北斗定位在內河疏浚船舶管理中的研究與應用

鄭文怡，章哲顏，陳云飛

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120)

在航道疏浚施工過程中，及時掌控船隊所有船舶的施工狀態與整體施工進度是工程管理的重點和難點[1]，可靠的船舶位置數據來源是實現疏浚施工智能管理的基礎。目前內河船舶定位數據來源有AIS數據和船載衛星定位模塊。

在內河疏浚施工項目中直接使用AIS定位數據存在局限性：1)無法保證部分AIS數據的定位精度(圖1)。部分船載AIS設備可能依然采用單點定位，定位精度較低，無法滿足工程分析的需求。2)無法保證AIS定位數據的頻率(圖2)。由于內河AIS基站數量減少，同時內河水域航道地形復雜、跨河臨河建筑物對AIS信號衰減產生很大影響[2]，造成AIS船臺定位數據回傳頻率不穩定，數據傳輸丟包率較高，最終導致船舶軌跡不連續或缺失，無法滿足管理對于船舶實時監控和分析的要求。

圖1 AIS定位精度低導致數據點漂移

圖2 AIS數據頻率低導致軌跡點丟失

北斗衛星導航系統是我國建設運行的全球定位系統，北斗定位技術在遠海施工[3]、船舶監控[4]和內河航運監管[5-6]等方面均已得到成功應用，但在內河疏浚施工中的應用較少。本文將北斗定位技術應用到內河疏浚施工船舶管理中，避免了直接使用內河AIS數據可能導致的問題(圖 3)，將定位數據的精度提高到亞米級，數據傳輸頻率提高到秒級。同時借助智能算法和GIS(地理信息系統)空間分析技術，在管理業務上開展了自動化監管功能的研究。研究成果提高了管理效能，實現了內河疏浚船舶管理的精細化、智能化，使疏浚船舶最大限度地發揮其生產效益。

圖3 使用北斗定位模塊采集得到的平滑軌跡

1 北斗定位的應用

1.1 定位數據的傳輸

與AIS使用的廣播式窄帶通訊系統不同，北斗定位模塊在城市中使用GSM數字移動通訊網進行信號傳輸。城市中GSM具有廣泛的覆蓋范圍和良好的穩定性，同時因為技術成熟、具有較好的經濟性，對于內河船舶信號通訊是一種較好的解決方案。

通過移動網絡(2G/4G/5G)，定位模塊在互聯網上與接收服務器建立端到端的信號傳輸通道，只要保證二者的網絡連接就可將通訊頻率維持在秒級，大幅提高數據的傳輸效率。

云端服務器在接收到定位模塊信號后將依據JT808協議[7]與其建立TCP長連接，進行雙向通信。同時，服務器將信號解析后可獲得位置數據并錄入數據庫。雙向通訊流程為：

1)建立連接。定位模塊首先發送終端注冊信息，服務器接收到注冊信息后回復平臺注冊應答，表明連接建立。此時可對設備信息進行判斷，若數據庫中無此設備相關信息則將新設備錄入數據庫。終端接收到注冊應答后將立即發送終端鑒權信息，服務器回復平臺通用應答，完成鑒權后定位模塊準備發送定位數據。

2)維持連接。定位模塊根據設備設定的時間間隔定時發送位置數據，服務器回復平臺通用應答。此階段服務器將進行位置數據入庫，并對重復的數據進行過濾。在沒有數據包傳輸時，定位模塊會周期性向服務器發送終端心跳信息以維持通訊連接，服務器回復平臺通用應答。定位模塊若未接收到平臺應答將主動再次發送數據，確保數據不會遺漏，直到接收到應答或連接斷開。

3)斷開連接。定位模塊和服務器均可主動斷開連接。

由于施工船隊通常有多條船舶，意味著服務器要同時與多臺北斗終端進行數據通訊。考慮到這種高并發問題以及數據實時采集所需的低延遲要求，采用Netty框架開發通信服務器。Netty使用了IO多路復用技術，能夠在同一線程中處理多條消息的收發，在減少計算機資源消耗的同時具備更高的吞吐量，從而實現高并發訪問，滿足數據采集的開發要求[8]。

1.2 定位數據的存儲

由于定位模塊數據上傳頻率很高，并且船舶數量眾多，因此定位數據的體量將非常龐大。定位數據有如下特點：1)帶有時間屬性，數據量不斷遞增；2)以新增為主，無更新、刪除操作；3)數據存儲寫入并發高。這樣的數據稱為“時序數據”，常規的關系型數據庫對于大量的時序數據處理能力較低，為了提高數據庫的讀寫與存儲能力，采用阿里云的時序數據庫(TSDB)來存儲定位數據。

原始位置數據錄入TSDB后，定時從TSDB中拉取位置數據做抽稀處理。因為定位模塊的采集頻率高(最高可達1 s)，而管理平臺需要的頻率只需維持在30 s即可，因此將數據抽稀后再寫入業務數據庫中，再基于業務數據庫提供船舶實時位置與歷史軌跡查詢的服務，供管理平臺使用。圖4為本文北斗定位數據的采集流程。

圖4 北斗定位數據采集流程

2 基于北斗定位的疏浚施工智能監管

基于常規定位數據，可實現實時定位、歷史軌跡查詢等基礎功能。當數據的精度和頻率提高時，借助GIS技術與智能算法，可以實現更多自動化監管功能(表1)。

表1 高經度北斗定位與常規定位可實現功能對比

GIS技術可以將空間數據轉化為地圖圖形，為用戶瀏覽和分析地理數據提供方便。空間關系的拓撲關系判斷是GIS技術中一個非常重要的分析功能，二維空間中2個對象可實現的空間關系有8種(圖5)。利用空間關系判斷可以對船舶位置進行分析，如是否在預先規劃的通行區域內，是否通過預先設置的范圍。對挖泥船和吹泥船點位置做緩沖區，判斷運泥船與緩沖區的空間關系，可以分析出運泥船的工作狀態。

