航道感知的研究与探讨

摘要：该文利用物联网技术，拓展感知航道的知识，为现代航道服务，在现有电子航道地图基础上进行二次开发，采用基于J2EE规范的分层架构，利用XML技术和Web　Service技术，实现指挥调度系统WEB架构的单点登录、统一用户管理和认证、数据交换等，采用数据采集/挖掘技术来构建业务系统，采用数据交换及数据库集群技术实现数据的采集与分析，采用应用系统适配技术、模拟仿真技术、地理信息技术实现二维及三维电子图的开发。

关键词：感知；航道；三维演示

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）31-7597-05

本文研究的目的是想通过在航道两岸安装网络监控等智能化系统，可以使管理人员不用上船，就能清楚掌握船舶的航向、航行时间、证照信息、装载货种、装卸码头等情况，既减少了管理成本、实现节能减排，又为船舶正常航行提供了便利。通过感知航道系统的运用，可以有效避免大规模航堵以及重大水上交通事故的发生，还能有效提高船户的运输效率。这项技术的应用将改变航道维护管理的模式，改善航道的通航条件，提高航道的通航能力，并能为其它港航单位和社会提供航道信息服务，实现“智能航运”奠定坚实的基础。

1　系统总体设计与研究

“航道感知系统”的基本构架规划为6个层次，它们自下而上依次为：

1）最底层的信息网络基础设施作为数据的传输通道和载体；

2）航道数据采集系统实现航道水位、河床、水文、航标等航道维护对象的数字化；

3）航道基础数据库负责对上传的航道基础数据进行整理、汇总和分类；

4）基于航道地理信息（GIS）的基础平台，负责对基础数据库中的数据进行加工，形成航道管理应用系统所需的各种数据。

5）包括航道维护管理信息系统在内的各种应用系统。

6）最顶层是对外各种航道信息的综合服务体系，它包括电子航道图系统和航道网站。

1.1主要信息采集

数据集成与交换平台：数据集成采用E-LT的方式通过数据接口进行数据的抽取、加载、转换映射，完成从源到目标的数据集成与交换。平台的建设应基于商业中间件ODI，能图形化的设计和定义抽取、转换、加载流程，支持CDC机制；共享数据库需要为上层应用提供基础数据，是面向航道管理综合应用的业务数据源；数据集成了监控管理工具，它可以向用户提供基于web的中文界面，同时能实现对数据集成整个过程的监控、处理与信息展示。

电子航道图二次开发：在现有电子航道地图基础上进行二次开发，完善航道基础设施及临、跨、过河设施图层，建立水位、视频监控、交通量观测等业务图层。

模拟演示：对航道航段进行定向虚拟漫游模拟仿真演示。

船舶交通量分析：结合现有内河航道交通量自动观测系统，拓展交通量分析功能；在电子航道图上增加交通量可视化功能。

航道断面分析：建立标准的数据格式；根据现有航道测量设备，提供不同类型的水下航道断面数据接口及转换功能；自动生成一定比例的水下航道断面图；实现航道断面演变对比分析和预警功能。

航道水位分析：收集航道水位资料，分析航道水位变化情况；并在电子航道图上增加可视化功能；实现自动向管理人员报警，并自动通过信息平台预警信息。

系统、数据管理及网站集成：新建系统要进行权限用户等的管理，同时要对所有采集到的数据进行保存备份，且要与门户网站的集成，增加移动决策的远程接入功能。

1.2设计思路

本系统的核心为以RAC/ODI和BIEE所构建的统一资源管理平台，作为指挥调度系统的应用支撑平台，其应是一个标准的、统一的后台管理系统，本次项目将建设在应用支撑平台基础上。未来航道各种业务应用也都可以建立在该平台之上，保证系统具有很高的安全性、稳定性、开放性和充分的可扩展性。该平台构成各种业务系统应用的基础之一，为了保证后续应用的无障碍连接，该平台是一个独立的第三方的商业中间件平台，在本次项目中采用ORACLE　10g、ORACLE　RAC、ODI和ORACLE　BIEE数据库产品和中间件产品。结合其它软件工具，为航道构建一整套完善的应急指挥平台，在此基础上集成政务门户平台将作为整个航道信息化的入口和出口，作为其现有的或后续建设的应用系统的信息、数据交换和工作流运转中心，整个系统的设计和实施必需紧密围绕这一系统目标。

1.3　系统拓扑结构

本项目将采用图1所示的多层结构体系进行开发实施，体系架构从上往下依次包含统一门户平台、感知航道和其他业务应用系统、数据交换平台、系统支撑平台及政务外网系统等。

系统集成已有门户系统，实现用户界面的定制和个性化呈现服务，便捷的内容管理机制，灵活简便的布局调整，随意定义和选择界面风格，支持Portlet和Portal页面皮肤的打包及权限的管理。

指挥调度系统在Oracle数据中间件平台基础上构建，在企业内部，通过基于Oracle融合中间件进行数据整合、分析、决策。未来待建的应用系统如人事管理、科研管理等系统都可部署在该层，在已有数据集成平台、安全管理等基础上进行集成，并通过统一门户平台进行。

系统支撑平台包含用于保存业务数据、流程数据的企业数据库系统，用于保存系统用户信息及文件共享的文件服务器。

系统集成接口采用Java的本地接口可实现对其它应用系统的集成，满足系统基于邮件的代办事项、通知等信息的。

安全认证利用数字证书、PKI、对称加密算法、数字签名、数字信封等加密技术，可以建立起安全程度极高的加解密和身份认证系统，确保电子交易有效、安全地进行，从而使信息除发送方和接收方外，不被其他方知悉（保密性）；保证传输过程中不被篡改（完整性和一致性）；发送方确信接收方不是假冒的（身份的真实性和不可伪装性）；发送方不能否认自己的发送行为（不可抵赖性）。

