基于北斗的船舶監控管理服務系統研究

董晶晶　付永恒　余鑫　張勝利

摘要：本文從技術實現角度出發，深入研究用戶需求，將北斗與其他系統結合，深入研究了基于北斗的船舶監控管理服務系統，該系統實現了船舶位置監控、態勢展示，并支持基于北斗的快速高效應急指揮調度及增值信息發布，可有效提升漁業海事部門信息化管理水平。最后，針對北斗衛星導航定位系統在通航監管、應急搜救、船舶避碰等方面的應用前景進行了分析與展望。

關鍵詞：北斗衛星導航定位系統;船舶監控;服務系統

中圖分類號：U675.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0116-03

0 引言

近年來，隨著國家海洋強國戰略的穩步推進，我國對發展海洋經濟、提升海洋資源開發能力、保護海洋生態環境、解決重大海洋問題都提出了更高的要求。船舶是海洋戰略的重要載體，是海洋科技的重要體現，對于建設海洋強國、維護國際海洋秩序都有著極為重要的意義。但是，隨著我國船舶種類、數量、水域交通密度、運輸貨物量的不斷增加，海損事故時有發生，對海洋產業、海洋生態及國際海洋高地的爭奪都產生了不良的影響。因此，如何使船舶調度管理更加合理、高效，如何進一步提高海事管理的信息化、智能化水平，都是管理層面亟待考慮的問題。

目前，管理部門主要利用船舶交通管理系統（VTS）對所屬船舶進行實時監控管理，為船舶避碰、交通形勢變化響應、安全信息發布提供了有效的技術手段。但是，該系統本身存在一定缺陷：首先監控距離有限，僅能近海使用;其次AIS基站、雷達等受距離和氣象條件影響大，通信效果無法保障。為破解這些難題，具備全天時、全天候的定位、定時和通信能力，并具有集群指揮功能的北斗衛星導航系統，無疑為船舶監控管理和消息發布提供了行之有效的技術思路。

針對船舶監控的特點，本文主要對基于北斗衛星導航定位系統的船舶監控系統進行了深入的研究。通過原型系統的實際應用，驗證了系統結構的合理性及系統的可靠性?？梢灶A見，系統投入運行可有效保障船舶航行安全，助力海洋強國戰略發展，應用前景廣闊。

1 北斗衛星導航定位系統

北斗衛星導航定位系統是我國軍民共用的重要基礎設施，除了具備基礎的導航定位和精密授時功能外，還向網內用戶提供短報文通信功能，特別適合無地面通信網絡支持的海上應用。

總的來說，我國北斗衛星導航定位系統具有以下幾大優勢：

（1）具備RDSS定位和短報文通信功能，特別適用于無地面網絡支持的海上用戶，符合其通信定位結合的使用模式;

（2）具備全天時、全天候的服務能力，不受氣象和距離條件限制;

（3）具備指揮集群應用服務能力，可同時解決定位及報位需求，對所屬用戶規模、種類無限制，適合管理部門使用;

（4）自主控制，安全穩定，保密性好。

2 基于北斗的船舶監控服務系統

結合北斗系統特點，針對船舶監控應用需求，本文對基于北斗的船舶監控服務領域所涉及的關鍵技術進行了重點研究，并進行了原型系統的設計及實現。

原型系統以高清衛星影像金字塔、二維瓦片化矢量地圖和數字高程模型等地理信息數據為基礎，以實現船舶位置監控為核心，構建二/三維同步聯動、界面友好，實時、直觀反映監控目標態勢的監控系統，同時，對AIS、RFID及地面移動通信網絡技術進行集成融合，綜合其他方式定位船舶的數據信息，以圖形可視化方式為用戶提供船舶位置查詢、統計分析，方便用戶掌握船舶實時動態信息。此外，系統還支持報警響應、碰撞警告、救援搜救等業務，提供基于輿情、態勢分析的輔助決策信息，可有效提高管理部門對所轄船舶指揮控制、監控管理能力以及信息化水平。

2.1 船舶監控管理服務系統組成

原型系統組成如圖1所示。主要分為以下幾個部分，部署在船舶監控管理部門的信息服務中心（可實現基于地面專線（或北斗指揮機）的數據處理存儲，以及基于地理信息服務的可視化融合展示），船載終端設備（包括北斗用戶終端，北斗＼GPS雙模終端，AIS、RFID設備等），以及地面移動通信網絡。

2.2 船舶監控管理服務系統關鍵技術

2.2.1 海洋綜合信息的數據融合

基于北斗的船舶監控管理服務系統中使用的數據主要包括海洋地理信息，海事管理信息，氣象、海況信息，船舶位置及作業狀況信息等。其中，海洋地理信息則包括了海圖數據、地形數據、三維地理空間數據、三維模型數據等多源地理信息數據;船舶位置除可從北斗系統終端獲取外，還應集成GPS，AIS等系統數據，以提高系統可用度及完好性。

因此，數據融合研究重點在于多尺度，多源地理空間數據的融合顯示以及解決在以北斗衛星定位數據同時兼顧其他信息系統的數據集成上。主要是進行時空基準統一、數據格式轉換、數據粒度轉換以及轉換規則設計等等。

2.2.2 與移動通信網絡的互通

移動通信網絡可支持近海范圍內船舶的通信需求，但無法滿足遠洋航行船舶的信息傳遞。因而，將北斗系統與移動通信網絡結合，可擴大信息的傳輸范圍，更加有效的滿足海上目標與地面的通信需求。

