iOS平臺下的雪龍監控系統設計與實現

黃冬梅 郭穎新 趙丹鳳 何盛琪 劉健

(1上海海洋大學，上海201306;2中國極地研究中心，上海200136)

0 引言

由于歷史原因及國力所限，中國科考船［1］的發展相對落后，多數考察船的設備未能及時更新，存在整體配套不完善、探測手段落后、覆蓋范圍小、網絡信息化程度低等問題，難以滿足新科考的要求。在世界各國爭相發展海洋科學領域的今天，中國也對科考船提出了一系列新的要求。經過極地考察“十一五”能力建設的實施，中國極地研究中心對“雪龍”號破冰船進行了大規模的改造，更新和提高了設備及其性能，并且于2009年成功建設了“雪龍在線網絡信息平臺”。該平臺借助海事衛星通信鏈路(BGAN)，將考察船的實時航行動態信息和科考儀器數據與國內數據服務器同步，實現了科考船航行中各類傳感器的數據實時采集、實時入庫(數據庫)、準實時(于互聯網信息系統)發布等功能［2-3］，但對數據的展示和處理局限于PC端和服務器端，對實時獲取并發布最新信息、做出正確及時的反應產生一定的束縛。

隨著移動終端設備的個性化、智能化、靈活化，獲取實時信息的方式也從PC端逐漸轉移到了移動端。使用移動端獲取最新監控信息已成為一種趨勢，如智能家居控制、溫室蔬菜大棚溫濕調控、醫療健康智能護理等。目前，“雪龍在線網絡信息平臺”主要提供Web端服務，用戶需要通過聯網設備的瀏覽器才能查看雪龍號相關數據信息。因此，設備及網絡環境的局限性，成為限制相關工作人員獲取實時信息、及時做出正確決策的一種瓶頸，而具有高性能、智能化、便攜性的移動設備及提供地圖定位等服務的雪龍號移動應用，能彌補在第一時間獲取信息等多方面的不足。

近年來，國內外出現了較多與定位及運動軌跡繪制相關的地圖類、運動類App，相關技術也逐漸成熟。國外的地圖類App代表如Google Maps提供全面而精確的地圖，具有興趣點設置功能;移動眾包應用Waze從各地的用戶獲取數據，實現基于GPS的社交功能;Bing Maps提供了某些地區的鳥瞰圖等等。運動類Run keeper應用實現了設置運動目標，記錄運動數據(包括瞬時速度、平均速度、距離等)，利用GPS記錄跑步路線的功能。國內地圖類應用較為典型的有百度地圖、高德地圖等，具備2D地圖、3D地圖、衛星地圖、室內地圖等多底圖展示功能，并且在定位、路線規劃和導航方面實現了高智能化。運動類應用如咕咚運動基于GPS定位技術，實現了精確追蹤運動路線功能［4-10］。以上具有對象定位、軌跡繪制功能的地圖類和運動類應用，解決了移動終端定位、一定區域路徑繪制等問題，但對“雪龍”號所具有的高頻率和長時間的位置信息等海量數據在移動終端的可視化問題，及通過網絡搜索獲取最佳路徑并參照地圖對繪制路線修正方法等已經不適用。同時由于“雪龍”號的非移動終端GPS定位、數據準實時增量化等特性，現有的地圖類和運動類等應用已經無法滿足。

基于以上情況，本文設計并開發了iOS平臺下的雪龍監控系統，方便移動互聯網用戶隨時查看“雪龍”號準實時航行狀態及其他多種傳感器數據，達到移動平臺監控的作用。該系統綜合采用了多線程并發控制、ASIHTTPRequest類庫異步下載、AGSMapView圖層顯示、關系型數據SQLite存取技術等多種先進技術，通過軟硬件集成開發，具備了定位船只、動態刷新實時航線數據(如航速、水溫等)、繪制實時航跡、展示預定航行和歷史航線、推送最新其他相關信息等多項功能。該系統可部署于iOS 5.0系統以上的iPhone設備上，有助于相關人員隨時隨地了解“雪龍”號航情及部分詳細數據，對“雪龍”號各項信息的監控，達到輔助決策的作用。

1 系統設計

雪龍監控系統是基于雪龍在線網絡信息平臺的數據采集、數據入庫、數據處理的一體化流程，由國內后臺服務器和前臺客戶端組成。具體系統架構及功能模塊如下。

1.1 系統架構

從空間分布上，系統分為國內服務器端和移動端兩個部分，“雪龍”號設備端及數據通訊網絡由雪龍在線網絡信息平臺支持。國內服務器端實現數據接收、數據存儲、Web服務發布等，移動互聯網方面實現訪問國內服務器Web發布的“雪龍”號動態數據。結合空間分布和系統功能，系統網絡及結構圖如圖1所示。

