曾 昱，廖一鳴，牛作鵬，劉曉神，駱光磊

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060；2.長江宜昌航道工程局，湖北 宜昌 443003)

20世紀末，隨著航運業(yè)的快速發(fā)展，通航需求與施工矛盾日益嚴重，航道工程的精細化管理監(jiān)測需求逐步提升，國內學者已開展諸多相關研究，李國杰等[1]將GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)、水動力模擬數(shù)據(jù)、河床沖淤演變數(shù)據(jù)和工程參建各方各階段的管理數(shù)據(jù)等結合分析，并實現(xiàn)在CityMaker平臺的集成與管理；趙博華[2]研究航道水深、流速等水流條件對航道通航情況的影響，綜合分析橋梁、彎道、目標船舶參數(shù)與裝載情況等信息，計算得出目標船舶適航區(qū)域；張雪峰[3]研究船舶航道預警信息分布式數(shù)據(jù)庫存儲技術，并通過對比分析證明該技術能夠有效提升存儲寫入性能。但在國內航道工程管理中，航道工程預警平臺研究較少，存在著數(shù)據(jù)冗余、信息不直觀、預警信息滯后等問題。

因此，本文提出了基于JSON(javascript object notation，一種數(shù)據(jù)交換格式)的公共數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)集成方法，以提高數(shù)據(jù)資源的有效利用率，節(jié)省儲存空間，并在此基礎上建立航道工程BIM(building information modeling，建筑信息模型)預警平臺，為相關人員對險情預判提供指導，實現(xiàn)了險情快速定位以及實時、準確、可定制化預警等功能。

1 航道工程數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

航道工程數(shù)據(jù)主要包括航道基礎數(shù)據(jù)、工程建設數(shù)據(jù)、航政管理數(shù)據(jù)3大類[4]，其中航道基礎數(shù)據(jù)主要描述航道本身基本信息的數(shù)據(jù)；工程建設數(shù)據(jù)主要描述航道工程建設的一些基本狀況；航政管理數(shù)據(jù)主要是描述對航道各種建筑物的審批信息等。本文主要依據(jù)航道工程建設數(shù)據(jù)分析航道工程現(xiàn)場情況進行預警。

隨著通信技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設備被廣泛應用于航道工程建設中，大幅提高了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的效率，當前航道工程應用的物聯(lián)網(wǎng)設備主要包括水情監(jiān)測設備、物聯(lián)網(wǎng)定位設備、視頻監(jiān)控設備等，這些設備通過多種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議源源不斷地向服務器傳送現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析還原航道工程現(xiàn)場情況，為管理人員準確、實時掌握工程現(xiàn)狀提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 數(shù)據(jù)特征

水上作業(yè)是一個交叉作業(yè)且隨機性較大的過程，主要體現(xiàn)在：1)航道工程數(shù)據(jù)來源于不同區(qū)域、不同物聯(lián)網(wǎng)設備，具有多源性；2)航道工程的隨機性決定其需要采集大量動態(tài)數(shù)據(jù)，如GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))數(shù)據(jù)、流場與適航區(qū)域分布數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)以及船舶動態(tài)資料數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)具有實時變化的特點；3)各類航道數(shù)據(jù)屬性不同，監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)結構也不盡相同，具有異構性。

2 基于數(shù)據(jù)集成技術的BIM預警平臺研究

2.1 數(shù)據(jù)集成相關定義

數(shù)據(jù)通常以文本、數(shù)據(jù)庫等不同形式或不同的方式存儲于不同的地方[5]，絕大多數(shù)應用需要訪問多種數(shù)據(jù)源，在此過程中難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余，甚至是數(shù)據(jù)重復錄入等問題。因此，本文進行多源時變異構數(shù)據(jù)集成研究，以保證解析后的航道工程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏蚀_性，為預警平臺的信息查詢、顯示及監(jiān)控提供實時基礎。

數(shù)據(jù)集成主要是將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行格式轉換，從而達到數(shù)據(jù)共享的最終目的[6]。該過程可以理解為將多系統(tǒng)中某類數(shù)據(jù)DataS在條件T下，按照規(guī)則R轉換為目標的數(shù)據(jù)格式DataD的過程。假設有n種數(shù)據(jù)需要在原系統(tǒng)以及目標系統(tǒng)間進行交換，其中與其他數(shù)據(jù)類型相關聯(lián)的有m種，則從原系統(tǒng)向目標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換過程可表示為：

(DE)A→B={(DE)t={DataSt，TSt→Dt，RSt→Dt，DataDt}|t=

{1，2，…，n-m}}

(1)

