0 引　言

船舶资源的调度是实现船舶运输资源优化配置的重要形式，资源调度的效率也直接决定了物流航运公司的经济效率。船舶资源调度是一个多因素寻优问题，需要综合船舶的航行速度、航线规划、船舶货物能力、货运成本等因素，特别是近年来能源价格居高不下、海上航运业竞争日益激烈，更需要提升航运企业的船舶资源调度水平。

GIS地理信息系统目前在海上船舶管理方面应用非常成功，借助GIS系统的软硬件设备，可以方便获取航运船舶位置、航速、航线等关键信息。本文针对的船舶资源调度场景是多货物、多港口、多航线和多船舶的综合场景，充分结合GIS地理信息系统，基于Visual Studio 2010开发船舶航行应急资源调度系统。

1 GIS地理信息系统

GIS地理信息系统由以太网、硬件系统、计算机软件系统、服务器、地图模型、船舶终端等构成，原理图如图1所示。

GIS地理信息系统的关键功能包括船舶显示、气象监测、船舶监控等。

1）船舶显示功能

GIS系统为了能够对目标海域的船舶进行实时监控，采集的船舶数据通过以太网的传输和同步后进入系统的数据库中，用户通过系统界面可以浏览目标船舶在海域的准确位置。将船舶不同位置、不同时间的数据连接起来，就构成了一段时间内船舶的航行轨迹。船舶显示功能是GIS系统的最基本功能，用户可以根据自己的需求进行数据的调用，获取船舶的航向、航速等实时动态。

GIS系统的数据调用格式为CM矢量海图数据^[1]，关键环节包括电子海图的综合显示封装和onap电子海图开发等，GIS系统的电子海图数据调用方式如图2所示。

2）气象监测功能

GIS地理信息系统为船舶用户提供气象监测功能，可以每天定时的进行气象动态的更新，船舶终端和地面监测站可以通过访问地理信息系统的电子海图界面，获取特定海域的气象状态，制定更加合理的航行线路，提高航运的安全性。此外，基于地理信息系统的数据库，用户可以获取指定海域不同时间的气象状态信息，并进行短时间内的气象预测。该功能对于船舶航运公司制定货运计划，避开恶劣天气有重要的作用。

3）船舶监控功能

配合系统的船舶显示功能，GIS地理信息系统为用户提供了船舶搜索和监控工具，能够方便地进行远洋船舶的航行监控。地理信息系统的船舶监控功能不仅仅局限于船舶位置的监控，而是一种深层次的船舶航行状态、设备运行质量的全方位监控。

用户在使用GIS系统的船舶监控功能时，以某一点为中心进行圆形或矩形区域的船舶检索，目标船舶锁定以后，可以定时对船舶的航行速度、货运状态、动力系统等关键信息进行实时跟踪。

2 基于GIS的船舶航行多阶段应急资源调度系统开发 2.1 船舶航行多阶段应急资源调度系统GIS服务器设计

本文结合GIS地理信息系统，进行船舶航行多阶段应急资源调度系统的开发，调度系统的核心是GIS服务器。通常，GIS服务器部署在Web Service服务器上，服务器接收用户的指令，为用户提供动态监视、地点和区域查询、路径和地图生成等服务。

GIS服务器的框架图如图3所示。

2.2 船舶航行多阶段应急资源调度系统显示模块设计

显示模块是资源调度系统与用户的信息交互媒介，本文使用GeoServer开源地图引擎配合OpenLayers脚本程序进行显示模块的开发，用户可实现地图数据分布、特征数据查询、插入等操作。