圖1 系統網絡及結構圖Fig.1.The system network and structure chart

國內服務器同步船上與航行狀態的科研相關公用數據，包括羅經、測深、機艙、GPS、表層海水、氣象、計程等數據，具體數據類別及相關參數見表1。采用Oracle11g數據庫存儲回傳的抽樣數據，以SBE表層海水數據為例，在各個數據表中都包含時間、位置信息，其數據表結構見表2。

表1 雪龍號相關數據類別及重要參數Table 1.The data type and important parameters of Xuelong

表2 國內服務器Oracle數據庫中SBE數據表結構Table 2.The SBE data table in Oracle database of domestic server

移動互聯網用戶方面，開發的前臺客戶端是采用Objective-C語言［11］，在 XCode中開發，遵照 iOS四層結構和框架，采用基于XML的數據傳輸技術，通過SOAP通信標準訪問Web Service簡單靈活的發送、接收數據，并使用輕量型SQLite數據庫實現數據存取，學習敏捷思想［12］開發，參考iOS平臺客戶端應用開發規范［13］設計，實現了查看航次信息、航線中重點城市信息、實時航速和航向等功能。

1.2 系統功能模塊介紹

根據系統應用需求及應用設計方案，該系統客戶端功能結構分為前臺應用層和后臺處理層。前臺應用層包括用戶登錄、地圖航線展示、實時信息展示、考察船航次信息、消息通知、用戶設置等模塊，滿足用戶基本功能需求，后臺處理層包括Web Service數據獲取模塊和SQLite數據存取模塊，實現后臺智能化操作。

(1)用戶登錄模塊:普通用戶免登陸，相關工作人員需要其特殊用戶名和密碼進行登錄認證，可以收到相應的通知、公告等消息。

(2)地圖航線展示模塊:在主頁地圖中，默認可瀏覽當前最新航次的預計航線及實際航線，在右側邊欄三組科考類別中，可選擇多條歷史航線，在主頁地圖中查看并對比。同時各航線采用航次名與航線同色彩、不同航線的色彩異同的方式進行區分對比。

(3)實時信息展示模塊:在主頁地圖下方，可瀏覽“雪龍”號當前航行狀態信息，包括航速、航向、風速、風向等六種數據;在左側邊欄，可直觀的查看位置信息、羅經信息、氣象信息等類別的詳細參數。

(4)考察船航次信息:選擇科考航次，彈出對應航次的介紹信息。

(5)消息通知模塊:系統實現對考察船到達某城市和考察站、考察船中船員活動等信息推送。

(6)用戶設置模塊:用戶享有個性化設置，如對地圖最大化顯示、消息通知、對比航線條數、夜間模式等設置。

(7)Web Service數據獲取模塊:對各類web數據，通過調用Request Post異步方法獲取數據并解析。

(8)SQLite數據智能存取模塊:系統保存本地用戶信息，記錄個性化參數設置，實現各模塊web數據的智能存取。

2 關鍵技術

該系統開發過程中，根據 MVC(Model-View-Controller)設計模式，使用多種技術相結合的方式，包括TableView、MapView、Button等多種控件的調用，高效的iOSDelegate設計技術，以及快速篩選海量數據的信息技術等。在這些技術中，突出解決了一些問題，如下是三個方面的關鍵技術詳細介紹。

2.1 面向移動端的海量數據快速篩選技術

隨著傳感器設備種類的增多及性能的提高，考察船勘測設備采集的數據種類不斷增長，且其采集頻率逐漸加快，數據庫中的數據量呈上升型的倍數級增長。面向格式多樣化、類型復雜化及數據量海量化的數據，很多學者基于PC端提出了相應的處理技術，但由于移動終端設備的軟硬件處理能力的限制，使得現有的處理技術無法直接應用于移動終端的海量數據處理。因此，本文采用對數據進行篩選的方法，解決移動端軟硬件處理能力有限和數據更新速率快和類型復雜的矛盾問題，通過海量復雜類型采集數據的篩選在保證顯示精度的同時降低移動終端的處理壓力，提高從數據采集到結果顯示的時效性。