式中：A→B為原系統(tǒng)到目標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換集合；St={S1，S2，S3，…}為不同的數(shù)據(jù)源，用戶可根據(jù)相關需求選擇相應的數(shù)據(jù)源進行交互；四元組(DE)t={DataSt，TSt→Dt，RSt→Dt，DataDt}為原系統(tǒng)的某種數(shù)據(jù)格式DataSt在條件下TSt→Dt按照RSt→Dt規(guī)則轉化為目標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式DataDt的過程。

2.2 數(shù)據(jù)集成模型

多源時變異構數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集成時容易造成大量閑置數(shù)據(jù)以及冗余數(shù)據(jù)，為了提高數(shù)據(jù)集成效率，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)共享，需要根據(jù)數(shù)據(jù)間的異同點統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，建立一個公共數(shù)據(jù)模型[7]。目前計算機數(shù)據(jù)傳輸中主要采用XML(extensible markup language，可擴展標記語言)和JSON兩種數(shù)據(jù)格式，其中JSON作為一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，相較于XML機器解析生成，同時也更易于用戶閱讀和編寫，并大幅、有效地提升網(wǎng)絡傳輸效率。因此，本文選取JSON作為公共數(shù)據(jù)模型，對每一類數(shù)據(jù)進行JSON統(tǒng)一處理，構建虛擬視圖，最后與JSON中介數(shù)據(jù)進行映射與綁定，完成源數(shù)據(jù)庫到目標數(shù)據(jù)庫格式轉換。數(shù)據(jù)格式轉換過程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)格式轉換過程

數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一后，采用數(shù)據(jù)集成模型對數(shù)據(jù)進行條件過濾、壓縮加密、持久化存儲，為后期數(shù)據(jù)分析調用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。本文采用的數(shù)據(jù)集成模型由接口、條件規(guī)則庫、數(shù)據(jù)處理3部分組成，數(shù)據(jù)集成結構描述圖形見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)集成結構描述圖形

2.3 平臺總體設計

本文基于上述數(shù)據(jù)集成技術建立航道工程BIM預警平臺，首先從水速檢測儀、船舶(人員)定位器等物聯(lián)網(wǎng)設備采集相關航道工程數(shù)據(jù)，采用上述集成方式對獲取的多源時變異構數(shù)據(jù)進行處理后存入MySQL數(shù)據(jù)庫，供平臺調??；預警平臺從MySQL數(shù)據(jù)庫調取相關數(shù)據(jù)，進行BIM建模分析，實現(xiàn)模型定位、軌跡追溯、通航區(qū)域與安全施工區(qū)域可視化功能。航道工程BIM預警平臺實現(xiàn)路線見圖3，總體架構見圖4。

圖3 航道工程BIM預警平臺實現(xiàn)路線

圖4 航道工程BIM預警平臺總體架構

3 工程應用

本文以長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程(Ⅰ標段)為例，進行航道工程的多源時變異構數(shù)據(jù)集成技術應用。該工程位于湖廣—羅湖洲及沙洲水道，排體加工和施工區(qū)作業(yè)環(huán)境差、通航與施工矛盾、運輸船舶眾多，同時沿航道上、下行的船舶易靠近施工水域，且易受風和水流的影響，給施工管理造成較大的難度，工程位置見圖5。因此，采用JSON的公共數(shù)據(jù)模型集成相關航道工程數(shù)據(jù)，與BIM模型結合實現(xiàn)航道可通航情況預警、航道施工安全區(qū)域可視化、船舶軌跡監(jiān)控，以提升工程管理效率。

圖5 武安Ⅰ標工程

3.1 多源時變異構數(shù)據(jù)集成

航道工程中需要采集的數(shù)據(jù)主要包括靜態(tài)文本數(shù)據(jù)以及動態(tài)實時數(shù)據(jù)，靜態(tài)文本數(shù)據(jù)主要包括航道地形信息、相關人員信息以及船舶設備的詳細信息，動態(tài)實時數(shù)據(jù)信息主要來源包括氣象單位、水位流量監(jiān)測站、GPS定位設備、攝像頭監(jiān)控設備、船載終端設備等，采用建立統(tǒng)一JSON公共數(shù)據(jù)模型進行集成處理，形成統(tǒng)一的JSON格式數(shù)據(jù)結構存入數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)形式描繪航道工程現(xiàn)場情況，供相關業(yè)務人員或專業(yè)平臺調用分析。

