（地图学与地理信息系统专业论文）基于北斗webgis技术的船舶监控系统研究.pdf

t h e s i sf o rm a s t e rd e g r e e ，2 0 1 1s c h o o lc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn o ：5 1 0 8 0 8 0 1 0 5 1 ea s tc h i n an 0 r m a lu n i v e r s i s t u d yo nv e s s e l sm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nc o m p a s s w e b g i s c o l l e g e d e p a r t m e n t m a j o r r e s e a r c h 心e a s u p e i s o r m a t e rc a n d i d a t e s c h o o lo fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n ts c i e n c e y u a nm i n m a y ，2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于北斗删e b g i s 的船舶监控系统研究，是在 华东师范大学攻读唾乒博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意。 作者签名：耋级日期：1 1 年r 月乡矿日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于北斗w 曲g i s 的船舶监控系统研究系本人在华东师范大学攻读学位期间在 导师指导下完成的硕半博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所 有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关 机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进 入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅：同意学校将学位论文加入全国博士、硕 士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、 缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文，于年 月 日解密，解密后适用上述授权。 ( 弋) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名可逞卫导师签名兰三，一本人签名瑚 叫年5 月；口 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论 文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门 审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授 权) 。 j 遨硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张超教授华东师大主席 束炯教授华东师大 徐建华教授华东师大 益建芳副教授华东师大秘书 华东师范大学 目录 摘要 北斗作为我国自主研发的卫星导航系统，兼顾定位和通信功能，可以广泛的 应用在船舶、森林防火、环境监测等众多行业。本文主要论述北斗在船舶监控中 的应用。船舶监控同以往车辆监控不同，船舶要航行在海上，尤其是远洋航行， 海洋周围没有通信基站，地面常规的无线电移动通信信号是无法到达的。而卫星 不受距离影响，全天候作业的特点，正好弥补了无线电移动通信的缺点。 为此，本文在r r f 项目支持下，融合卫星定位通信技术和空间显示技术，建 立基于北斗和w r e b g i s 的船舶监控系统，为港航管理部门提供实时船舶位置显 示，历史船舶信息查询和地图操作等功能。本文通过对船舶监控相关文献的阅读 和整理，总结目前应用在船舶中的监控技术，对比分析其他船舶监控技术与北斗 卫星定位通信技术的优劣势，并从系统设计、关键技术和功能实现三部分重点论 述船舶监控系统的设计实现过程。系统设计主要用于设计船舶监控系统的功能、 架构和数据库；关键技术，本文提出关于船舶监控系统的四大关键技术，分别是 基于m a p s e r v e r 和o p e n l a y e r 的开源w 曲g i s 、基于北斗导航系统的定位通信技 术、船舶实时数据显示技术和人机交互界面；在系统功能设计基础上，本文介绍 船舶监控系统主要功能的实现算法。 船舶监控系统是现代化信息技术和现代化管理技术的高效结合，提供了完整 的监控和管理手段。但亦存在需要改进之处，如，要让系统支持多浏览器，在任 意分辨率下都有最好的可视化效果；减少服务器端资源损耗等。