2.2.3 北斗與其他系統的數據融合

船舶監控管理服務系統除使用北斗衛星導航定位系統數據外，還應集成GPS、AIS、射頻識別系統等多系統數據，以提高系統的可用性及完好性。這就要求在船舶監控管理服務系統設計的過程中，要充分考慮各個系統之間的數據整合，合理設計數據庫結構，最大限度利用各輔助信息系統的數據，充分發揮各系統優勢。

此外，系統界面設計要布局合理，內容緊湊，將用戶關心的數據完整全面的反應出來，方便管理部門決策使用。

2.3 船舶監控管理服務系統功能及實現

通過研究國內外已有的船舶監控系統并結合我國海事監控特點，設計了具有如下圖2結構平臺結構。

基于北斗的船舶監控管理系統主要包括以下幾個主要的系統功能模塊：多源地理信息融合及可視化模塊、船舶定位及信息采集模塊、報文及移動通信互聯模塊、用戶及設備管理模塊、指揮調度模塊、增值服務模塊。

為進一步提升系統的擴展性和可移植性，提升系統穩定性，功能模塊采用Docker容器進行封裝，基于微服務架構設計支撐服務平臺，采用容器集群管理與監控平臺對服務進行可視化管理，方便用戶對服務平臺內的服務狀態進行實施監控和批量化處理。功能之間相互獨立封裝，形成良好的接口調用關系，最終形成一系列功能劃分清晰，相互關系明確，同時又接受統一管理調度的應用系統。

由于系統需要接入多源地理信息數據、設備報位數據及運行管理相關數據，因此在數據存儲設計上，需要采用多種形式進行數據管理。本系統需要接入的數據主要為基礎地理信息數據（矢量數據、影像數據等），該類數據體量大、類型多樣、結構復雜，主要用于態勢顯示背景底圖。為提高顯示性能，地理信息數據處理為供顯示使用的OGC緊湊型柵格瓦片格式、VDT高性能矢量數據格式和供查詢分析用的GSF數據，存儲方式主要為文件存儲。船舶實時位置數據與歷史數據主要存儲北斗位置信息與短報文信息，數據特點是實時引接、并發量大，考慮以上數據特點，使用SSDB數據庫進行存儲。對于設備信息、日志數據、用戶關系數據等非空間信息數據，主要根據其數據量、數據特點分別使用NoSQL、MySQL及文件相結合的方式進行存儲管理。

系統運行三維界面如圖3所示。

系統通過地理信息功能模塊可提供常用的公開數據格式地圖數據及海圖數據的操作顯示;可以集成使用常用格式的幾種形式地圖數據，包括影像數據地圖，矢量數據地圖等;可進行二三維地圖一體化顯示切換，系統運行二維界面如圖4所示，具備一般地理信息系統支持的各類功能，如地圖顯示、放大、縮小、漫游、測距、選擇、區域范圍規劃等操作。

系統可實時顯示所屬船舶的航行速度、方位、狀態，并對所接收的報文、求救及告警等各種信息進行統一顯示。為管理部門提供位置查詢、地理信息服務、常用統計分析以及基于態勢、輿情的輔助決策信息?？蓪崿F基于地理信息的報警區域設置及區域報警功能，支持管理部門通過北斗鏈路向船載終端設備發布指令。此外，通過打通北斗與移動通信網絡的互聯，實現北斗短信與手機電文互通，進一步提升系統的應用效率和管理信息化水平。

同時，系統可為海上用戶提供報警信息響應、臺風氣象預告、航線規劃、險情通報等增值服務功能，為船舶遇險搜救提供技術手段，有力保障船舶航行安全。

3 結論與展望

本文的研究目標是適應國家海洋強國戰略，為海事機構提供船舶安全管理信息化、智能化建設思路。本文研究的基于北斗的船舶監控管理系統，通過將北斗和其他輔助信息系統結合，實現各系統優勢聯合，補齊短板，有力保障了近海、遠洋的船舶航行安全。系統技術先進，綜合性強，較為實用，經實地試用，基本滿足管理部門對所轄船舶的監控管理和決策支持要求。

后期，隨著我國對發展海洋經濟、提升海洋資源開發能力、保護海洋生態環境、解決重大海洋問題等需求的逐步深入，船舶安全管理應用前景將愈加廣闊。本文旨在提出一個行之有效的系統研制建設方案，后期各管理部門可根據具體需求，在本系統所提供解決方案的基礎上，進一步研制符合自身需求功能模塊，尤其是在通航監管、應急搜救、船舶避碰等領域的個性化功能模塊，對系統功能進行擴展，從而形成更加高效、全面并行之有效的信息化解決方案。

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Study of Shipping Monitoring and Management System Based on COMPASS

DONG Jing-jing， FU Yong-heng， YU Xin， ZHANG Sheng-li

（Beijing Satellite Navigation Center， Beijing? 100094）

Abstract：The functions of the COMPASS navigation and communication system in the marine management application were presented. Furthermore， combined with other systems like mobile communication system， GPS and so on， we researched and designed a shipping monitoring and management system. Running this system can realize the ship location and communication， inquire about the basic information， real-time monitoring， management etc. It can provide an effective managing idea for the maritime bureau， COMPASS will have a wide range of application prospect in shipping supervision， marine search and rescue， ship collision avoidance and the marine investigation and management.

Key words：COMPASS; shipping monitoring and management;service system