航運GIS軌跡采集與分析研究

楊倩晨

【摘 要】文章首先對航運GIS軌跡采集與分析研究中用到的GPS、GIS、AIS、ZigBee等相關(guān)技術(shù)進行了介紹，然后明確了航運GIS軌跡采集與分析的基本流程，并在此基礎上實現(xiàn)船舶航行軌跡的航速、自身狀態(tài)、航道環(huán)境、航道信息、水文等信息的采集和航行軌跡、歷史航行軌跡、慣性軌跡的分析，最后詳細介紹了航運GIS軌跡采集與分析研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題，即多傳感器數(shù)據(jù)融合和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通問題。

【關(guān)鍵詞】GIS；AIS；軌道采集；軌道分析

【中圖分類號】F552 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0027-04

0 引言

近幾年來，隨著“藍色經(jīng)濟”的崛起，我國乃至全球的水上運輸量大幅增長，航運交通日益繁忙。為了更好地發(fā)掘水上交通的特性與規(guī)律，為水上交通和物流運輸管理部門提供決策依據(jù)，對航運軌跡采集與分析研究成為水上交通物流業(yè)關(guān)注的熱點。通過對航運過程中的各種信息（如船舶航行軌跡、航速信息、航運環(huán)境信息、水文信息、船舶自身信息等）的采集，并對這些采集到的信息進行處理和分析，可以幫助我們了解水上航道的擁擠情況，預測水上事故多發(fā)點，進而減少船舶碰撞事件，提高水上交通運輸?shù)陌踩院托省?/p>

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 GPS技術(shù)

GPS的中文全稱為全球定位系統(tǒng)，它是由美國研發(fā)的新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以為包括陸地、海洋和航空三大領域在內(nèi)的交通運輸提供導航服務。它的基本工作原理是利用分布在不同空間軌道平面上的GPS衛(wèi)星星座全天候24小時不間斷地發(fā)射信息，用戶接收信息并據(jù)此計算出接收機的三維位置、三維方向、運動速度和時間等信息。隨著航海業(yè)的蓬勃發(fā)展，船用GPS技術(shù)在現(xiàn)代航運物流業(yè)中的作用越來越重要。GPS技術(shù)通過與船舶駕駛系統(tǒng)相結(jié)合，利用無線通信技術(shù)、地理信息技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，可以實現(xiàn)對航行船舶的定位和導航，還可以與GIS、AIS相結(jié)合實現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)采集、動態(tài)監(jiān)控、航運管理等功能。

1.2 GIS技術(shù)

GIS的中文全稱為地理信息系統(tǒng)技術(shù)，它是將地理學、計算機科學、多媒體技術(shù)、GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等結(jié)合起來形成的一門綜合應用系統(tǒng)技術(shù)。GIS技術(shù)是解決空間問題最好的工具和方法，具備對空間數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理和應用等功能，并且可以結(jié)合計算機圖形技術(shù)將信息進行可視化的顯示和輸出。

GIS在航運中的應用主要是利用GPS技術(shù)獲取的定位信息與3G技術(shù)獲取的通信信息進行分析處理，計算出船舶的軌跡、航速等信息，并且采用圖形的形式將軌跡信息在電子地圖上顯示處理。

1.3 AIS技術(shù)

AIS技術(shù)的中文全稱為船舶自動識別系統(tǒng)。它由岸基（基站）設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設備[1]。AIS可以配合GPS、GIS技術(shù)將自動采集到的各類船舶信息，如船速、航向率、船名等信息通過廣播告知周圍的船舶和岸臺，可以有效地避免船舶間的碰撞。具體來說，AIS可以發(fā)送4類信息：一是船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號、船長、船寬等；二是船舶的動態(tài)信息，如航向、航速、轉(zhuǎn)向等；三是安全信息，如航向警告等；四是航行的相關(guān)信息，如船舶的吃水、目的地、預計到達時間等。

隨著AIS技術(shù)的不斷進步，在AIS系統(tǒng)應用方面急需將船隊管理、船舶定位與追蹤和航次管理集成到一個平臺上，從而更加方便地進行信息的分析和查詢，能有效地提高行業(yè)企業(yè)的管理效率和服務水平。對于AIS的這些要求，GIS正好提供了這么一個平臺，能夠?qū)IS需要的各類信息在其上實現(xiàn)集成。