总之，基于北斗 和w 曲g i s 技术的船舶监控系统的实现，开拓了船舶监控技术领域的又一发展方 向，具有很强的实用价值。 关键字：北斗，w r e b g i s ，船舶监控 华东师范大学目录 a b s t r a c t 气6a ni n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg l o b a ln a v i g a l i o ns y s t e m ， c o m p a s si i l c l u d e st h ef u n c t i o n so fp o s i t i o n i n ga n dc o m m u n i c a t i o n nc a nb ew i d e l y u s e di ns h i p s ，f o r e s tf i r ep r e v e n t i o n ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n dm a n yo t h e rf i e l d s n i sp a p e re l a b o r a t e s c o m p a s s i nt h em a r i n em o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n 、，e s s e l s m 0 n i t o f i n gi s d i f f e r e n tf r o mv e h i c l em o n i t o r i n g ，嬲v e s s e l st r a v e li nt h es e a ， e s p e c i a l l yi no c e 锄n a v i g a t i o n ，t h e r ei sn oc o m m u n i c a t i o n ss t a t i o ni nt h es e a ，s o g p r sc o m m u n i c a t i o ni si n a c c e s s i b l e s a t e l l i t e sh a v ea l l - w e a t h e r o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dn o ts u b j e c t e dt 0l o c a t i o nm a k eu pt h eg p r sc o m m u n i c a t i o n s h o n c 0 m i n g s t h e r e f 0 r e ， i n s u p p o n o fi t fp r o j e c t s ，t h i s p a p e r e s t a b l i s h e sav r c s s e l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc o m p a s s肌dw 曲g i sb yi n t e 孕a t i n gp o s i t i o n i n g c o m m u n i c a t i o na n ds p a c ed i s p l a yt e c h n o l o g yw h i c hc 雏b eu s e df o rt h ep o na n d s h i p p i n gm a n a g e m e n tt op m v i d er e a l - t i m es h i pp o s i t i o nd i s p l a y ，h i s t o r i c a lv e s s e l i n f o m a t i o nq u e r ya n dm a po p e r a t i o nf u n c t i o n s b a s e do nr e a d i n gt h el i t e r a t u r ea b o u t 、，e s s e lm o n i t o r i n g ，t l l i st h e s i ss u m m a r i z e sc u r r e n ta p p l i c a t i o ni nt h es l l i pm o n i t o r i n g t e c l l l l o l o g y 锄d a n a l y z e s t h e a d v 卸t a g e s 觚dd i s a d v 觚t a g e sb e 锕e e nm a r i n e m o n i t o r i n gt e c l l i l o l o g ya n dt h ep o s i t i 0 i l i n gc o m m u n i c a t i o nt e c b j l o l o g yo fc o m p 雏s w h a t sm o r c ，t h