OpenLayers脚本作为一个开源的JavaScript库，具有地图快速显示功能，通过API进行地图资源的访问，与服务器解耦。

OpenLayers本质上是一个地图容器，它的工作原理如图3所示。

OpenLayers脚本能够实现图层layer的自定义^[2]和叠加显示，基于OpenLayers脚本，船舶航行应急资源调度系统的显示模块能够完成下述功能：

1）电子海图的基本显示和操作功能

比如海图的放大缩小、收藏、标记等。

2）船舶的实时位置显示功能

基于OpenLayers脚本的显示模块不仅可以实时监测船舶用户的实时位置信息，还可以通过图层变换使地图随着船舶位置更新进行位置变换。

3）航迹显示功能

显示模块可以将船舶的历史轨迹显示在电子海图上，用户能够调用6个月以内的船舶航迹数据。

4）海图自定义功能

用户可以根据需求定义电子海图的比例尺、布局等显示单元，并能够在电子海图上进行位置和目标船舶编码的搜索功能。

5）路径寻优功能

显示模块可以根据海域内船舶航行数据和气象条件进行路径寻优，用户只需要输入船舶的起始点与终点，显示模块可以为用户提供最优的路径。

6）交通流量计算

显示模块可以计算当前航线的交通流量，并计算海域内船舶数量的概率值，如下式：

$ P\left( X \right) = k\frac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\;\;,\left( {k = 0,1,\cdots } \right) 。$

式中： $ P\left( X \right) $ 为航线内船舶数量为k时的概率； $ \lambda $ 为航线上船舶的到达率； $ k $ 为船舶的数量。

可知，航线上有小于x艘船的概率为：

$ P\left( {X < x} \right) = \sum\limits_{k = 0}^x {} \frac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\; \text{，} $

航线上有大于x且小于y艘船概率为：

$\begin{split}& P\left( {x < X < y} \right) = \sum\limits_{k = x}^y k \frac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\; \text{，} \\ &P\left( {X = 0} \right) = {e^{ - \lambda t}} ，{\rm{others}}。\end{split}$

7）船舶航行速度分布建模

OpenLayers脚本通过采集大量的系统数据，将船舶航行速度拟合为连续型随机变量，并用正态分布的数学模型表示。系统的船舶航行速度概率密度函数和分布函数如下：

$ \begin{gathered} f\left( x \right) = \frac{1}{{\sqrt {\sqrt 2 {\text{π}} \sigma } }}{e^{\frac{{{{\left( {x - u} \right)}^2}}}{{2{{\text{π}} ^2}}}}}, \\ F\left( x \right) = \int_{ - \infty }^\infty {f\left( x \right)} {\rm{d}}x = \frac{1}{{\sqrt {\sqrt 2 {\text{π}} \sigma } }}\int_{ - \infty }^\infty {} {e^{\frac{{{{\left( {x - u} \right)}^2}}}{{2{{\text{π}} ^2}}}}}。\\ \end{gathered} $

$ \sigma $ 和u为正态分布系数，船舶航行速度正态分布示意如图5所示。

2.3 船舶航行多阶段应急资源调度系统用户信息管理模块设计

用户信息管理模块是调度系统的重要组成，功能包括用户信息及任务管理等，用户信息管理模块采用MySQL数据库技术，模块可实现的功能包括：

1）建立用户的数据库模型，将调度系统的用户权限数据、登录信息、船舶监测任务信息、电子海图、视频和图文信息、船舶资源调度任务信息等集成到数据库模型中。

2）结合MySQL数据库^[3]技术建立调度系统的资源表格管理信息，实现快速的数据查询、增删。

3）用户信息管理模块提供资源调度系统的分类查询功能，并保存查询结果，以备后续的数据分析和调用。

4）当用户需要新的数据需求时，用户信息管理模块可以提供多种数据项，比如编码、标识、IP地址、资源调度序列等。

用户信息管理模块的原理图如图6所示。

3 船舶航行多阶段应急资源调度系统软件开发

在船舶应急资源调度系统的软件开发过程中，本文采用的开发环境为Visual Studio 2010，该开发环境具有集成性、并行性等众多优点，能够实现多项目、多用户系统的开发。

使用的程序开发语言为Visual Basic6.0语言，这种语言具有模块化、面向对象等特点，同步能够满足程序开发和界面开发，通过建立ActiveX控件可以建立内容丰富的用户界面。

Visual Basic语言的特点包括：

1）可视化编程

Visual Basic 6.0将应用程序和数据封装起来，开发人员在进行设计时能够实现程序的可视化操作，从而提高了程序开发的效率。

2）事件驱动

Visual Basic程序由一个主程序和若干个子程序构成，针对某个特定的事件进行程序的编制^[4]。

本文基于Visual Studio 2010开发的船舶航行应急资源调度系统界面如图7所示。

4 结　语

本文结合GIS地理信息系统的软硬件资源，基于Visual Studio 2010开发环境，开发了船舶航行多阶段应急资源调度系统，并对系统的原理、功能模块、程序界面等进行了详细介绍。