地理信息系統（GIS）在挖泥船中的應用

摘 要：挖泥船舶在疏浚過程中為了應對復雜的施工水域，提高施工精度和施工效率，必須要對船舶進行全方位、精細化的管理。研究地理信息系統（GIS）在疏浚船舶施工中的應用，就是把船舶在航道施工中的方方面面的信息匯集到一起，給施工人員、船舶操作人員、管理者提供指導和參考。幫助解決施工前、施工中、施工后的等等管理問題，提高管理水平和施工效率。

關鍵詞：地理信息系統 挖泥船 施工效率

地理信息系統簡稱GIS系統，GIS（Geographic Information System）它是利用現代計算機圖形和數據庫技術來處理地理空間及其相關數據的計算機系統，是融地理學、測量學、幾何學、計算機科學和應用對象為一體的綜合性高新技術。其最大的特點就在于：它能把地球表面空間事物的地理位置及其特征有機地結合在一起，并通過計算機屏幕形象、直觀地顯示出來。這一特點使得GIS具有更加廣泛的用途。

研究必要性

挖泥船疏浚施工中，船舶首先準確掌握施工區域及其水深情況，制定施工方案。施工過程中施工船舶需保證精確的施工定位和挖深。施工結束后，需進行施工檢查以保證施工質量，確保沒有漏挖或施工深度不達標的現象存在，避免重復施工或者出現施工死角。

傳統的施工方式不能準確的定位施工位置及施工區域的水下情況，不能清晰的了解區域的GIS信息，給船舶施工帶來不便，容易產生多挖、漏挖等施工不便的問題。如何提高航道疏浚工程施工的管理水平？如何提高施工設計的準確性、及時性？ 如何提高施工過程中的施工精度、如何保證施工過程的監督、如何保證施工質量檢查的有效性和準確性等都是擺在我們面前問題。

研究的思路

1、總體技術方向

根據挖泥船作業的實際狀況，從穩定、可靠、操作簡單及便于施工的角度出發，融合GIS、計算機圖形、信號檢測及處理、無線實時通信等主要技術，集成了長江電子航道圖或電子海圖、船舶位置實時定位、挖泥剖面實時管理、挖槽管理、工作軌跡記錄、船舶吃水狀態監測等主要功能，使整個挖泥作業過程都得到有效的監測。

2、研究內容

2.1研發適合挖泥船船舶特點的GIS軟件

挖泥船在疏浚施工有著自身獨有的特點，受到比如水深的變化、航槽的走向、水流的速度、航行標志的位置等外界因素的影響。所以針對這些特點研發適合挖泥船特點的GIS軟件十分有必要。

矢量數據存儲。根據現實地物的特性，將地物分為三大類（點、線、面），使用多種數據結構來存儲和管理矢量數據。

GIS數據顯示。根據圖形學的原理，對顯示數據按照世界坐標，窗口坐標來進行相互轉換。圖形通過坐標轉換用就可以利用WINDOWS的GDI接口在屏幕上畫出相應地物。在該GIS平臺中，對于點、線、面進行了額外的表達處理，也就是點、線、面可以有許多種顯示方式。這同時也符合GIS標準中數據和表達分開的基本規則。

GIS數據編輯。通過引入選擇集，點緩沖，草圖，重做的系列思想，來實現數據編輯過程的選擇、編輯、編輯現場保護以及編輯保存和重做。

空間數據庫。由于GIS空間數據往往數據量非常龐大，那么單純靠簡單的文件格式來保存GIS數據是不太容易的，另外進行檢索也比較困難。所以研究GIS平臺開發了一套空間數據庫的引擎。通過將矢量數據存儲模塊和金字塔索引技術結合，將空間數據保存在數據庫中，并且利用數據庫強大的檢索功能，來完成復雜的空間檢索?？臻g數據庫支持多種數據庫：包括Access、SqlServer、Oracle、Sybase等。

外掛其他格式矢量數據?？紤]到兼容各種施工相關的矢量數據。比如HiPack測量數據，中海達測深數據，AutoCAD施工數據等。通過研發的數據解析模塊首先對上述需要掛接的數據進行解析，然后通過矢量數據存儲模塊將解析后的數據加載到GIS平臺中使用。這樣的設計最大的好處就是無縫的支持各種格式數據，使使用者在使用這些數據前無需進行額外的格式轉換工作。

2.2精確的施工定位技術

精確的施工定位技術。利用船載現有的GPS定位設備，結合船舶的各類施工設備數據和相應傳感器，精確計算船舶的施工定位。

傳感器的接入：電磁流量計、密度計、垂直角度傳感器、水平擺角傳感器、真空壓力傳感器、壓力傳感器、吃水傳感器、船舶姿態傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、接近開關等。

通過串口接入的方式對信號進行采集，然后對數據進行解析，轉換。再用文字和圖形的方式顯示。

2.3將電子航道圖或電子海圖用于挖泥船疏浚作業

將電子航道圖或電子海圖數據疊加到施工管理界面中，和施工設計圖、船舶定位圖、測量水深圖、施工歷史軌跡等數據結合在一起，給船上施工人員、項目管理人員提供直觀的觀測界面。

GIS系統：根據工程船舶施工特點進行定制的GIS系統。具備高效、穩定、使用簡單等特點，更加適合挖泥船使用。不但具備GIS系統中的基本功能，并且根據不同類型的施工船舶設計一些特有的功能。比如施工計劃線設定、批量平行線、拋錨定位功能等。