e p a p e rh i g h l i g h t si m p l e m e n t a t i o np f o c e s s 0 ft h ev r e s s e l m o n i t o r i i l gs y s t e mb ye l a b o r a t i n gt h es y s t e md e s i 印，k e yt e c h n o l o g ya n df u n c t i o n r e a l i z a t i o n s y s t e md e s i g l li sm a i n l yu s e df o rd e s i 印i n gt h ev 色s s e lm o n i t o r i n gs y s t e m f u n c t i o n s ，a r c h i t e c t u r ca n dd a t a b a s e t l l l i sp 印e rp r e s e n t sf o u rk e yt e c l m o l o 西e sa b o u t t h ev e s s e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c ha r eb a s e do nm a ps e n ，e ra i l d0 p e ns o u 赋 w 曲g i so fo p e n l a y e r t h ep o s i t i o n i n gc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds h i pr e a l t i m e d a t ad i s p l a yt e c h n o l o g ya n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb a s e do nc o m p a s sn a v i g a t i o n s y s t e m 1 1 l i sa n i c l ei n t r o d u c e st h ea 1 9 0 r i t h mt 0a c h i e v et h em a i nf u n c t i o no ft h e 、，e s s e lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ns y s t e mf u n c t i o nd e s i 印 华东师范大学 目录 v r e s s e lm o n i t o r i n gs y s t e mi sac o m b i n a t i o no fm o d e mi n f 0 珊a t i o nt e c h n o l o g y a n dm o d e mm a n a g e m e n tt e c h n i q u e st h a tp m v i d e sac o m p l e t em o n i t o r i n g锄d m a n a g e m e n tt 0 0 1 b u ti ta l s 0n e e d st ob ei m p r 0 v e d ，f o re x a m p l e ，t om a k et h es y s t e m s u p p o nm u l t i p l eb “) 、s e r s ，t oh a v et h eb e s tv i s u a le i i e c t sa ta n yr e s o l u t i o n ，t 0r e d u c e t h es e r v e r s i d er e s o u r c ed e p l e t i o na n ds o0 n i ns h o n ， t h er e a l i z a t i o n0 fv r e s s e l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc o m p a s sa n dw e b g i st e c h n o l o g y h a so p e n e du p a n o t h e rs h i pm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tw h i c hh a sas t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：c o m p a s s ，w 曲g i s ，v e s s e l sm o n i t o r i n g 华东师范大学目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e jj 素i 第1 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 船位监控技术的发展2 1 3 地理信息系统技术的发展6 1 4 论文研究内容和论文框架。