圖5 二維空間拓撲關系

2.1 挖運吹全流程自動監管

挖運吹自動監管需要實現的功能有：確保船舶在規劃范圍內航行(電子圍欄)、自動判定船舶的挖運吹狀態、自動計算疏浚斷面里程、自動記錄靠離泊關鍵點。若要實現以上自動監管功能，需要先將疏浚航道范圍、里程信息、關鍵水閘區域配置到監管系統中作為基礎數據。

為了確保船舶是在指定范圍內航行，在每次獲取到最新的船舶數據時，將位置點和規劃的行駛范圍(河道邊界的面數據)做二維空間拓撲分析，若點不在面內則表示船舶離開了指定范圍。

挖運吹狀態判定的對象是運泥船，當運泥船停留在挖泥點范圍內時，可以判定為正在裝泥；而當它停留在吹泥點范圍內時，可以判定為正在吹泥。但是在疏浚施工過程中，挖泥點與吹泥點會發生變化，無法預先配置。在實際進行挖運吹狀態判定時還需要結合挖泥船與吹泥船的實時數據。將運泥船最新位置數據與所有挖泥船的最新位置數據做拓撲分析，設定在某艘挖泥船的緩沖區內(參考船舶平均長度)停留一定時間(參考平均裝泥時間)，則判定該運泥船處于裝泥狀態。同理對所有的吹泥船分析，設定在某艘吹泥船的緩沖區內停留一定時間(參考平均卸泥時間)，判定該運泥船處于吹泥狀態；已處于裝泥狀態運泥船離開挖泥船后，未處于任何吹泥船緩沖區內，則判定處于運泥狀態。

疏浚斷面里程自動計算是在運泥船被判定為裝泥狀態時，根據航道里程軸線數據與挖泥船所在位置進行GIS中的線性參考分析，可以計算出對應的里程數據。

水閘的靠泊離泊自動記錄是將運泥船位置與水閘區域面進行二維空間拓撲分析，在運泥船首次處于水閘范圍內時，則判定運泥船進入水閘；在運泥船首次離開水閘時，則判定其為離開狀態。

2.2 挖運吹三聯工單自動生成

在傳統疏浚施工船舶管理中，需要手動填寫疏浚工單，記錄裝泥、卸泥和經過關鍵點的時間等，需要同時處理大量的數據，無法保證數據的可靠性。

在挖運吹全流程自動監管的基礎上，在運泥船進入裝泥狀態時就可自動生成一條新的工單數據，記錄裝泥點信息。在船舶靠泊離泊水閘時可自動填寫時間。在船舶進入吹泥狀態時記錄吹泥點信息，完成一條工單。工單自動生成流程見圖6。

圖6 挖運吹三聯工單自動生成流程

3 工程應用實例

蘇州河(真北路—蕰藻浜)底泥疏浚工程是“蘇四期”工程的子項目，底泥疏浚量為172萬m3。工程東起真北路，西至蕰藻浜，干流河道中心線長22.15 km，共涉及長寧、普陀、閔行、青浦和嘉定五區。該工程于2019年上半年開工建設，于2020年底完成。項目使用了112個帶有CORS功能的北斗，并開展了相關業務層應用開發。

3.1 實時定位

所有船舶均裝載了北斗定位模塊，在可視化平臺上可以顯示所有船舶的實時位置(圖7)，并且能夠自動刷新數據，讓使用者能及時掌握整體施工情況。

圖7 船舶信息彈窗

3.2 船舶歷史軌跡展示

實時軌跡存儲后，可通過可視化頁面查看歷史軌跡，相比于傳統的定位手段，北斗可將歷史軌跡點間距維持在30 s，大幅提高了軌跡追溯的準確性(圖8)。

圖8 船舶歷史軌跡查詢結果

3.3 電子圍欄報警與追溯查詢

基于船舶實時位置數據和施工范圍的空間分析結果，可以即時得知船舶離開了預先規定的行駛范圍，從而在平臺中顯示電子圍欄報警信息。點擊信息將定位至越界位置，并顯示越界時間(圖9)。

圖9 電子圍欄預警與追溯查詢

3.4 自動工單填報

基于關鍵位置數據與船舶位置數據，利用自動算法，實現挖運吹工單的自動填報。工單具備編輯功能，可對自動生成的工單進行審核修改，完善工單的準確度。項目最終生成4 838條自動工單，大幅提高了現場的數字化應用效能(圖10)。

圖10 自動工單填報

4 結論

1)在疏浚施工過程中，及時掌控船隊所有船舶的施工狀態與整體施工進度是工程管理的重點和難點。內河船舶AIS位置數據和人工填報工單的方式已經無法滿足項目上對于大量船舶及時控管和工作量統計的需求。將船載北斗定位技術運用于疏浚船舶管理，可以提高施工管理水平，實現疏浚施工管理的數字化、精細化、智能化。

2)北斗定位技術是本研究的基礎，也是我國自主研發的衛星導航系統在疏浚行業的一次成功應用。船載定位模塊為管理平臺展示、分析船舶施工情況提供了穩定、可靠的數據來源。

3)基于高精度高頻率的北斗定位數據，利用GIS技術中的空間關系判斷實現了挖運吹全流程的自動監管，充分體現了管理平臺的智能化，為管理人員對船舶疏浚過程的監督、回溯、優化提供了科學及時的決策依據。

4)研究成果在“蘇四期”底泥疏浚項目中得到成功應用，基于北斗定位的疏浚船舶管理技術可以為同類工程實現自動化管理提供示范與參考。