù)服務(wù)調(diào)用的復(fù)雜度, 面向資源的特性使得多源海洋數(shù)據(jù)服務(wù)在統(tǒng)一資源標(biāo)志符(uniform resource identifier, URI) 上具有語(yǔ)義自解釋性, 有利于系統(tǒng)管理多個(gè)海洋數(shù)據(jù)服務(wù)。

決策支持模型按照OGC(open geospatial consortium)的網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)WPS(web processing server)標(biāo)準(zhǔn)建立服務(wù), 有利于對(duì)地理要素的交互操作與地理處理分析[10], 實(shí)現(xiàn)在瀏覽器中決策支持的地理空間處理與前臺(tái)可視化。

海洋數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái), 為海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)支持。通過后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)更新模塊高頻監(jiān)測(cè)自動(dòng)獲取來(lái)自外部系統(tǒng)與多源數(shù)據(jù)服務(wù)的海洋數(shù)據(jù)的更新, 保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性, 同時(shí)也接收海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)與航行安全決策支持子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)請(qǐng)求。海洋數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)請(qǐng)求調(diào)用航行安全決策支持子系統(tǒng)的WPS標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口, 在瀏覽器處理返回?cái)?shù)據(jù), 進(jìn)行可視化展示。系統(tǒng)主要的服務(wù)調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

2 航行安全決策支持與流程

為保障海洋船舶航行安全以及提高緊急突發(fā)事故的處理效率, 航行安全決策支持主要包括以下內(nèi)容。

2.1 衛(wèi)星成像規(guī)劃

在大范圍海域的探測(cè)搜救任務(wù)中, 對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星獲取的海上遙感圖像憑借其幅面大、光譜分辨率高、空間分辨率高等優(yōu)勢(shì), 可為大范圍事故海域的海上搜救目標(biāo)判斷提供直接的參考。衛(wèi)星成像規(guī)劃模塊中, 依次選擇成像時(shí)間、成像區(qū)域、衛(wèi)星種類等條件, 系統(tǒng)請(qǐng)求后臺(tái)服務(wù)接口查詢, 前臺(tái)可視化展示符合條件的SAR衛(wèi)星與光學(xué)衛(wèi)星的遙感圖像成像記錄信息, 為遇到應(yīng)急事件時(shí)快速調(diào)出衛(wèi)星圖像提供指引, 為決策支持提供依據(jù)。

圖3 服務(wù)調(diào)用關(guān)系

2.2 航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

多變的海洋氣象與環(huán)境因素使得船舶的航行安全隨著時(shí)間演變具有較高的不確定性, 動(dòng)態(tài)評(píng)估船舶航行風(fēng)險(xiǎn)有利于海上船舶航行安全。在航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中, 選定海上區(qū)域、時(shí)間等參數(shù), 利用風(fēng)場(chǎng)、洋流、海浪、海霧等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)以及航道等航行相關(guān)數(shù)據(jù), 利用貝葉斯算法計(jì)算航行風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果, 并以熱力圖的形式對(duì)航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行前臺(tái)展示, 系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

2.3 應(yīng)急救援路徑規(guī)劃

應(yīng)急救援路徑規(guī)劃有利于提高海上突發(fā)緊急事件的應(yīng)對(duì)能力, 保障救援船舶安全高效到達(dá)救援區(qū)域。在應(yīng)急救援路徑規(guī)劃中, 選擇事故地點(diǎn)、救援事件到參數(shù), 基于多種海洋環(huán)境因素影響, 結(jié)合航行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果, 計(jì)算尋優(yōu)救援路徑, 并在前臺(tái)地圖中動(dòng)態(tài)繪制。應(yīng)急救援路徑規(guī)劃流程圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)急救援路徑規(guī)劃流程

2.4 溢油漂移預(yù)測(cè)

海上溢油災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重破壞我國(guó)海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng), 開展溢油漂移預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究能為海上溢油應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支撐[11]。在溢油漂移預(yù)測(cè)中, 選擇時(shí)間、地點(diǎn)、初始溢油面積、流場(chǎng)類別與預(yù)警時(shí)長(zhǎng)等參數(shù), 前臺(tái)以動(dòng)畫的方式對(duì)漂移擴(kuò)散模型預(yù)測(cè)的溢油粒子進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

3 系統(tǒng)開發(fā)與部署

系統(tǒng)前端開發(fā)基于MVVM模式的輕量級(jí)響應(yīng)式框架Vue.js開發(fā), 可以有效簡(jiǎn)化Web前端開發(fā)流程, 降低開發(fā)難度, 實(shí)現(xiàn)了Web系統(tǒng)前、后端開發(fā)完全分離, 提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性[12]。在Vue.js框架內(nèi)利用JavaScript、HTML5與CSS3實(shí)現(xiàn)用戶操作界面、交互流程與基礎(chǔ)功能。利用OpenLayers.js實(shí)現(xiàn)對(duì)于二維地圖的基本操作以及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的展示。在用戶層中通過WebGL引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)在瀏覽器中海洋數(shù)據(jù)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)渲染[13], 實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境要素的二維可視化、船舶軌跡數(shù)據(jù)的可視化、決策支持模型結(jié)果的仿真。