7 第2 章船舶监控系统的总体框架1 1 2 1 系统的功能需求分析和功能设计1 2 2 1 1 系统功能需求分析1 2 2 1 2 系统功能框架1 5 2 2 系统数据模型设计1 7 2 2 1 系统数据。1 7 2 2 2 系统类图。1 9 2 3 系统架构设计2 1 2 4 系统关系数据库设计。2 4 2 5 小结2 6 第3 章船舶监控系统的关键技术2 7 3 1 网络地理信息系统：基于m a p s e e r 和o p e n l a y e r 的开源g l s 2 7 3 1 1 w 曲g i s 基础数据：电子海图。2 8 3 1 2 开源g i s _ - m a ps e r v e r 和o p e nl a y e r 3 3 3 1 3 小结3 5 3 2 北斗导航系统3 5 3 2 1 北斗定位技术。3 6 3 2 2 北斗通信技术3 6 华东师范大学 目录 3 2 3 小结3 7 3 3 实时数据显示技术3 7 3 4 人机交互界面设计。3 9 第4 章船舶监控系统的主要功能实现4 3 4 1 系统开发环境。4 3 4 2 历史路径查询播放功能的实现4 4 4 3 船舶实时信息回报功能的实现4 6 4 4 查询统计功能的实现。4 7 4 5 船载设备状态判断功能的实现4 9 4 6 地图操作功能的实现。5 0 第5 章总结与展望5 3 5 1 总结5 3 5 2 展望5 3 附勇毛。5 5 参考文献5 7 后记5 9 i i 华东师范大学硕上学位论文绪论 第1 章绪论 1 l 研究意义 随着2 0 0 3 年5 月我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，我国自主研发的“北 斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统， 北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段【。 北斗导航定位系统拥有特有的定位兼通信功能，可为用户提供北斗用户机定 位、通信等服务1 2 】。目前北斗导航定位系统正广泛应用于船舶运输、公路交通、 海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、 公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位，应用领域十分广泛。 本文主要论述北斗在船舶监控中的应用，并且在r r f 项目资金赞助下，开发 了一套基于北斗、w 曲g i s 技术的船舶监控系统。航海工具船舶虽然很早就 有建造，但是集中监控出海船舶却是随着科学技术发展到卫星定位和通信技术的 成熟才开始研究。因此，船舶监控系统通过对船舶定位、船舶与船舶之间和船舶 与监控中心之间信息交互来加强对出航船舶的安全监管，是现代化信息技术和现 代化管理技术的高效结合，可以让出航船舶的管理更加规范、决策更加科学、工 作更加高效。尤其是为远洋船舶，提供了完整的监控、管理手段。因此，如何高 效且实时的集中监控出海船舶就是本篇论文的主要研究内容。 地理信息系统( g i s ) 在海洋领域的应用为地理信息系统与船舶监控的有效 结合提供了依据。随着互联网( h l t e m e t ) 技术的发展，地理信息系统与互联网结 合成为必然的趋势，网络地理信息系统( w 曲g l s ) 便顺应而生。w 曲g i s 是g i s 与i n t e m e t 技术结合的产物，它不仅具有g i s 的数据管理和空间分析的功能，而 且具有h l t e m e t 信息发布功能与数据共享的特点，这为船舶船位和通信信息的发 布与共享提供了一个很好的可视化平台1 3 1 。本文将集合w 曲g i s 技术、北斗卫星 定位技术和通信技术来进行船舶监控的研究，搭建w | e b 系统平台进行实时船位 信息显示及追踪，查询过往的通信记录和历史航行信息，统计船舶与船舶之间和 船舶与监控中心之间的通信记录。w 曲g i s 技术、北斗卫星定位技术和通信技术 的结合，不仅能够获得实时船舶位置和通信信息，还可以在多平台之间共享船位 华东师范大学硕士学位论文 绪论 和通信数据，保障数据的时效性。 1 2 船位监控技术的发展 实现船舶监控的基础是对船舶位置的监控，即获取出航船舶的实时位置信 息。通过对船舶监控相关文献的阅读，整理总结出国内外的船位监控技术，有 g p s 、a i s 、i i l m a r s a t c 和北斗。下面简要描述一下目前正在使用的国内外船位监 控技术。 全球定位系统 全球定位系统g p s 是美国研发的当前最先进的紧密卫星导航定位系统，它 的研制实现了保密通信，提高抗干扰能力；能对个卫星发射的信号进行区分选择； 实现精密定位和实时导航1 4 】，g p s 工作示意图见图1 1 。 