1.4 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)，主要用于近距離的無線連接。它的基本原理是依據(jù)IEEE 802.15.4標準，在許多微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)以實現(xiàn)通信。ZigBee技術(shù)的最大特點是支持自組織網(wǎng)，即許多的ZigBee網(wǎng)絡模塊終端之間，只要它們彼此間處于網(wǎng)絡模塊的通信范圍內(nèi)，可以通過彼此自動尋找來形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)也廣泛應用于各行各業(yè)中，如智能交通、工業(yè)自動化、氣象、遙感勘測、煤礦等領域。在航運中利用ZigBee技術(shù)，能夠方便、動態(tài)地實現(xiàn)無線自組網(wǎng)的組建和通信，能夠?qū)崟r采集航運相關(guān)數(shù)據(jù)，直接監(jiān)測船舶及其周圍船舶、設備的情況，有助于相關(guān)人員及時了解船舶航行的具體態(tài)勢，進行科學決策。

2 航運GIS軌跡采集與分析

2.1 航運軌跡采集與分析的基本流程

航運GIS的軌跡采集主要針對于船舶的航行軌跡、航速、季節(jié)與氣候、水文等信息采用多傳感器及探測器進行數(shù)據(jù)信號采集。運用自組網(wǎng)的形式建立航行軌跡的信息采集網(wǎng)絡，并根據(jù)航行軌跡采集需求進行采集網(wǎng)絡的設定，結(jié)合北斗衛(wèi)星導航技術(shù)、GIS技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)并融合智能仿真圖形算法，實現(xiàn)將采集到的信息數(shù)據(jù)通過模擬信號的轉(zhuǎn)變進行遠程通信傳輸，形成可視化的航行軌跡慣性采集。運用目標追蹤算法，對歷史的航行軌跡進行分析。航運GIS軌跡采集與分析一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲和管理、軌跡數(shù)據(jù)分析等步驟。航運軌跡采集與分析的基本流程如圖1所示。

具體來說，數(shù)據(jù)采集是指通過多傳感器組、探測器等組件信息采集網(wǎng)絡，對航運過程的各種信息進行采集，包括軌跡信息、航速軌跡、環(huán)境信息、狀態(tài)信息、水文信息等；數(shù)據(jù)清洗是指將采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理，消除其中的噪聲和冗余數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的效率；數(shù)據(jù)存儲與管理是指將采集和處理過的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理，由于采集到的數(shù)據(jù)種類眾多、來源廣泛，所以將這些數(shù)據(jù)用分布式存儲的方式構(gòu)成信息數(shù)據(jù)庫群；軌跡數(shù)據(jù)分析是指根據(jù)采集和處理的軌跡數(shù)據(jù)提取軌跡特征，設計模型和算法，并據(jù)此進行航行軌跡分析、歷史軌跡分析、關(guān)系分析，然后得出策略選擇和決策。

2.2 航運采集

航運信息的采集是基于物聯(lián)網(wǎng)的基本框架，結(jié)合北斗衛(wèi)星導航技術(shù)、GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，并融合了多種算法，對多傳感應技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自組網(wǎng)技術(shù)進行了研究，實現(xiàn)船舶航行軌跡的航速、自身狀態(tài)、航道環(huán)境、航道信息、水文信息等的采集。具體采集的信息包括以下內(nèi)容。

（1）軌跡采集：對船舶的航行路線進行采集。

（3）航速采集：對航行的船舶進行速度信息的采集，并將信息發(fā)送至系統(tǒng)，若此時的航速達到準備的上限，系統(tǒng)則進行相應的提示。

（3）航道環(huán)境采集：對航道環(huán)境進行采集，為船長或是船員提供信息數(shù)據(jù)，避免航行中的船舶因航道環(huán)境不佳而發(fā)生事故。

（4）水文信息采集：對船舶當前的河道進行水文信息的采集，為船長或船員提供最新、實時的水文信息。

（5）自身狀態(tài)：對航行中船舶的自身信息進行采集，使船長及水運物流公司的管理人員等能及時地了解船舶的狀態(tài)信息，若發(fā)現(xiàn)故障，可及時地進行自救；企業(yè)也可根據(jù)船舶的狀態(tài)信息安排不同程度的援救工作。

2.3 軌跡分析

使用閉環(huán)仿真分析模型進行與航線相關(guān)數(shù)據(jù)信息的優(yōu)化分析。課題結(jié)合多傳感應技術(shù)、北斗衛(wèi)星導航技術(shù)、GIS技術(shù)等對影響船舶動態(tài)響應的人、船、水路進行閉環(huán)仿真分析建模研究，通過建立船舶駕駛員模型、船舶動力模型和水路模型，并以船舶駕駛員模型為關(guān)聯(lián)橋介將另外2個模型緊密相連，實現(xiàn)航行軌跡數(shù)據(jù)信息的優(yōu)化分析。