針對移動端的特點，研究的篩選方法有多種，已采用有SQL-N篩選法和拐點篩選法。例如在篩選航跡位置信息時，兩種篩選方法如下。

(1)SQL-N篩選法:在請求數據的Soap消息中，封裝SQL語句條件進行篩選。首先確定篩選N條，即如篩選1 000條數據，其次做索引處理，按T_LOG記錄日期升序排序，最后獲取重要的有序關鍵點數據。SQL語句(其中MISSIONID為科考航次)為:

select LATITUDE，LONGITUDE FROM(select ROWNUM rn， T_LOG， LATITUDE， LONGITUDE from(select*from HD_gps where MISSIONID=24 ORDER BY T_LOG ASC))WHERE MOD(rn，round((select count(*)from HD_gpsWHERE MISSIONID=24)/1000，0))=0。

隨著數據采集頻率的不斷提高，多條數據中篩選出一條數據的影響越來越小。同時，由于移動端的顯示界面大小的局限性，對精度的要求不及PC端高，因此適當點數的篩選，對移動終端的處理及展示有極大的幫助。

(2)拐點篩選法:分次獲取所有某條航跡的全部數據，對相鄰三條數據進行拐點判斷計算，例如每次獲取1 000條數據，其SQL語句為:

select LATITUDE，LONGITUDE FROM(select ROWNUM rn， T_LOG， LATITUDE， LONGITUDE from(select*from HD_gps where MISSIONID=28 ORDER BY T_LOG ASC))WHERE ROWNUM＜=1000。

對(已按時間排序)相鄰三條數據中經緯度組成的三點坐標連線，計算兩條線段所組成夾角的角度α，當角度(180°-α)接近于0°時，可認為三點組成的航跡在一條直線上;否則，可認為中間點是重要的拐點，添加在地圖上(起點、終點已添加入地圖)。對重要拐點信息存入SQLite關系型數據庫中，達到一次處理多次使用的作用。

通過該方法篩選出關鍵拐點，繪制出的航跡與實際航線的近似程度與設定的角度系數相關。其優缺點是，角度系數與180°差值越小，篩選出的拐點越多，航線越精確，但處理后的拐點較多，篩選效果降低;角度系數與180°差值越大，篩選出的拐點越少，但繪制的航線越粗糙。適當的角度系數與地圖的縮放比例相關，其實驗還在進一步進行中。α的確定，將有助于移動端更好地展示航線。

2.2 移動ArcGIS圖層顯示技術

ArcGIS是面向用戶的制圖平臺，可創建交互式地圖和應用程序，并與組織中的其他人員共享。在系統移動終端的GIS功能中，使用了其提供的5種移動應用解決方案中的ArcGISRuntime SDK for iOS滿足移動應用需求，如通過設置Map圖層實現繪制航跡、添加Callout標注、顯示實時地圖信息等功能。該系統同時采用在線數據源，多種動態底圖服務地址切換，包括世界地圖服務、衛星影像服務、海洋暗色自主地圖服務，來源分別是公共ArcGIS REST Services中的 World_Street_Map服務、公共 ArcGIS REST Services中ESRI_Imagery_World_2D服務、自主JDMapServices(http://202.121.66.51:6080/arcgis/rest/services/JDMapServices/底圖/MapServer)服務，默認加載第一種地圖服務。通過使用Objective-C語言調用ArcGISRuntime SDK for iOS的服務實現圖層顯示控制，發揮其強大地圖和分析功能為雪龍監控系統服務。

ArcGISRuntime SDK for iOS在圖層顯示控制中分為服務的顯示控制和圖層的顯示控制。服務的顯示控制使用AGSMapView Class實現。在根控制器RootView Controller中加載AGSMap View對象實例，并進行顯示設置。在地圖定位縮放功能中調用AGSEnvelope類，通過設置extent Delta值，實現地圖的動態縮放、平移的功能。單服務多圖層的顯示控制使用AGSDynamicLayerView和AGSTiledLayerView實現，通過設置 visibleLayers，確定圖層是否可見。通過AGSTiledLayer的擴展實現異步獲取切片數據操作、獲取切片服務的緩存規則、底圖加載等，同時調用AGSMapView Class的方法實現自定義地圖行為及委托類、動態繪制雪龍號位置、增添實時及歷史航線圖層的功能。

2.3 地圖中繪制Path通過180°經線技術

在航跡繪制時，許多航跡需要通過180°經線，而在180°經線兩測的兩點連線不能夠直接連接，需反繞地球一圈連接，如圖2所示。

圖2 航線經過180°經線的中斷-反連圖Fig.2.An interruption and reverse connection chartwhich route across 180 degrees longitude