图1 1g p s 工作示意图 g p s 导航定位系统，是一种无线电导航定位系统，用户的g p s 接收机接收 到g p s 卫星播放的信号，经过相关处理就能测定由卫星到接收机的信号传播时 间延迟，或测定卫星载波信号相位在传播路径上变化的周数，解算出由接收机到 卫星之间的距离，从而确定g p s 接收机的位置和时间改正数【5 1 。 我国船舶从上世纪九十年代中后期开始使用g p s 。近十年的使用表明，g p s 以其全天候、高效益、高精度、自动化并可以供无数的终端使用的显著优点，赢 得广大船工的信赖，被誉为“太空灯塔”【6 1 。g p s 接收机已经大量装备到船舶上， 2 华东师范大学硕士学位论文绪论 几乎成为船舶必备装备。g p s 在船舶上的主要用途是自主导航和定位，在保障船 舶航行和作业安全、提高生产效益方面发挥了很好的作用【6 1 。中国水产科学研究 院渔业资源与环境研究中心和中国水产科学研究院联合开发的v m s ( 渔业船舶 船位监控系统) 是地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、卫星通讯技术、 计算机网络技术的综合应用。该系统主要功能为船位信息调度、信息查询和通信 指挥等，意在进行灾难救助、海域资源管理【6 】。 但是g p s 在船舶上的应用多数是自主导航而不是船舶动态监控，这受限于 g p s 的被动工作方式，即由g p s 解算出的定位数据只存储在g p s 设备中，不能 主动向外界传输。而无论是选择无线电通信网络，还是蜂窝移动通信网络来传输 g p s 数据都仅仅适合于近海范围，远海则无法正常捕捉网络，会造成传输中断或 延迟。因此，采用g p s 作为定位数据源多应用在以船舶为载体的自主导航上， 并不符合对远洋船舶监控的研究。 a i s 船舶自动识别系统( a m t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称触s 系统) 由岸基( 基 站) 设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算 机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备聊。m s 工作示意图见 图1 2 。船载越s 系统的工作原理和核心成分为一台或多台g p s d g p s 接收机， 借助于它的精密定位、测速功能，并提供高精度的时间基准，实现自组织时分多 址联接( s o t d m a ) 数据通信技术【8 - 9 1 。m s 接收基站将接收到的船舶信息以n m e a 语句的形式通过r s 2 3 2 接口发送到通信服务器，然后通信服务器将解析得到的 数据发送到监控中心网络中f 1 0 】，监控部门只需建设舢s 接收基站即可获得监控 数据。灿s 使用2 个 f 频道进行通信，属于专网通信，保证了通信的质量， 同一基站覆盖范围内能够同时容纳几百艘船舶的通信，m s 工作在v h f 频带， 可以做到每秒2 0 0 0 个报告，每2 秒钟可更新一次，使用时分多址技术( t d m a ) 来满足高速传输速率并保证可靠的通信用。 m s 配合全球定位系统( g p s ) 将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动 态数据结合船名、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频( v h f ) 频道向附近 3 华东师范大学硕士学位论文绪论 水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态 资讯，灿s 的正确使用有助于加强海上生命安全、提高航行的安全性和效率，以 及对海洋环境的保护【1 1 1 。 图1 2 s 工作示意图 i m 吼r s a t c h l i i l a r s a t 是国际海事移动卫星公司( 1 9 9 9 年前称为国际海事卫星组织) 的简称， 创建于1 9 7 9 年，目前是世界上唯一为海、陆、空用户提供全球无缝隙覆盖的卫 星遇险安全通信业务和移动公众通信的系统【1 2 1 。i m n a r s a t 系统从1 9 8 2 年提供全 球业务以来，稳定可靠地运行了2 0 多年，是最成熟的移动卫星通信系统。 i n m a r s a t c 系统是低速率、双向全球卫星移动数据通信系统，其通信速率为 6 0 0b i t s 。i 衄a r s a t c 通信系统由3 部分组成，即空间段、卫星地面站和用户终 端。空间段包括通信卫星、网络协调站和网控中心。卫星地面站为卫星和陆地网 之间的连接枢纽，空间段为胁a r s a t 所有股东共同拥有，卫星地面站由各国投资 者自行建设和管理并直接负责对用户提供服务【1 2 】。h l m a r s a t c 用户终端是专门为 移动目标( 包括船舶、车辆和航空器) 监控而设计的，它将卫星收发信机、天线和 1 2 通道g p s 集成于一体，体积小、重量轻，采用全向式收发天线，系统设计趋 于人性化和智能化。i i l m a r s a t c 工作示意图见图1 3 。 