船舶數據采集：①通過工業接口采集各種傳感設備的數字化數據。②通過工業總線接口采集各種設備的數據。③通過工業模擬量采集模塊采集各種傳感器的模擬量數據。④通過OPC采集PLC系統中的各種模擬量、開關量數據。

船舶施工管理。船舶端施工管理主要包含下列功能：①船舶施工定位：根據GPS數據對船舶和船舶各個部位進行定位，包含船舶主體、左耙耙頭、右耙耙頭、艏沖架。要求上述各個部位的定位精度<=1米，船舶定向精度<=0.3度。施工部件定位中要結合左、右耙的下放深度、水平位移對耙頭的定位進行修正，要結合艏沖架的下放深度對艏沖架沖嘴定位進行修正。②耙位指示儀：采用計算機圖形化模擬方式顯示的耙位指示 儀，是耙吸式挖泥船上重要的施工指導儀表。該儀表中顯示施工過程中吸口吃水、下耙到位指示、收耙到位指示、壓耙報警、耙頭距眩邊距離、潮汐、下耙深度和標高、船舶橫傾和縱傾、船舶各個水尺吃水等。耙位指示儀顯示界面采用側視、俯視、艉視三種角度來觀測耙臂的實際狀況。下耙深度的精度誤差不大于0.2米。③艏沖架指示儀：采用計算機圖形化模擬方式顯示的艏沖架指示儀，是采用艏沖方式施工時的重要指示儀表。該儀表中顯示施工過程中的沖嘴下放深度線、水面線、艏沖架零位線、艏沖架下放最大深度線、沖水壓力、艏沖絞車運動方向、測深儀數據等。沖嘴深度的精度誤差不大于0.2米。④船舶姿態儀：直觀顯示船舶的6個水尺吃水、橫傾、縱傾。要求水尺吃水精度<=0.1米，橫傾和縱傾精度<=0.1度。提供船舶超吃水報警和橫傾超5度報警。⑤船舶裝載儀：船舶裝載儀是耙吸式挖泥船上重要的施工指導儀表。根據船舶的吃水情況結合船舶設計的吃水曲線自動計算船舶的裝載量，提供裝載量歸零快捷設置功能，通過歸零計算后，可以準確計算從歸零后的實際船舶裝載量。

機艙監測：在機艙集控室配置機艙監測系統，系統對機艙的各種主機設備和施工設備的運行狀態實時監測并以圖形化方式呈現。其中左、右推進系統、泥泵系統、主發電機組、停泊發電機組等。

船舶日常管理：施工船舶的日常管理，包含船舶的班次管理、加油記錄管理、燃潤油月報管理、日常報表管理、船舶狀態管理等。

船舶遠程監測管理：建立船舶和中心服務器的網絡連接，將船舶上的各類數據按照系統要求的傳輸頻率傳輸至中心服務器，同時接收來自中心服務器發送的各類數據，實現遠程監控。

無線數據傳輸：符合工業級要求的專用無線傳輸設備，將船舶端各種類型數據傳輸到中心服務器。網絡連接和傳輸支持多網融合、智能選網、數據壓縮、高強度加密、斷點續傳等多種技術來保證數據的完整和安全，數據接受者本地硬件解密。

系統擴展接口：在船舶上還配備了許多其他的系統，比如：CWBT、船舶設備故障在線檢測與診斷系統，這些系統不但需要和船舶端系統進行數據交互，還有可能共用數據傳輸系統、甚至有可能共用服務器系統、管理終端系統。系統擴展接口管理模塊主要用來解決和其他系統進行數據交互，并允許其他系統在依照船端無線遠傳網絡管理規則的前提下共用的傳輸網絡。擴展接口管理模塊通過制定標準的擴展協議，制定標準的數據交換流程來達到數據的共享、傳輸鏈路的共享。

研究實施要達到的效果

1、施工現場效率和質量的提高

施工定位精度由以前的3米提高到1米以內。

根據船舶吃水，準確計算船舶任意位置吃水、吸口吃水、提供了準確的船舶裝載量。

提供了準確的耙臂、耙頭定位，直觀顯示耙頭在水下的施工情況，直觀的顯示，幫助施工人員避免壓耙情況的發生等。

施工定位系統支持各種水深測量數據、施工設計文件，結合這些數據對施工船舶進行施工定位輔助，確保了施工的三維精度。

2、提高管理水平、節省管理成本

施工管理人員只需要連接上互聯網即可以實時準確的掌握施工船舶的實時動態、施工情況以及各種工況參數，還可以對施工船舶的施工歷史任意回朔，可以查閱施工船舶的歷史施工軌跡線、對施工船舶的歷史工況數據均可以任意查看。比如管理人員可以查閱任意歷史時間端內的施工密度、流量，可以根據此數據判斷施工效率。又比如管理人員可以查詢任意時間段的船舶航速，可以根據此分析船舶用于施工和用于拋泥的時間占比等。不但可以隨時掌握來自生產一線的實時數據，并且可以根據系統中提供的各種統計分析模型來對各類生成、管理數據進行分析，為管理層做出正確決策提供實時、準確的數據依據。即節約了管理開銷和成本，又提高了管理效率，提升了管理水平。

結論

地理信息系統（GIS）在挖泥船舶中的應用，可使船舶更好的應對水域復雜多變的情況。采用GIS技術、船舶遠程監測技術，充分考慮挖泥船施工的特點，幫助解決施工前、施工中、施工后的等等管理問題，提高管理水平和施工效率，真正使挖泥船疏浚施工達到安全高效、節能環保、平安綠色的目的。

（長江武漢航道工程局）