基于北斗導航的西江航道GIS集成系統研發探析

文竹

【摘 要】本文論述基于北斗導航的西江航道GIS集成系統研發，提出基于北斗的高精度導航定位技術和圖像處理技術，聯合空間地理信息、無人機航拍基礎數據處理、模式識別等信息技術，建立西江航道GIS集成系統，實現船舶的系統化管理和自動化處理，并對航標、航道工作船、船閘、水位等進行實時監控管理，以建立智能化、科技化的航道管理體系，提升航道管理水平。

【關鍵詞】北斗導航 GIS系統 大數據集群 BigDL

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05C-0186-03

西江流域位于國家“一帶一路”、珠江—西江經濟帶建設的腹地，是西南經濟欠發達地區豐富礦產資源東運和出海唯一的水上通道，也是該地區與泛珠三角、東盟國家開放和合作的重要物流通道。隨著國務院批復《珠江—西江經濟帶發展規劃》，發展西江流域航運的戰略地位進一步提升，廣西提出了以干線航道為重點、以干支流航道為輔助，擴大高等級航道網絡，拓展港口規模和完善港口功能，提高船舶標準化和現代化水平的建設目標。然而，隨著目前西江航道上通航的大噸位船舶數量不斷增加，航道管理信息化水平薄弱、管理成本急劇增加等問題日趨嚴重。升級改造當下的航道管理體系、解決航道智能化管理、提升內河航道管理效率成為航運企業和政府管理部門緩解通航壓力的重要途徑。因此，建設基于北斗導航的西江航道GIS集成系統，集成現有業務監管功能，實現精準報到、調度排檔、高精度閘室導航管理、航道級定位導航、可視化調度管理等操作具有非常重要的意義。本文研究基于北斗的高精度導航定位技術和圖像處理技術，聯合空間地理信息、無人機航拍基礎數據處理、模式識別等信息技術，建立西江航道GIS集成系統，實現船舶的系統化管理和自動化處理，并對航標、航道工作船、船閘、水位等進行實時監控管理，以建立智能化、科技化的航道管理體系，提升航道管理水平。

一、航道GIS集成系統設計

（一）系統總體架構

本集成系統以西江航道為研究對象，以基礎地形圖和各類航道相關數據要素為基礎，以航道相關地理信息的空間數據和屬性數據為核心，利用北斗高精度定位、地理信息系統（GIS）、數據庫、多傳感器融合等多技術集成應用構建基于北斗導航的西江航道GIS集成系統。

系統總體架構如圖1。

1.用戶終端層。用戶可通過固定終端（如PC、瀏覽器等），移動終端（手機、平板電腦等）及監控中心對應用服務進行訪問。

2.應用層。以信息數據資源為支撐，對應用業務進行定義、設計和分類管理，主要包括航道GIS系統和船舶監控管理系統的應用服務，并聯合兩個系統應用實現高精度圖形化調度管理、精準閘室導航管理、精準調度績效評估服務管理等功能。

3.服務層。服務層在數據層的基礎上，對系統數據信息進行分析、處理，為應用層提供空間數據分析服務、航道基礎數據分析服務、航道通航數據服務、精準閘室導航管理服務、北斗定位導航服務、數據應用服務、圖形化調度管理服務、北斗高精度船載終端應用服務等功能。

4.數據層。數據層為地理空間信息數據、航道基礎數據、流域航道分布數據、航道船舶流通量數據等信息提供數據存儲和管理功能。

5.設施服務層。主要負責對接基礎設施，提供操作系統、數據存儲服務、數據庫服務和數據處理服務。

6.基礎設施。提供包括主機、北斗終端、無人機設備、服務器、網絡設備、存儲設備、高精度CORS基站等的接入服務。

7.接口服務。（1）提供數據接口橋連接數據層和服務層，為服務層提供信息服務。（2）提供系統接口支持WEB Service、GIS二次開發包等多種方式服務，為應用層提供服務接口。（3）外部系統集成接口為集成系統與GIS 電子地圖應用提供直接的數據交換和共享接口，接入相關的行業管理部門系統實現西江流域航道數據共享和監控管理。

