基于北斗的船舶监控管理服务系统研究

董晶晶　付永恒　余鑫　张胜利

摘要：本文从技术实现角度出发，深入研究用户需求，将北斗与其他系统结合，深入研究了基于北斗的船舶监控管理服务系统，该系统实现了船舶位置监控、态势展示，并支持基于北斗的快速高效应急指挥调度及增值信息发布，可有效提升渔业海事部门信息化管理水平。最后，针对北斗卫星导航定位系统在通航监管、应急搜救、船舶避碰等方面的应用前景进行了分析与展望。

关键词：北斗卫星导航定位系统;船舶监控;服务系统

中图分类号：U675.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0116-03

0 引言

近年来，随着国家海洋强国战略的稳步推进，我国对发展海洋经济、提升海洋资源开发能力、保护海洋生态环境、解决重大海洋问题都提出了更高的要求。船舶是海洋战略的重要载体，是海洋科技的重要体现，对于建设海洋强国、维护国际海洋秩序都有着极为重要的意义。但是，随着我国船舶种类、数量、水域交通密度、运输货物量的不断增加，海损事故时有发生，对海洋产业、海洋生态及国际海洋高地的争夺都产生了不良的影响。因此，如何使船舶调度管理更加合理、高效，如何进一步提高海事管理的信息化、智能化水平，都是管理层面亟待考虑的问题。

目前，管理部门主要利用船舶交通管理系统（VTS）对所属船舶进行实时监控管理，为船舶避碰、交通形势变化响应、安全信息发布提供了有效的技术手段。但是，该系统本身存在一定缺陷：首先监控距离有限，仅能近海使用;其次AIS基站、雷达等受距离和气象条件影响大，通信效果无法保障。为破解这些难题，具备全天时、全天候的定位、定时和通信能力，并具有集群指挥功能的北斗卫星导航系统，无疑为船舶监控管理和消息发布提供了行之有效的技术思路。

针对船舶监控的特点，本文主要对基于北斗卫星导航定位系统的船舶监控系统进行了深入的研究。通过原型系统的实际应用，验证了系统结构的合理性及系统的可靠性。可以预见，系统投入运行可有效保障船舶航行安全，助力海洋强国战略发展，应用前景广阔。

1 北斗卫星导航定位系统

北斗卫星导航定位系统是我国军民共用的重要基础设施，除了具备基础的导航定位和精密授时功能外，还向网内用户提供短报文通信功能，特别适合无地面通信网络支持的海上应用。

总的来说，我国北斗卫星导航定位系统具有以下几大优势：

（1）具备RDSS定位和短报文通信功能，特别适用于无地面网络支持的海上用户，符合其通信定位结合的使用模式;

（2）具备全天时、全天候的服务能力，不受气象和距离条件限制;

（3）具备指挥集群应用服务能力，可同时解决定位及报位需求，对所属用户规模、种类无限制，适合管理部门使用;

（4）自主控制，安全稳定，保密性好。

2 基于北斗的船舶监控服务系统

结合北斗系统特点，针对船舶监控应用需求，本文对基于北斗的船舶监控服务领域所涉及的关键技术进行了重点研究，并进行了原型系统的设计及实现。

原型系统以高清卫星影像金字塔、二维瓦片化矢量地图和数字高程模型等地理信息数据为基础，以实现船舶位置监控为核心，构建二/三维同步联动、界面友好，实时、直观反映监控目标态势的监控系统，同时，对AIS、RFID及地面移动通信网络技术进行集成融合，综合其他方式定位船舶的数据信息，以图形可视化方式为用户提供船舶位置查询、统计分析，方便用户掌握船舶实时动态信息。此外，系统还支持报警响应、碰撞警告、救援搜救等业务，提供基于舆情、态势分析的辅助决策信息，可有效提高管理部门对所辖船舶指挥控制、监控管理能力以及信息化水平。

2.1 船舶监控管理服务系统组成

原型系统组成如图1所示。主要分为以下几个部分，部署在船舶监控管理部门的信息服务中心（可实现基于地面专线（或北斗指挥机）的数据处理存储，以及基于地理信息服务的可视化融合展示），船载终端设备（包括北斗用户终端，北斗＼GPS双模终端，AIS、RFID设备等），以及地面移动通信网络。

2.2 船舶监控管理服务系统关键技术

2.2.1 海洋综合信息的数据融合

基于北斗的船舶监控管理服务系统中使用的数据主要包括海洋地理信息，海事管理信息，气象、海况信息，船舶位置及作业状况信息等。其中，海洋地理信息则包括了海图数据、地形数据、三维地理空间数据、三维模型数据等多源地理信息数据;船舶位置除可从北斗系统终端获取外，还应集成GPS，AIS等系统数据，以提高系统可用度及完好性。