在地理坐標系中，以-180°/+180°作為東西方向的邊緣(即X軸)，以-90°/+90°作為南北方向的邊緣(即Y軸)，此范圍稱為坐標系的“視界”，所有地面點以二維數據形式記錄。從數學或坐標系角度出發，+180°經線和-180°經線是不連續的，即距離無窮遠的間斷點，在地理數據庫中，跨越該邊緣的要素將被裁剪，只保留視界之內的部分。

本系統在ArcGISRuntime SDK for iOS的AGSMapView中加入插件，用于繪制180°經線兩測連線。問題描述如:在ArcGIS地圖中，點A和點B分別位于180°經線兩測，兩點連線不能直接穿過180°經線L，即A、B兩點不能直接相連。

該插件主要思想如下:在地圖中，將跨越180°經線的連線裁剪，分割為180°經線兩側的兩個部分，假設C為AB與L的交點(C未知)，180°經線上C有兩個同緯度的臨近點E和F，使兩條線段AE和FB斜率近乎一致，則AE和FB兩部分近似于ACB連線，也近似于AB兩點連線，即可代表AB連線通過180°經線。此插件在該系統中成功地實現了跨越180°經線的航線繪制問題。

3 雪龍監控系統功能演示

面向移動互聯網用戶，該系統的監控界面如圖3(a)所示，其主要功能模塊如下。

3.1 雪龍號監控數據準實時展示

進入App主頁，如圖3(a)所示，頂部是標題欄，可單點觸控，左右滑動進入對應側邊欄。中間為在線地圖，下面為準實時監控中重要數據的顯示，即航速、航向、風速、風向、水溫、水深的最新數據，每60 s自動刷新一次，同時可手動下拉刷新。

3.2 “雪龍”號計劃航線及實際航線瀏覽

雪龍監控主頁地圖上，灰色虛線顯示為當前“雪龍”號的計劃航線，黃色實線為當前“雪龍”號科考航次的實際航線，雪龍船的位置是每60 s定位一次，若位置變化，則實際航線動態添加航跡一次。地圖中，可多點觸控縮放或雙擊放大，左上角有“雪龍”號定位圖標，點擊即可縮放范圍，定位到“雪龍”號的當前位置。

3.3 雪龍監控GPS、羅經、氣象等最新信息瀏覽

在主頁標題欄上，向右滑動或點擊左上角按鈕，展開左側邊欄，分組顯示位置信息、羅經信息、氣象信息、測深儀信息、機艙信息、表層海水自動傳感器信息以及計程儀信息，上下滑動可查看全部信息，如圖3(b)所示。各類傳感器都有其記錄時間標記，更清晰地展示采集數據的真實性。其中，計程儀信息展示本次航線距離及總航行距離。

圖3 雪龍監控界面Fig.3.The interface of Xuelongmonitoring

3.4 歷史航跡對比瀏覽

展開右側欄，顯示出以科考試航、北極科考、南極科考為分類的航次及航行起始日期，可查看各類航次次數及對應的航行時間，進行同類航次橫向對比及不同類航次的縱向對比。選擇某一次科考，主頁地圖中會添加對應歷史航線，航線顏色與科考標題顏色一致，方便區分不同航線，如圖3(c)所示。同時，用戶可以勾選3條(不包含當前航次)不同科考航次的航線，進行不同科考航次間的對比，同時也可以了解“雪龍”號的預計目的地及重要時間節點等情況。

4 結語

本文設計并開發了基于iOS平臺的雪龍監控系統，實現了準實時展示“雪龍”號最新航情、科考數據等多項功能，填補了雪龍在線網絡信息平臺在移動互聯網用戶方面的空白。該應用已發布到蘋果App Store中，其成功運行，搭建了一個連接“雪龍”號與社會公眾及相關人員的新網絡信息平臺，也為極地科考相關部門等增添了一個了解“雪龍”號最新動態的窗口。該平臺也為中國第30次南極科學考察的順利進行，發揮了積極作用。在“雪龍”號的航行過程中，本系統在中國極地研究中心得到了良好的反響，同時也有待進一步的完善，下一步的研究計劃將圍繞“雪龍”號船上人員iOS端監控平臺進行，同時我們也將進一步提高并測試系統的可擴展性和移植性［14］，使其適用于所有科學考察船。

致謝數據由中國極地研究中心和中國南北極數據中心建設的“極地科學數據共享平臺(http://www.chinare.org.cn)”提供，在此深表感謝。

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12 段學東，何九周.基于敏捷思想的iOS平臺軟件的設計與實現.計算機技術與發展，2012，22(9):53-58.

13 王云.IOS平臺客戶端應用開發規范化的研究.北京:北京郵電大學，2013.

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