4 华东师范大学硕士学位论文 绪论 图1 3i l l m a r s a t c 工作示意图 北斗卫星定位通信技术 我国的北斗卫星导航定位系统从上世纪8 0 年代开始研究，1 9 9 3 年开始进 入正式开发阶段，并于2 0 0 0 年1 0 月和1 2 月分别成功发射了最初的两颗“北斗” 卫星，2 0 0 3 年5 月2 5 日完成了第三颗“北斗”卫星，为我国研制、开发、利用自 有知识产权的卫星导航系统奠定了基础。 北斗卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星i 和卫星i i 同 时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星 的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中 心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应 的数据处型1 3 1 。北斗卫星工作示意图见图1 4 。 我国船舶船位监测于2 0 0 1 年开始利用“北斗”卫星提供的船位信息和g i s 技 术开展船位监测的工作。卫星全天候，全天时的不受天气、时间影响的特点，正 好适合作为传输手段。从性价比来看，同等价位上采用北斗卫星通信比其他诸如 国际海事卫星( n m a r s a t ) 和阿高斯( a r g o s ) 性价比更高，因为北斗卫星 兼顾定位和通信双功能。从军事角度来看，北斗是具有我国研制的具有自主知识 产权的卫星定位系统，国际海事卫星是各国共同签署的联合卫星，阿高斯卫星是 法国国家空间研究中心与美国航宇局和海洋大气局合作的第一个全球定位和数 据采集系统，支持国家创造可以让我国在导航通信方面更具有自主权。 5 华东师范大学硕士学位论文绪论 图1 4 北斗卫星工作示意图 1 3 地理信息系统技术的发展 地理信息系统技术在船舶监控中主要起到平台显示的作用，通过地理信息系 统独有的空间表达特性，可以很直观的将实时船舶位置显示在监控平台上。 地理信息系统是计算机硬件、软件、地理数据和人员的有机集合，以有效的 获取、存储、更新、操作、分析和显示所有形式的地理信息，船舶位置信息是地 理信息系统研究的地理信息，凭借地理信息系统可以解释船舶在地理空间的位置 事件【1 4 1 。 近年来地理信息系统得到了迅速发展，它不仅被广泛应用于土地利用、资源 管理、环境监测、交通运输、城市规划、经济建设以及政府各职能部门，其本身 亦随着现代科学技术的发展，发生了新的转变。这个转变是由i i l t e m e 饥n t r a n e t 的兴起带动起来的，改变了传统地图的显示方式，让地理信息系统的应用更加深 入。由于浏览器技术的普及，浏览器应用的简单和易用性等特点，基于浏览器的 地理信息系统应用很快成为h l t e m e 恤t e m c t 架构下的主流，于是网络地理信息系 统( 网络g i s ) 便应运而生，可以说网络g i s 是地理信息系统发展过程中某一时 段的产品与应用形式【1 5 】。基于b s 的网络g i s 是网络g i s 中的一种，它以w r e b 页面作为g i s 软件的用户界面，把i i l t e m e t 和g i s 技术结合在一起，为各种地理 6 华东师范大学硕士学位论文绪论 信息应用提供g i s 功能，是g i s 在网络环境中的应用i 蚓。与传统g i s 相比，具 有b s 体系结构的网络g i s ( w r e b g i s ) 使原来基于单机或局域网的g i s 扩展到 整个因特网，使得空间数据模型和结构有可能在全球范围内共享，更让g i s 真正 成为一种大众化的地理信息分析工具【1 6 1 。此外，w | e bg i s 开发和应用管理成本低、 使用简单，能实现真正的信息共享，平台具有很强的独立性、良好的可扩展性、 更广泛的访问范围、平衡高效的计算负载等诸多优点。 采用w 曲的开发模式，从i i l t e m e t 上的任何一个分散的客户端，用户可以浏 览w 曲g i s 中的地图数据，并能用w 曲g i s 提供的功能对这些数据进行空间查询 分析、属性查看等交互操作。目前w 曲g i s 大多数都是基于成熟的企业级w 曲g i s 平台开发的，最典型就是e s r i 公司开发的m c s e e r 和c i m s 平台，这些平台 虽然已经用于地理信息管理等服务中，但是它们都存在着这样的不足： ( 1 ) 开发平台购买价格昂贵； ( 2 ) 开发灵活性受限； ( 3 ) 地图显示信息方式匮乏； 本文采用m a p s e r v e r 和o p e n l a y e r 作为g i s 地图发布器和地图浏览器。 m a p s e e r 是由美国明尼苏达大学开发的，使用c 语言编写的开源软件，它本身 又依赖一些开源的或免费的库【1 7 1 。采用m a p s e r v e r 作为w 曲g i s 的地图发布器， 一方面具有权威性，即它支持o g c 协会的若干标准，支持分布共享和互操作； 另一方面与商业软件相比，m a p s e e r 是开源的，可以免费使用，还可以根据需 要修改源代码，灵活性强。