長(zhǎng)江電子航道圖系統(tǒng)下的可航水域動(dòng)態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型及算法

施俊羽 馬志云

摘 要：在水運(yùn)事業(yè)不斷發(fā)展的過程中，要求完善航道測(cè)繪技術(shù)支持，使航道測(cè)繪精準(zhǔn)性得到提高。隨著測(cè)繪專業(yè)技術(shù)水平的提高，航道測(cè)試中使用的技術(shù)在持續(xù)更新。在長(zhǎng)江航道測(cè)繪過程中使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，從而使測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)度得到提高，滿足多種環(huán)境需求，以少量設(shè)備實(shí)現(xiàn)測(cè)繪工作。因此，本文對(duì)此方面進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江航道;航道測(cè)繪;大數(shù)據(jù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U612.2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0150-02

傳統(tǒng)航道測(cè)繪工作大部分都是使用測(cè)深儀、全站儀等儀器進(jìn)行作業(yè)，并且使用手工方式繪制圖紙，需要的儀器數(shù)量比較多，并且難度高，工藝復(fù)雜，無法對(duì)測(cè)繪結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)性進(jìn)行保證，工作進(jìn)程慢。目前，在航道測(cè)繪過程中使用數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)，能夠使工作效率得到進(jìn)一步的提高，通過更多的精力和時(shí)間得到高精度測(cè)繪結(jié)果。作為航道管理基礎(chǔ)，能夠促進(jìn)航道運(yùn)輸行業(yè)的持續(xù)發(fā)展[1]。

1大數(shù)據(jù)的概念

大數(shù)據(jù)指的是無法在可承受時(shí)間范圍中使用常規(guī)軟件工具管理、捕捉、處理的數(shù)據(jù)集合，要通過全新處理模式才具備較強(qiáng)決策力、流程優(yōu)化能力、強(qiáng)決策力的高增長(zhǎng)率、海量信息資產(chǎn)。

在長(zhǎng)江航道測(cè)繪中使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)據(jù)收集為重點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過形式方式包括非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，復(fù)雜非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)占據(jù)數(shù)量總量80%。要能夠精準(zhǔn)地描述河床地形、水文、航標(biāo)燈構(gòu)成航道基本要素，并且使用大量圖片、文本、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。基于傳統(tǒng)方式，水文數(shù)據(jù)是通過人工方式利用水尺測(cè)報(bào)，存在滯后性。河床地形是通過測(cè)繪人員測(cè)繪，航標(biāo)要和河床地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、船舶航行特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。在未來智能化航道發(fā)展過程中，利用水文傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，利用河床地形傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)河床地形數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。另外，創(chuàng)建大數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)無線或者有線網(wǎng)絡(luò)使收集的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)氣象部門、水利部門等信息進(jìn)行整合，從而為智能航道的動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支持[2]。

將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到航道測(cè)繪過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)提高資料管理的效果和繪圖的精準(zhǔn)度，并且使工作滿足計(jì)算機(jī)化的需求。比如，在航道測(cè)繪過程中使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠利用計(jì)算機(jī)圖紙實(shí)現(xiàn)后續(xù)設(shè)計(jì)、修改和修正，從而得到最佳的設(shè)計(jì)方案，使其成為工程施工依據(jù)。針對(duì)航道測(cè)繪來說，會(huì)產(chǎn)生大量野外數(shù)據(jù)和繪圖，全部數(shù)據(jù)資料都具備實(shí)用性，要對(duì)其開展可靠管理。和傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)對(duì)比，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠利用數(shù)據(jù)庫方式對(duì)數(shù)據(jù)安全性和完整性進(jìn)行保證，使外部因素對(duì)數(shù)據(jù)資料的影響降低。目前，航道工程大部分都是使用1：1200航測(cè)圖，但是因?yàn)闀r(shí)間跨度比較大，無法將現(xiàn)有航道地貌、標(biāo)志物展現(xiàn)出來，提高了航道規(guī)劃和管理的難度。另外，大部分航道疏浚工程、護(hù)岸工程使用施工圖比為1：1000，和實(shí)際情況存在偏差，提高了工程難度。數(shù)據(jù)化測(cè)圖技術(shù)能夠使此問題得到解決，將原本1：2000航測(cè)圖通過全站儀全站補(bǔ)測(cè)、調(diào)整、修改，得到和實(shí)際情況相同的地形圖，對(duì)比例尺重新測(cè)定，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化護(hù)理，得出1：1000地形圖，保存數(shù)據(jù)圖形，使其作為高精度地形圖，從而滿足工程建設(shè)的實(shí)際需求[3]。

2基于大數(shù)據(jù)的航道動(dòng)態(tài)計(jì)算模型

2.1長(zhǎng)江航運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

長(zhǎng)江航運(yùn)系統(tǒng)包括船舶交通管理系統(tǒng)、航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)、船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、水上應(yīng)急系統(tǒng)、內(nèi)河船舶導(dǎo)航系統(tǒng)等。目前航道系統(tǒng)已經(jīng)創(chuàng)建了中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫，融合港口數(shù)據(jù)庫、船舶數(shù)據(jù)庫、航道通告數(shù)據(jù)庫、航線數(shù)據(jù)庫等，能夠創(chuàng)建大數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)架構(gòu)，基于現(xiàn)有架構(gòu)利用集中式數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程。

2.2集中數(shù)據(jù)挖掘模型

單一數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫為數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)較為成熟的技術(shù)[4]，圖2為數(shù)據(jù)挖掘的體系結(jié)構(gòu)。