因此，数据融合研究重点在于多尺度，多源地理空间数据的融合显示以及解决在以北斗卫星定位数据同时兼顾其他信息系统的数据集成上。主要是进行时空基准统一、数据格式转换、数据粒度转换以及转换规则设计等等。

2.2.2 与移动通信网络的互通

移动通信网络可支持近海范围内船舶的通信需求，但无法满足远洋航行船舶的信息传递。因而，将北斗系统与移动通信网络结合，可扩大信息的传输范围，更加有效的满足海上目标与地面的通信需求。

2.2.3 北斗與其他系统的数据融合

船舶监控管理服务系统除使用北斗卫星导航定位系统数据外，还应集成GPS、AIS、射频识别系统等多系统数据，以提高系统的可用性及完好性。这就要求在船舶监控管理服务系统设计的过程中，要充分考虑各个系统之间的数据整合，合理设计数据库结构，最大限度利用各辅助信息系统的数据，充分发挥各系统优势。

此外，系统界面设计要布局合理，内容紧凑，将用户关心的数据完整全面的反应出来，方便管理部门决策使用。

2.3 船舶监控管理服务系统功能及实现

通过研究国内外已有的船舶监控系统并结合我国海事监控特点，设计了具有如下图2结构平台结构。

基于北斗的船舶监控管理系统主要包括以下几个主要的系统功能模块：多源地理信息融合及可视化模块、船舶定位及信息采集模块、报文及移动通信互联模块、用户及设备管理模块、指挥调度模块、增值服务模块。

为进一步提升系统的扩展性和可移植性，提升系统稳定性，功能模块采用Docker容器进行封装，基于微服务架构设计支撑服务平台，采用容器集群管理与监控平台对服务进行可视化管理，方便用户对服务平台内的服务状态进行实施监控和批量化处理。功能之间相互独立封装，形成良好的接口调用关系，最终形成一系列功能划分清晰，相互关系明确，同时又接受统一管理调度的应用系统。

由于系统需要接入多源地理信息数据、设备报位数据及运行管理相关数据，因此在数据存储设计上，需要采用多种形式进行数据管理。本系统需要接入的数据主要为基础地理信息数据（矢量数据、影像数据等），该类数据体量大、类型多样、结构复杂，主要用于态势显示背景底图。为提高显示性能，地理信息数据处理为供显示使用的OGC紧凑型栅格瓦片格式、VDT高性能矢量数据格式和供查询分析用的GSF数据，存储方式主要为文件存储。船舶实时位置数据与历史数据主要存储北斗位置信息与短报文信息，数据特点是实时引接、并发量大，考虑以上数据特点，使用SSDB数据库进行存储。对于设备信息、日志数据、用户关系数据等非空间信息数据，主要根据其数据量、数据特点分别使用NoSQL、MySQL及文件相结合的方式进行存储管理。

系统运行三维界面如图3所示。

系统通过地理信息功能模块可提供常用的公开数据格式地图数据及海图数据的操作显示;可以集成使用常用格式的几种形式地图数据，包括影像数据地图，矢量数据地图等;可进行二三维地图一体化显示切换，系统运行二维界面如图4所示，具备一般地理信息系统支持的各类功能，如地图显示、放大、缩小、漫游、测距、选择、区域范围规划等操作。

系统可实时显示所属船舶的航行速度、方位、状态，并对所接收的报文、求救及告警等各种信息进行统一显示。为管理部门提供位置查询、地理信息服务、常用统计分析以及基于态势、舆情的辅助决策信息。可实现基于地理信息的报警区域设置及区域报警功能，支持管理部门通过北斗链路向船载终端设备发布指令。此外，通过打通北斗与移动通信网络的互联，实现北斗短信与手机电文互通，进一步提升系统的应用效率和管理信息化水平。

同时，系统可为海上用户提供报警信息响应、台风气象预告、航线规划、险情通报等增值服务功能，为船舶遇险搜救提供技术手段，有力保障船舶航行安全。

3 结论与展望

本文的研究目标是适应国家海洋强国战略，为海事机构提供船舶安全管理信息化、智能化建设思路。本文研究的基于北斗的船舶监控管理系统，通过将北斗和其他辅助信息系统结合，实现各系统优势联合，补齐短板，有力保障了近海、远洋的船舶航行安全。系统技术先进，综合性强，较为实用，经实地试用，基本满足管理部门对所辖船舶的监控管理和决策支持要求。

后期，随着我国对发展海洋经济、提升海洋资源开发能力、保护海洋生态环境、解决重大海洋问题等需求的逐步深入，船舶安全管理应用前景将愈加广阔。本文旨在提出一个行之有效的系统研制建设方案，后期各管理部门可根据具体需求，在本系统所提供解决方案的基础上，进一步研制符合自身需求功能模块，尤其是在通航监管、应急搜救、船舶避碰等领域的個性化功能模块，对系统功能进行扩展，从而形成更加高效、全面并行之有效的信息化解决方案。

参考文献

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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