（二）數據庫設計

形成以地理空間信息數據、閘室基礎數據、船舶基礎數據、航道基礎數據、流域航道分布數據、航道流量數據和航道通航數據等為主的信息數據庫建設。

數據庫結構圖如圖2所示。

1.地理空間信息數據。包括船舶、航標位置信息、水位、水流量、環境、氣候等。

2.閘室基礎數據。包括閘室地圖、閘室長寬度、面積以及水位等參數信息。

3.船舶基礎數據。包括船舶編號、船主信息、船舶類型、船舶噸位、貨運量情況、是否空載、船舶航行基礎路線等信息。

4.航道基礎數據。航道基礎數據庫主要包括航道的一些基本的數據信息，主要有航道、航段、航標、碼頭、船閘等數據信息，采用無人機航拍模式獲得高精準航道基礎地圖，為船舶的精準報到、調度排擋和高精度閘室導航管理等提供數據依據。

5.流域航道分布數據。主要存儲西江流域各個航道、船閘的分布情況，包括各個航道的位置信息、長度、分布點等數據。

6.航道船舶流通量數據。定時記錄船舶在航道的流通量，形成以天、周和月為單位的航道船舶流通量報表。

二、系統功能設計

（一）航道GIS管理系統設計

本項目建設航道GIS系統，用以顯示航道矢量電子地圖，以各系統的數據集成應用，在GIS地圖上顯示各系統狀態及屬性，并實現航道數據管理。包括：（1）分圖層管理，包括對區域面積、水域、航道、船閘、港口碼頭等進行分圖層管理。（2）專題圖，形成航標專題圖、航道水文信息統計專題圖、流域面積統計專題圖等。（3）航道最優路徑，航道規劃和路線選擇依托GIS提供的最近路徑分析功能提供最優路徑參考，形成航道路線專題圖。（4）航道基礎信息管理，包括航道基礎地理信息管理和更新、航道公共地理信息和航道交通信息管理和更新等，對行業管理部門提供可視化的航道岸線、船舶、地貌等信息，提供各種地圖疊加處理業務應用，對公眾發布可視化航道交通信息。（5）GIS可視化查詢，基于GIS技術建立系統屬性數據與空間數據的一一對應關系，實現信息的可視化查詢與分析，包括了流域面貌、航道信息、點位信息、剖面圖及分析結果等查詢。

（二）船舶監控管理系統

本項目建設船舶監控管理系統，為用戶提供web端、移動客戶端等使用平臺。系統依托GIS強大的空間數據處理能力，配套北斗高精度船載終端實現航標和船舶的實時定位，其位置信息實時顯示在GIS電子海圖上，由監控中心接收和分析定位數據信息，辨別航標是否存在故障，并對航標、航道工作船、船閘、水位、船舶排隊、調度、船舶航行情況等進行實時監控管理。

船舶監控管理體系由監控中心、船舶監控管理系統、集成設施支撐、數據庫支撐和航道GIS管理系統共同組成，主要包括：（1）定位監控，通過北斗高精度船載終端實現定位功能，對登記在系統內的西江航道船舶以及航標進行實時定位顯示，同時提供包括位置、航向、航速、時間等船舶位置信息、航標位置信息，使定位精度達到亞米級。（2）船舶調度管理，對船舶排隊過閘、多級船閘聯合調度進行監控管理。（3）軌跡查詢，可以回放船舶航行的軌跡，保存航行歷史數據，規范管理船舶。（4）預警監控，針對船舶航行狀態變化、船舶偏離既定軌跡航行等突發情況進行實時監控預警，由監控中心對船舶發生的事件以短信方式發送預警信息到相關人員手機通知相關人員處理或者預警。（5）船舶動態跟蹤，對船舶位置、航行通導、運行狀態、離靠港等信息進行動態監測，可視化顯示在GIS平臺上。（6）GIS電子海圖，形成以長洲船閘為示范區域的GIS電子海圖，將位置信息、航道軌跡、船舶動態等信息可視化顯示在GIS電子海圖上。