2.2.1用戶界面和知識(shí)表示層

利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和良好用戶界面能夠?qū)⑼诰蚪Y(jié)果展示出來，使系統(tǒng)實(shí)用性得到提高。目前可視化技術(shù)主要包括SOM網(wǎng)可視化技術(shù)、幾何學(xué)方法、平行坐標(biāo)系技術(shù)等。在數(shù)字航道中，不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的可視化預(yù)測(cè)性報(bào)告，基于現(xiàn)有數(shù)字航道業(yè)務(wù)，形成深入且有價(jià)值的報(bào)告。

2.2.2知識(shí)評(píng)價(jià)和知識(shí)庫層

在對(duì)用戶呈現(xiàn)挖掘結(jié)果前，利用知識(shí)評(píng)價(jià)能夠?qū)o用、冗余的挖掘結(jié)果進(jìn)行去除，使系統(tǒng)可用性得到提高。數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的知識(shí)模型通過評(píng)價(jià)后在知識(shí)庫中存儲(chǔ)使用，以此為數(shù)據(jù)挖掘提供統(tǒng)一定義和標(biāo)準(zhǔn)，使模型可重用性得到提高[5]。

2.2.3挖掘?qū)?/p>

此層為系統(tǒng)核心，對(duì)不同類型模型提出不同實(shí)現(xiàn)算法。為了使系統(tǒng)可擴(kuò)展性得到提高，大部分系統(tǒng)都使用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘算法和管理。組件指的是應(yīng)用系統(tǒng)中能夠明確辨認(rèn)且具備功能構(gòu)成模塊，便于在系統(tǒng)中使用。

2.2.4控制層

控制層在控制系統(tǒng)執(zhí)行流程中使用，對(duì)各功能部件關(guān)系與執(zhí)行順序進(jìn)行協(xié)調(diào)，比如數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)的解析，以任務(wù)解析結(jié)果對(duì)任務(wù)所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，分析要使用那種數(shù)據(jù)挖掘算法。利用數(shù)字航道系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，構(gòu)成執(zhí)行流程，及時(shí)發(fā)布通知，分析氣象、水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)流程使預(yù)測(cè)分析報(bào)告及時(shí)利用不同方式對(duì)負(fù)責(zé)人通知，以預(yù)測(cè)結(jié)果套用業(yè)務(wù)流程模板從而執(zhí)行流程。

2.2.5數(shù)據(jù)源層

為了使數(shù)據(jù)完整性與一致性得到提高，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘前要在數(shù)據(jù)源中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)清理并且集成，充分使用數(shù)據(jù)庫中匯總、查詢等數(shù)據(jù)處理功能，降低數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)開發(fā)的壓力，使系統(tǒng)效率得到提高。目前，數(shù)字航道各業(yè)務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)成數(shù)據(jù)倉庫，將臟數(shù)據(jù)清洗掉，使結(jié)果對(duì)業(yè)務(wù)部門反饋，通過部門決定是否刪除此數(shù)據(jù)[6]。

2.3奧維地圖的使用

2.3.1對(duì)地形地貌考察

在對(duì)長(zhǎng)江航道地形測(cè)繪過程中，通過奧維地圖衛(wèi)星影像能夠?qū)⒀鼐€地勢(shì)情況表現(xiàn)出來，從而對(duì)待測(cè)區(qū)域地形地貌有直觀、清楚的認(rèn)知，提前得到測(cè)量側(cè)重點(diǎn)和難點(diǎn)提供技術(shù)保證，對(duì)工程施工作業(yè)部署是非常有利的。針對(duì)因?yàn)槁窙r地形不熟或者道路隱秘?zé)o法尋找通往沿岸待測(cè)區(qū)域，通過指路功能能夠在影像中畫處良好途徑，利用移動(dòng)終端跟隨已經(jīng)畫出的路徑，到待測(cè)區(qū)域快速導(dǎo)航。

2.3.2輔助成圖質(zhì)檢

利用在奧維地圖中導(dǎo)入工程區(qū)，對(duì)影響和測(cè)圖路域區(qū)域，通過奧維地圖進(jìn)行框定標(biāo)記，使有框定存在區(qū)域的問題導(dǎo)出CAD格式，以此為外業(yè)測(cè)繪人員復(fù)查核實(shí)提供平面位置和直觀圖，提高成圖質(zhì)量[7]。

2.3.3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄

利用GPS導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)勘軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，對(duì)通往不容易發(fā)現(xiàn)小路、測(cè)繪范圍、標(biāo)志性地物的位置進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和標(biāo)記。通過與云端同步對(duì)象，對(duì)比測(cè)圖和影像不同的標(biāo)記，在云端中上傳，外業(yè)測(cè)繪人員利用移動(dòng)端能夠?qū)υ贫撕糜逊窒淼膬?nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)查看并且下載，及時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，并且協(xié)同測(cè)繪，使成圖質(zhì)量和工作效率得到提高。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析

因?yàn)閿?shù)據(jù)量比較大，和航道主體相關(guān)的水位信息數(shù)據(jù)、航標(biāo)信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)等都升級(jí)到PB級(jí)別。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器屬于系統(tǒng)性能瓶頸，還是安全性、可靠性的重點(diǎn)。所以，智能航道要?jiǎng)?chuàng)建分布式航道數(shù)據(jù)庫，使巨量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求得到滿足。另外，因?yàn)楝F(xiàn)代數(shù)據(jù)處理能力瓶頸，要?jiǎng)?chuàng)建高效在線數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)處理平臺(tái)，使智能航道大數(shù)據(jù)處理從離線分析朝著在線分析進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使實(shí)時(shí)處理需求得到滿足[8]。

3結(jié)語

在長(zhǎng)江航道測(cè)繪過程中使用數(shù)字化技術(shù)，能夠可靠保存數(shù)據(jù)資料，實(shí)現(xiàn)繪圖數(shù)字化處理，在調(diào)整、修改等方面更加方便，為航道的創(chuàng)建和管理提供依據(jù)。

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