（1）航行軌跡分析：由于船舶自身狀態(tài)、航道環(huán)境、氣象信息、水文狀況、水底地勢等對船舶航行軌跡有較大的影響，能夠影響船舶駕駛員的駕駛操作判斷，給船舶行駛造成不必要的操作失誤，因此課題組對航行軌跡進行分析，以期提高船舶航運安全，形成系統(tǒng)性船舶航運安全管理。

（2）歷史航行軌跡分析：課題根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)，對船舶的歷史航行軌跡進行分析，總結(jié)軌跡航行經(jīng)驗，對航行的軌跡進行優(yōu)化，提高航行的效率。

（3）慣性軌跡分析：根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)對慣性的航線進行分析，獲取船舶慣性路線行駛因素，以及慣性行駛的軌跡信息，保障水運物流運輸?shù)陌踩旭偂?/p>

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

各類航運信息的采集是進行軌跡分析的基礎和前提。由于航運過程中采集的信息類型多樣，既包括航向、航速、轉(zhuǎn)向等動態(tài)信息，又包括船名、呼號、船長、船寬等靜態(tài)信息；而且，信息的來源豐富，既有通過傳感器、探測器、雷達接收到的數(shù)據(jù)，還有手工測量到的數(shù)據(jù)。因此，在進行航運GIS軌跡信息的采集時，采用的是多傳感采集相結(jié)合的方式，具體流程如圖2所示。

如圖2所示，利用雷達、傳感器等各種采集設備對與航運交通物流管理相關(guān)的信息進行采集，為航運物流多業(yè)務管理的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

由于航運信息采集具有多元性，所以解決多傳感器數(shù)據(jù)融合的問題就成為關(guān)鍵問題。具體來說，多傳感器數(shù)據(jù)融合是指充分利用不同時間和空間的多傳感器信息資源，采用計算機技術(shù)對按時序獲得的多傳感器信息在一定的準則下加以分析、綜合、支配和使用，以完成所需的決策的估計任務，使系統(tǒng)獲得比它的各個組成部分的性能更優(yōu)越。數(shù)據(jù)融合的方法有加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)推理、模糊推理、神經(jīng)元網(wǎng)絡等，具體采用何種方式要根據(jù)運行環(huán)境、信息類型、適用范圍進行選擇。多傳感器數(shù)據(jù)融合在航運GIS軌跡采集與分析研究中的應用如圖3所示。

如圖3所示，數(shù)據(jù)采集來源多種傳感器、GPS、探測器和雷達。首先，通過慣性傳感器、電子地圖和差分GPS，確定船舶行駛的地理位置和航向；通過立體圖形傳感器辨識、跟蹤船舶行駛中水面的情況；通過激光探測器和雷達，完成船舶航行過程中水面和周圍障礙物等信息的檢測。其次，將各個傳感輸出的信息通過卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合，識別出船舶的航行情況。最后，通過控制機構(gòu)分析和制定出航行策略。

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通

由于進行航運GIS軌跡采集與分析研究涉及的數(shù)據(jù)類型多樣、來源豐富，既有空間數(shù)據(jù)，又有關(guān)系數(shù)據(jù)。同時，在信息高度集成和融合的今天，通常需要將航運GIS軌跡采集與分析系統(tǒng)與其他的水運信息系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)多種航運業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。因此，如何實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的互連互通，確保信息在系統(tǒng)間的交互就成為關(guān)鍵問題。通過采用大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將大規(guī)模、物理分布的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源連通形成一個虛擬的數(shù)據(jù)資源中心，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和訪問接口，支持對數(shù)據(jù)源的透明訪問。大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的虛擬化，實現(xiàn)分布數(shù)據(jù)源的自主接入及屏蔽數(shù)據(jù)源的分布、異構(gòu)特性。數(shù)據(jù)源通過封裝器封裝后，注冊到系統(tǒng)中，形成具有統(tǒng)一形態(tài)的虛擬表，在不移動數(shù)據(jù)源的物理位置的前提下，形成一個整合的、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準的單一虛擬數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)語

航運GIS軌跡采集與分析研究是通過運用GPS、GIS、AIS和ZigBee等技術(shù)構(gòu)建自組網(wǎng)對航運過程中船舶的航行軌跡、航速、氣候、水文等信息進行采集和傳輸，采用計算機圖形技術(shù)和仿真技術(shù)對信息進行可視化的分析和處理，最終實現(xiàn)監(jiān)控船舶行駛狀況，降低船舶碰撞概率，提高水運物流、交通管理的效率。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]