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等相關技術進行了介紹，然后明確了航運GIS軌跡采集與分析的基本流程，并在此基礎上實現船舶航行軌跡的航速、自身狀態、航道環境、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鍵技術問題，即多傳感器數據融合和多源異構數據的互連互通問題。

【關鍵詞】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。為了更好地發掘水上交通的特性與規律，為水上交通和物流運輸管理部門提供決策依據，對航運軌跡采集與分析研究成為水上交通物流業關注的熱點。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，預測水上事故多發點，進而減少船舶碰撞事件，提高水上交通運輸的安全性和效率。

1 相關技術

1.1 GPS技術

GPS的中文全稱為全球定位系統，它是由美國研發的新一代衛星定位系統，可以為包括陸地、海洋和航空三大領域在內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衛星星座全天候24小時不間斷地發射信息，用戶接收信息并據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。隨著航海業的蓬勃發展，船用GPS技術在現代航運物流業中的作用越來越重要。GPS技術通過與船舶駕駛系統相結合，利用無線通信技術、地理信息技術等現代信息技術，可以實現對航行船舶的定位和導航，還可以與GIS、AIS相結合實現船舶數據采集、動態監控、航運管理等功能。

1.2 GIS技術

GIS的中文全稱為地理信息系統技術，它是將地理學、計算機科學、多媒體技術、GPS技術、數據庫技術和虛擬現實技術等結合起來形成的一門綜合應用系統技術。GIS技術是解決空間問題最好的工具和方法，具備對空間數據的收集、存儲、處理和應用等功能，并且可以結合計算機圖形技術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技術獲取的定位信息與3G技術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

AIS技術的中文全稱為船舶自動識別系統。它由岸基（基站）設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網絡技術、現代通信技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備[1]。AIS可以配合GPS、GIS技術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可以發送4類信息：一是船舶的靜態信息，如船名、呼號、船長、船寬等；二是船舶的動態信息，如航向、航速、轉向等；三是安全信息，如航向警告等；四是航行的相關信息，如船舶的吃水、目的地、預計到達時間等。

隨著AIS技術的不斷進步，在AIS系統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，能有效地提高行業企業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，能夠將AIS需要的各類信息在其上實現集成。

1.4 ZigBee技術

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

伴隨著物聯網技術的快速發展，ZigBee技術也廣泛應用于各行各業中，如智能交通、工業自動化、氣象、遙感勘測、煤礦等領域。在航運中利用ZigBee技術，能夠方便、動態地實現無線自組網的組建和通信，能夠實時采集航運相關數據，直接監測船舶及其周圍船舶、設備的情況，有助于相關人員及時了解船舶航行的具體態勢，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、季節與氣候、水文等信息采用多傳感器及探測器進行數據信號采集。運用自組網的形式建立航行軌跡的信息采集網絡，并根據航行軌跡采集需求進行采集網絡的設定，結合北斗衛星導航技術、GIS技術、ZigBee技術、GPRS技術并融合智能仿真圖形算法，實現將采集到的信息數據通過模擬信號的轉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據采集、數據清洗、數據存儲和管理、軌跡數據分析等步驟。航運軌跡采集與分析的基本流程如圖1所示。

具體來說，數據采集是指通過多傳感器組、探測器等組件信息采集網絡，對航運過程的各種信息進行采集，包括軌跡信息、航速軌跡、環境信息、狀態信息、水文信息等；數據清洗是指將采集到的原始數據進行處理，消除其中的噪聲和冗余數據，提高后續數據處理的效率；數據存儲與管理是指將采集和處理過的數據通過數據庫進行存儲和管理，由于采集到的數據種類眾多、來源廣泛，所以將這些數據用分布式存儲的方式構成信息數據庫群；軌跡數據分析是指根據采集和處理的軌跡數據提取軌跡特征，設計模型和算法，并據此進行航行軌跡分析、歷史軌跡分析、關系分析，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網的基本框架，結合北斗衛星導航技術、GIS技術、GPRS技術、ZigBee技術等，并融合了多種算法，對多傳感應技術、ZigBee技術、自組網技術進行了研究，實現船舶航行軌跡的航速、自身狀態、航道環境、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，并將信息發送至系統，若此時的航速達到準備的上限，系統則進行相應的提示。

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

（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：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信息，若發現故障，可及時地進行自救；企業也可根據船舶的狀態信息安排不同程度的援救工作。

2.3 軌跡分析

使用閉環仿真分析模型進行與航線相關數據信息的優化分析。課題結合多傳感應技術、北斗衛星導航技術、GIS技術等對影響船舶動態響應的人、船、水路進行閉環仿真分析建模研究，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聯橋介將另外2個模型緊密相連，實現航行軌跡數據信息的優化分析。

（1）航行軌跡分析：由于船舶自身狀態、航道環境、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，形成系統性船舶航運安全管理。

（2）歷史航行軌跡分析：課題根據以往的歷史數據，對船舶的歷史航行軌跡進行分析，總結軌跡航行經驗，對航行的軌跡進行優化，提高航行的效率。

（3）慣性軌跡分析：根據以往的歷史數據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，保障水運物流運輸的安全行駛。

3 關鍵技術

3.1 多傳感器數據融合

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、轉向等動態信息，又包括船名、呼號、船長、船寬等靜態信息；而且，信息的來源豐富，既有通過傳感器、探測器、雷達接收到的數據，還有手工測量到的數據。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的信息進行采集，為航運物流多業務管理的實現提供數據支撐。

由于航運信息采集具有多元性，所以解決多傳感器數據融合的問題就成為關鍵問題。具體來說，多傳感器數據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，使系統獲得比它的各個組成部分的性能更優越。數據融合的方法有加權平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、統計決策理論、證據推理、模糊推理、神經元網絡等，具體采用何種方式要根據運行環境、信息類型、適用范圍進行選擇。多傳感器數據融合在航運GIS軌跡采集與分析研究中的應用如圖3所示。

如圖3所示，數據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據融合，識別出船舶的航行情況。最后，通過控制機構分析和制定出航行策略。

3.2 多源異構數據的互連互通

由于進行航運GIS軌跡采集與分析研究涉及的數據類型多樣、來源豐富，既有空間數據，又有關系數據。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與其他的水運信息系統進行集成，實現多種航運業務系統的數據共享和統一管理。因此，如何實現多源異構數據的互連互通，確保信息在系統間的交互就成為關鍵問題。通過采用大數據庫系統，將大規模、物理分布的、異構的數據資源連通形成一個虛擬的數據資源中心，并提供統一的數據標準和訪問接口，支持對數據源的透明訪問。大數據庫系統通過數據的虛擬化，實現分布數據源的自主接入及屏蔽數據源的分布、異構特性。數據源通過封裝器封裝后，注冊到系統中，形成具有統一形態的虛擬表，在不移動數據源的物理位置的前提下，形成一個整合的、統一數據標準的單一虛擬數據庫。

4 結語

航運GIS軌跡采集與分析研究是通過運用GPS、GIS、AIS和ZigBee等技術構建自組網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和仿真技術對信息進行可視化的分析和處理，最終實現監控船舶行駛狀況，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]