在數(shù)據(jù)服務(wù)器中, 使用多源數(shù)據(jù)接口請(qǐng)求獲取原始數(shù)據(jù), 建立文件型數(shù)據(jù)庫(kù)(MongoDB)組織數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)各類環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和維護(hù)。利用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)文件和海洋環(huán)境要素文件的分級(jí)存儲(chǔ)并建立索引方便快速查找, 采用基于SpringBoot框架的SpringCloud發(fā)布RESTful風(fēng)格數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

業(yè)務(wù)服務(wù)器集群由決策支持服務(wù)器、GIS地圖服務(wù)器、業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器三部分組成。決策支持服務(wù)器中的模型算法利用Python腳本編寫并對(duì)其封裝, SpringCloud將其調(diào)用并發(fā)布為WebAPI服務(wù)接口。GIS地圖服務(wù)器選擇GeoServer軟件, 實(shí)現(xiàn)海圖數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)發(fā)布為OGC形式的接口服務(wù)。后臺(tái)業(yè)務(wù)服務(wù)器基于SpringBoot的MVC模式(模型-視圖-控制)開發(fā), 將輸入、處理、輸出流程按照模型、視圖、控制的方式進(jìn)行分離[14]。每個(gè)核心業(yè)務(wù)功能都以服務(wù)的形式供后續(xù)子系統(tǒng)或功能模塊調(diào)用, 實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)功能之間的松耦合, 易于管理與維護(hù)。

服務(wù)器之間的調(diào)用通過TCP/IP互相通信, 在客戶端, 用戶只需在Web瀏覽器中發(fā)送HTTP請(qǐng)求, Web瀏覽器便可快速接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)部署架構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)部署圖

系統(tǒng)界面如圖7, 包括地圖基本操作區(qū)域、可視化功能目錄樹、地圖切換區(qū)域、決策支持區(qū)域等, 其中決策支持區(qū)域包括衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、溢油漂移預(yù)測(cè)與應(yīng)急路徑救援規(guī)劃四個(gè)Tab子頁(yè)面。

4 結(jié)論

圍繞海洋環(huán)境航行安全保障主題, 本文從系統(tǒng)框架、系統(tǒng)功能與服務(wù)調(diào)用關(guān)系等方面, 設(shè)計(jì)了海洋環(huán)境航行安全保障決策支持系統(tǒng), 并介紹了一種可行的系統(tǒng)開發(fā)與部署的實(shí)現(xiàn)流程。系統(tǒng)集成海量、多源、多維及動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境大數(shù)據(jù), 涵蓋海洋數(shù)據(jù)管理、共享服務(wù)、可視化表達(dá)與決策支持等內(nèi)容, 為保障海洋環(huán)境安全提供了衛(wèi)星成像規(guī)劃、航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、溢油漂移預(yù)測(cè)與應(yīng)急救援路徑規(guī)劃的決策支持方案, 在海洋信息應(yīng)用與功能融合、海洋安全決策支持保障等方面具有較好應(yīng)用前景。

圖7 系統(tǒng)主界面

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Design of decision support system for marine environment navigation security

YANG Dong-fang, LIU Shan-wei, WANG Xiao-qi, WAN Jian-hua

(College of Oceanography and Space Informatics, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to provide safety guarantee decision support for marine navigation, this paper designs a marine environment navigation safety guarantee decision support system. The system adopts the idea of service-oriented architecture, and encapsulates the functional units into unified standard services. The calling relationship between services is designed and realized. Ocean data interaction and functional combination reuse. This article explains the system development and deployment steps and demonstrates the exemplary system flow of the decision support part. It provides decision-makers with decision-making services such as satellite imaging planning, risk assessment, oil spill prediction and emergency rescue route planning. The system provides technical solutions such as multisource marine data management, marine data visualization and decision support services for the marine environment navigation safety guarantee, and provides a reference basis for the marine environment navigation safety guarantee decision-making.

marine environment; navigation security; decision support

Nov. 8, 2020

P2081

A

1000-3096(2021)05-0137-08

10.11759/hykx20201108002

2020-11-08;

2021-01-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃海洋環(huán)境安全保障專項(xiàng) (編號(hào): 2017YFC1405600)

[National Key Research and Development Program of China, No. 2017YFC1405600]

楊東方(1997—), 男, 河南信陽(yáng)人, 碩士研究生, 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)專業(yè), 主要從事海洋WebGIS方向研究, E-mail: orienyang@ foxmail.com; 劉善偉(1982—), 男,通信作者, 副教授, 碩士生導(dǎo)師, 主要從事海洋遙感與GIS應(yīng)用方向研究, E-mail: shanweiliu@163.com

(本文編輯: 叢培秀)