o p e n l a y e r 采用面向对象方式开发，实现访问地理空 间数据的方法都符合行业标准，跟船舶系统开发模式类似，所以可以很快的理解 o p e n l a y e r 源码，进行自定义的操作。 1 4 论文研究内容和论文框架 研究内容 本文是在m 项目的资助下完成。本文的研究工作就是以我国北斗卫星导航 系统为技术依据，在获取定位通信数据的基础上，建立一个具有高可靠性和时效 性的w r e b 船舶监控系统。利用北斗卫星所具有的定位和通信双重功能，解决海 7 华东师范大学硕士学位论文 绪论 洋上船舶的定位监控和调度指挥服务。卫星定位通信技术结合w 曲g i s 技术在船 舶监控中主要实现了以下功能：船位实时监测及显示；定时船位回报；历史船位 的查询和轨迹播放；船舶资料管理；中英文通信；通过用不同类型的图标区分船 舶不同航行状态等。针对如上的功能，本文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 系统架构 一个项目的系统构架决定了一个项目的成败。在建造一个系统之前会有很 多的重要决定需要事先作出，而一旦系统开始进行详细设计甚至建造，这些决定 就很难更改甚至无法更改。显然，这样的决定必定是有关系统设计成败的最重要 决定，必须经过非常慎重的研究和考察。因此，好的系统构架就等于成功的一半， 好的系统设计既利于维护，又利于开发过程中的事务处理。 ( 2 ) 基础海图的制作 基础海图是监控平台中显示的关键，制作基础海图既要符合基本的s 5 7 ， s 5 2 显示标准，还要转换成m a ps e e r 可以发布的格式，便于船舶监控系统中 使用。 ( 3 ) 北斗定位数据的传输及获取 北斗每次要定位之前必须先向卫星发送指令。而这个指令发送和获得反馈 数据是依靠北斗服务器端( 在第三章中详细描述) 来完成。发送的指令通过服务 器端加密，发送到北斗；回馈的数据信息又是通过服务器端解码，从中提取有效 信息。 ( 4 ) 实时数据显示技术 实时数据显示是船舶监控系统实现的核心技术。本文针对w 曲系统的特性， 选择一种适合的实时数据显示技术，保证系统中数据的时效性。 论文框架 本篇论文框架结构见图1 5 所示。 第二章：论述船舶监控系统的总体框架。从需求分析出发，确定用户的需要， 设计系统的主要功能，分析系统数据的流向，搭建系统的架构，建立系统关系数 据库。 8 华东师范大学硕士学位论文 绪论 第三章：论述船舶监控系统应用的关键技术。这些关键技术包括：海图的制 作、发布和浏览；北斗卫星定位系统的应用方法；实时数据显示技术以及用户界 面设计。 第四章：论述船舶监控系统主要功能的实现过程。根据第二章中的功能设计 和第三章的关键技术的研究，本章具体描述构建船舶监控系统的核心功能实现的 算法和功能表现方式。 第五章：针对船舶监控系统的设计、技术研究和功能实现进行总结，并进一 步说明系统需要改进的方向。 9 华东师范大学硕二学位论文 绪论 图1 5 论文框架 1 0 华东师范大学硕士学位论文 船舶监控系统的总体框架 第2 章船舶监控系统的总体框架 软件在生活中随处可见，我们时常认为，软件理所当然地应该让我们的生活 更加舒适、有用和有效【1 8 l 。例如，取钱这样一个简单的任务中，a t m 机的代码 控制被插入的银行卡的识别，以及吞吐正确的金额数量。现在我们生活的各个方 面，包括影响我们健康和福利的关键系统，软件都在发挥着作用，正因为如此， 软件工程比以往任何时候都更加重要【1 8 】。好的软件工程能够确保软件在我们的生 活中发挥积极的作用。 根据上一章中对船舶监控研究意义的分析阐述，我们得出船舶监控系统的建 立不仅能够减轻领航员的负担，让领航员高效的完成领航任务，亦可掌握出航船 舶的实时状态，及时应对船舶突发状况。总体来说，船舶监控系统能够为多层次 的对象服务。为了建立一个高质量的船舶监控系统，本章按照软件工程的观点， 宏观的把握船舶监控系统的总体框架，从对船舶监控系统的需求分析开始，强调 系统总体框架设计中的关键问题，描述船舶监控系统构建过程中的必经流程，以 及这些流程如何影响我们构建和使用最终软件产品。 首先，本章探讨船舶监控系统的需求分析以及寻求针对这些需求分析的功 能。每个软件开发过程都是以获取需求为目的的活动，理解和掌握用户的基本问 题和目标，帮助用户解决问题【1 引。 其次，探讨系统数据模型。根据得到的需求分析，量化系统，分析为了完成 系统所需要的数据以及系统创建过程中产生的数据，以便根据系统数据的流向更 好的分析系统的完成进度。 本章还将探讨系统的架构设计和关系数据库设计。系统架构是一系列决策和 基本原理的集合，这些决策的目标在于开发有效且高效的软件，而基本原理是系 统的可理解性、可维护性和可扩展性【1 9 l 。即系统的建立必须要满足这三个原理， 才能被称之为高质量的软件。系统关系数据库是连接系统和系统数据的桥梁，首 先将系统数据存储在关系数据库中，然后系统调用关系数据库得到系统数据。 通过对以上问题的分析研究，可以了解在高质量软件开发的方面，已经取得 的进展以及在哪些方面要做出努力。