指挥调度系统内部服务的设计，采用分层的结构，将界面展现、业务逻辑和服务层、数据层分离，实现组件化、构件化，使得系统各个模块之间松耦合，以灵活、快速地响应业务变化对系统的需求（如图2所示）。

如图2所示，指挥调度系统内部层次结构划分为展现层、业务逻辑层、服务层和数据层，通过各层次系统间服务的承载关系，实现系统功能。

应用框架为内网办公系统提供核心的公共服务功能，包括日志服务、服务加载管理、系统监控、流程监控、JMX配置管理服务等。

展现层提供一个通用的展现框架，基于MVC的结构，实现应急指挥调度系统的公文展现、界面展示、界面插接框架等。

业务逻辑层以构件化、组件化的方式封装指挥调度系统的核心功能逻辑，指挥调度系统的各个功能模块都以构件化或组件化的方式进行开发部署。构件化、组件化的形式包括web服务、web应用（war）等。将业务逻辑层构件化，可以有效的降低应用系统的耦合度。

服务层主要把数据服务、集成服务等进行抽象、封装。使得指挥调度能够通过这个公共的服务层访问工作流、Web　Services等支撑平台。

将对关系数据库、非结构化文本等的访问抽象出一个数据访问层，利用O/R映射技术、POJOs技术等，统一访问指挥调度系统的数据。

集成接口主要是将指挥调度系统对外的集成工作，抽象出公共的接口。而这个接口的实现就是通过Web　Services来进行的。由于Web　Services平台是个通用的、平台化的产品，因此为了适应内网办公系统的需求，还需要再进行封装一下，形成一个功能集成接口。

2　系统设计

2.1智能航道的数据集成与交换平台

“航道感知”是一个多业态，多层次的系统，其应用系统将涉及多方面，出于信息化建设健壮性，灵活性，开放性和柔性要求考虑，同时结合统一规划，分步实施的建设原则，航道构建拟采用面向服务架构（SOA）。通过ETL技术和Web　Service技术搭建企业应用集成平台。通过甲骨文ODI、RAC作为整个信息化平台的数据抽取/加载/分析平台和数据可靠传输支撑工具。系统实现包括如下五部分内容（如图3所示）：中心标准基础信息库，基础信息管理中心系统，应用集成平台（共用），各节点应用管理流程调整，中心管理系统和节点交互接口。

2.2　电子航道图二次开发

二次开发能够导入符合IHO　S-57　V3.0标准的电子航道图，同时能进行数据改正，并生成系统电子航道图（SENC）（*.sec）。系统设计采用了“航道图工作区”的概念，一套系统管理一个工作区，单幅电子航道图生成单独的*.sec文件，一个工作区由任意多个*.sec文件组成。

2.3　航道的三维模拟演示

三维仿真模拟演示重点河段，主要对重点河段航道沿线两岸的基础设施、桥梁、港口、码头、锚地以及航道两侧地标性建筑物、城市道路、城市绿化进行模型建模和仿真模拟，并集成在成熟的三维场景引擎平台下，可进行漫游、飞行、定线浏览等功能操作。在航道GIS系统中，我们需要详细处理海量的三维航道环境的信息数据，尤其在不同三维比例下，其显示的航道环境的信息数据内容是不同的，当然它们处理的复杂程度也有所不同，设计时要充分采用DEM与分层技术，对不同比例尺下的航道的不同景观，如航道两边的建筑、山水、船舶、码头等，要选取、处理有关于三维相应的DEM数据。

2.4航道断面分析

2.4.1　航道断面分析数据

航道是凹槽形的，形象的航道的断面就像个字母U，U形最底部是航道底，也是航道最大小深处，航道水面给U字封上了口。通过测量船、探测仪、人工测量等方法都可以获得地形及航道的断面数据，一般是通过船载GPS专业测量设备来实施航道水深测量，或者通过船载多波束仪器来进行航道水深测量。测量过程一般是驾驶测量船沿设定好的断面线进行施测，GPS设备同时记录断面线平面位置及该位置的水深值。然后通过内业处理，绘制航道断面图。航道断面测量数据最重要的就是断面线上x，　y，　z三维空间坐标，通过这些三维坐标点即可实时绘制断面图。

航道断面格式主要有CAD格式、JPG图形格式（如图4所示）、数字描述格式等等。表现方式有线划法、注记法、填充法、实景法等。实现环境可以在二维电子航道图上通过确定断面线实现，也可以在三维环境下，通过交互式划断面线，实时绘制实景断面图。

根据航道水深数据可生成任意位置的航道断面图，系统提供两种断面绘制模式。一种是通过设置航道里程，在准确里程位置处，系统自动绘制垂直于航道中心线的航道横断面图；或者通过设置航道起讫里程位置，系统自动绘制该河段的纵剖面图。另一种是交互式绘制方法，用户可用鼠标在航道任意位置通过两点划出一条线段，系统自动绘制该线段处断面图，可能是横断面，也可能是纵断面，也可能是航道任意位置的任意断面。断面自动绘制效果（所图5、6所示）

3　结束语

感知航道采用基于J2EE规范的分层架构，利用XML技术和Web　Service技术，实现系统WEB架构的单点登录、统一用户管理和认证、数据交换等，采用数据采集/挖掘技术构建了业务系统，采用数据交换及数据库集群技术实现数据的采集与分析，采用应用系统适配技术、模拟仿真技术、地理信息技术实现二维及三维电子图的开发。

通过对航道的电子图的二次开发，通过分析航道断面、监测航道水位，统计航道交通流量、监控整个航道的通航状况，给出整个通航的运行情况，从而来做出通航的三维演示系统，指挥和调度整个航运，实现航运的调度和预警。

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