首先，將多設備實時獲取到的多源異構航道數(shù)據(jù)按照本文介紹的數(shù)據(jù)集成方式處理成為統(tǒng)一的JSON形式，導入MySQL數(shù)據(jù)庫，便于后期數(shù)據(jù)提取與分析。以船舶GPS定位數(shù)據(jù)為例，存入數(shù)據(jù)庫形式見圖6，數(shù)據(jù)包括船舶編號、所處經(jīng)緯度、位置更新時間等基礎信息以及船舶運行狀態(tài)信息。

圖6 數(shù)據(jù)庫中船舶GPS定位數(shù)據(jù)界面

其次，數(shù)據(jù)庫對不同數(shù)據(jù)實現(xiàn)調度共享訪問，參考通航標準、施工標準擬定多維預警模型便捷參數(shù)，獲取實時船舶、人員GPS定位數(shù)據(jù)經(jīng)過多維預警模型嵌套計算后，將適航區(qū)域、安全施工區(qū)域以及預警信息存儲至數(shù)據(jù)庫，同時反饋給航道工程BIM預警平臺，實現(xiàn)信息的BIM三維場景的展示，將實時通航信息和人員信息動態(tài)呈現(xiàn)給用戶。

3.2 航道可通航情況預警

傳統(tǒng)的船舶航行中，航行路線的選擇更多地依賴于航標以及船長的經(jīng)驗，對氣象影響、航行路線、區(qū)域安全度通常是主觀判斷，具有較強的隨機性。航道工程BIM預警平臺通過建立統(tǒng)一JSON公共數(shù)據(jù)模型對各類型傳感器實時獲取的氣象、水情、船只航速等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)集成、分析以及險情預判，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、水位流速航道數(shù)據(jù)對當前航道可通航情況進行預判，見圖7。

圖7 可通航情況分析界面

3.3 航道安全施工區(qū)域可視化

傳統(tǒng)的航道工程施工現(xiàn)場通常采用人工巡邏的方式進行安全排查，排查效率較低且不夠全面；隨著監(jiān)控技術的發(fā)展，施工現(xiàn)場逐漸采用攝像頭對施工現(xiàn)場進行實時督導，但由于作業(yè)場地的不固定、施工人員的流動性，單一的攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足施工督導需求。航道工程BIM預警平臺通過采集施工人員佩戴的安全帽實時位置信息與施工區(qū)域地理信息集成分析，將施工區(qū)域劃分為安全區(qū)域、預警區(qū)域以及危險區(qū)域，將處于不同區(qū)域的施工人員用不同顏色的圖標進行區(qū)分，對踏入危險區(qū)域的施工人員、負責人進行短信及施工現(xiàn)場響鈴多方式預警，為相關督導人員實時、全方位展示了施工現(xiàn)場進度動態(tài)信息，見圖8。

圖8 施工現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測界面

3.4 船舶軌跡追溯

航道工程中的各類數(shù)據(jù)是不斷產(chǎn)生的，航道工程BIM預警平臺可自行設定交換間隔時間，實時動態(tài)查看船舶運動軌跡，避免因數(shù)據(jù)傳輸不及時導致信息交換落后等情況；平臺根據(jù)船舶類型采用不同顏色進行標注(圖9)、根據(jù)險情可能發(fā)生概率以及通航需求將航道劃分為通航區(qū)域、作業(yè)區(qū)域、禁航區(qū)域并進行BIM可視化展示，從而在航道工程BIM預警平臺直觀了解航道通航情況以及船只運行軌跡(圖10)，向即將駛入作業(yè)區(qū)域的客船、貨船、即將駛入禁航區(qū)域的施工船只發(fā)送短信進行預警，對已駛入禁航區(qū)域的船只作出報警處理，從而最大效率地提高預警準確性以及實時性，為航道工程的順利施工以及船舶的安全通行保駕護航。

4 結語

1)總結了航道工程數(shù)據(jù)的多源時變異構特征，建立公共數(shù)據(jù)模型，以JSON作為統(tǒng)一格式將數(shù)據(jù)集成并儲存至數(shù)據(jù)庫，保證多源時變異構數(shù)據(jù)集成的完整性、實時性以及一致性。

2)建立基于數(shù)據(jù)集成技術的航道工程BIM預警平臺，提高預警的準確性、實時性、直觀性，并應用于長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程(Ⅰ標段)的管理中，實現(xiàn)航道可通航情況預警、航道施工安全區(qū)域可視化、船舶軌跡監(jiān)控等功能，保障航道工程的順利施工以及船舶的安全通行，推動數(shù)字航道運行管理預警機制的構建。研究成果對于航道工程施工單位開展管理工作具有借鑒意義，具有較強的應用價值。