本章的最终目标是，生成出高质量软件，并 1 1 华东师范大学硕士学位论文船舶监控系统的总体框架 考虑那些对软件质量有影响的特性。 2 1 系统的功能需求分析和功能设计 2 1 1 系统功能需求分析 “构建一个软件系统最困难的部分是确定构建什么。其他部分工作不会像这 部分工作一样，在出错之后如此严重地影响随后实现的系统，并且在以后修补竟 会如此的困难 _ - f r e db f o o k s 需求就是对期望的行为的表达。需求并不涉及系统如何实现，没有提及应该 使用什么数据库管理系统，计算机怎样处理进程优先级，或者使用何种程序设计 语言来实现系统，需求的目标是理解客户的问题和需要。因此，需求集中于客户 和问题，而不是解决方案和实现【1 9 】。例如，假定我们正在构建一个为客户的公司 生成工资单的系统，一个需求可能是每个月生成一次所有职工的工资单。另一个 需求是统计发放总额以及不同部门的工资总额。我们通过沟通得到以上两条需求 就是客户需要解决的问题。 需求要被很好的理解。设计人员如果错误理解某个需求，创建出与需求分析 人员和用户的实际意图不相符的设计，那么这个设计故障就是一种错误的编码， 也可能导致其他故障。一旦软件解决的问题不对，那么即使软件再精巧也满足不 了任何人的需求。这就是在设计和开发一个基于计算机的系统之前，理解客户需 求的重要性所在【2 0 1 。 那么，如何获取需求，通过何种方式跟客户沟通，才能获得全面、正确的需 求? 客户用户并不完全确定需要什么，对计算环境的能力和限制所知甚少，对 问题域没有完整的认识，所以，要采用科学的需求分析研究方法。s h a r ib w r e n c e p n e e g e r 通过多年的工作经验总结了一套需求分析阶段中需要经过的步骤，图2 1 为需求分析过程图。 1 2 华东师范大学硕士学位论文 船舶监控系统的总体框架 z 零 l 引发h 分析h 规格说明h 确认 雾 叫嚣 囊 鍪 图2 1 需求分析过程图 引发。起始指客户和开发人员之间初步的合作，通过文字或者面谈的方 式交流系统应该被建设成什么样子，该阶段要以客户为中心，重点聆听客 户想要解决的问题。 分析。根据收集到的用户需求，思考系统或产品的目标是什么? 想要实 现什么? 系统和产品如何满足业务的要求，最终系统或产品如何用于日常 工作? 该阶段要求集中于开发一个精确的技术模型，用于说明软件的功能、 特征和约束【2 1 1 。 规格说明。是需求工程中完成的最终工作产品，规格说明描述了一个基 于计算机系统的功能和性能，以及那些将影响系统开发的约束，它将作为 软件工程后续过程的基础【2 1 1 。 确认。需求确认要检查规格说明以保证所有的系统需求已被无歧义地说 明；不一致性、疏漏和错误已经被检测出并被纠正；需求经过测试是可行 的；工作产品符合过程、项目和产品建立的标准1 2 1 】。 需求管理。需求管理需要对需求进行文字备份，用以保证日后需求不会 被任意更改，或者遗漏需求的内容。 依照以上需求分析的步骤以及从系统侧重的多层次应用对象的考虑，我们确 定船舶动态监控管理中的需求问题。船舶动态监控管理具体有如下5 个方面的需 求： 1 3 华东师范大学硕：l 学位论文船舶监控系统的总体框架 ( 1 ) 自动判断船载设备的工作状态 要求不需要工作人员进行任何操作，对监控船舶的船载设备，自动判断其工 作状态，从而判断出船舶的工作状态( 出航休息) ，同时发送到监控中心，实时 地上报哪些船舶正在出航、哪些船舶正在休息。 ( 2 ) 实时掌握船舶航行状态 管理部门通过监控中心平台实时地掌握每条船舶航行的状态。在紧急时刻， 能够立刻查询到具体某条船在某一时刻的位置。并且能够查询到船舶的分布位 置，这在防台抗台工作中相当重要【2 2 1 。 ( 3 ) 指定船舶的单独监控 需求要求对一类如有过灾害性事件发生或承载高金额的船舶进行重点监控。 为这类船舶单独增开监控窗口，不需要用户经过查询才能得到指定的船舶位置信 息。 ( 4 ) 船舶航行轨迹报告历史查询 该需求用于监控后的分析。提供用户按日期筛选指定船舶的航行记录，模仿 当时船舶的航行状态，动态的播放航行路线。 ( 5 ) 船舶航行通信报告历史查询和统计 该需求用于监控后的分析。提供用户按日期筛选指定船舶或全部受监控船舶 与中心之间的通信记录，并以图表方式直观展示。 根据以上确认的船舶监控系统的需求，我们确定系统的边界如图2 2 所示。 实线框是船舶监控系统的边界，框内则是船舶监控系统，系统通过与外界联系获 取所需数据( 位置数据、属性数据、短消息数据) ，并将数据经过计算机语言的 重新组织和表达，展示给用户。 1 4 华东师范大学硕士学位论文船舶监控系统的总体框架 用户 2 1 2 系统功能框架 图2 2 系统边界 根据需求分析中的内容，确定船舶监控系统功能分为实时船位显示、地图操 作、历史船舶信息管理、数据管理以及帮助五项功能模块，这些功能的具体内容 组成系统的功能框架，如图2 3 所示。 ( 1 ) 实时数据显示 实时数据显示，用于报告出航船舶的实时位置和警报，在紧急时刻，能够立 刻查询到具体某条船在某一时刻的位置，并且能够查询到船舶的分布位置。还用 于报告出航船舶接收和发送的实时