三、關鍵技術

本系統使用無人機航拍大量航道圖片，服務器內部有海量的（數萬張以上）航道圖片存在于主流的分布式開源數據庫里，因此如何高效地在大規模分布式環境下進行數據檢索和處理，是本系統處理相關數據和圖片特征提取流水線一個關鍵的問題。現有常用的基于CPU的方案在解決上述問題需求中面臨著另外一些挑戰：（1）數據下載耗費很長的時間，基于CPU的方案不能很好地對其進行優化。（2）針對分布式開源數據庫中的圖片數據，CPU方案的前期數據處理過程很復雜，沒有一個成熟的軟件框架用于資源管理、分布式數據處理和容錯性管理等。（3）因為CPU軟件和硬件框架的限制，擴展CPU方案去處理大規模圖片有很大的挑戰性。

由于大量使用到相似圖片檢索、去重、圖像特征提取等過程，而海量圖像數據已被存儲在大數據集群里（分布式數據庫存儲），我們嘗試過在多機多CPU卡、CPU集群上分別開發并部署特征抽取應用，但存在比較明顯的缺點，如在CPU集群中，以CPU卡為單位的資源分配策略非常復雜，資源分配容易出問題；如剩余顯存不夠而導致OOM和應用崩潰；另外在單機情況下，相對集群方式，需要開發者手動做數據分片、負載和容錯。類似的問題使得在設計本系統時我們放棄了傳統的框架模式而選擇BigDL框架。

BigDL框架是在Spark上的一個分布式深度學習框架，提供了全面的深度學習算法支持。BigDL借助Spark平臺的分布式擴展性，可以方便地擴展到上百或上千個節點。同時BigDL利用了Intel? MKL數學計算庫以及并行計算等技術，在Intel? Xeon? 服務器上可以達到很高的性能，計算能力可取得媲美主流CPU的性能。

在我們的系統場景中，BigDL為支持各種模型（檢測，分類）進行定制開發；模型從原來只適用于特定環境移植到了支持通用模型（Caffe，Torch*，TensorFlow*）BigDL大數據環境；整個pipeline全流程獲得了優化提速，處理流程如下：（1）使用Spark從分布式開源數據庫中讀入上萬張原始圖片，構建成RDD；（2）使用Spark預處理圖片，包括調整大小，減去均值，將數據組成Batch；（3）使用BigDL加載SSD模型，通過Spark對圖片進行大規模、分布式的目標檢測，得到一系列的檢測坐標和對應的分數；（4）保留分數最高的檢測結果作為主題目標，并根據檢測坐標對原始圖片進行裁剪得到目標圖片；（5）對目標圖片RDD進行預處理，包括調整大小，組成Batch；（6）使用BigDL加載DeepBit模型，通過Spark對檢測到的目標圖片進行分布式特征提取，得到對應的特征；（7）將檢測結果（提取的目標特征RDD）存儲在HDFS上。

整個數據分析流水線，包括數據讀取、數據分區、預處理、預測和結果的存儲，都能很方便地通過BigDL在Spark中實現。在現有的大數據集群（Hadoop/Spark）上，不需要修改任何集群配置，即可使用BigDL運行深度學習應用。并且，BigDL利用Spark平臺的高擴展性，可以很容易地擴展到大量的節點和任務上，因此極大地加快數據分析流程，從而實現快速的圖片特征提取。

總之，研究基于北斗高精度的過閘圖形化調度管理應用系統對西江航運的發展具有非常重要和積極的意義，聯合航道GIS系統直觀顯示船舶精確位置、實現排隊船舶的位置定位情況及船舶進閘可視化管理。該系統投入使用后，企業每年可提高自身生產效率、節約營運成本等，能帶動整個西江流域經濟裙帶發展，增強西江集團水運物流智能化管理，為西江領域的經濟建設譜寫新篇章。

【參考文獻】

[1]楊邦杰，等.西江流域航運問題淺析及對策建議[J].中國發展，2015（15）

[2]何波.GIS在航道管理中的應用分析[J].城市建設理論研究（電子版），2013（3）

[3]劉俊濤，等.基于GIS和3D技術的西江航道信息系統[J].水利科技與經濟，2012（18）

【基金項目】2017年廣西壯族自治區科技計劃立項項目“基于北斗導航的西江航道GIS集成系統研發及示范應用”（2017AB53040）

【作者簡介】文 竹（1982— ），女，苗族，貴州思南人，廣西國際商務職業技術學院軟件技術專業負責人，講師，重慶大學2007級計算機技術專業碩士研究生。

（責編 王 一）