交通运输部水运科学研究院武芳:地球信息科学在我国港口信息化中的应用研究
交通运输部水运科学研究院  2014年01月06日

  摘要:港口是交通运输的重要组成部分。本文通过对港口信息管理发展中遇到的问题进行梳理,凝结出地球信息科学在港口信息发展应用中的主要技术。分析表明,地球信息科学目前在我国港口信息化中的应用可以概括为四个层次,分别为:基于空间的数据库管理和多为展现、基于GPS的数据更新和跟踪、基于3S的港口业务分析与模拟、基于行业模型的规划设计和决策支持。得出地理信息系统技术应用于港口航道的管理中,是行业业务应用和管理的必然选择和发展方向;同时指出,3S技术在港口信息化应用的发展趋势,是港口信息服务化、对遥感数据的综合利用等,为学科发展提出了指导和建议。 

  关键词:地球信息科学 港口 信息化 3S
一、我国传统港口管理存在的问题
长期以来,水路运输都是我国重要的交通方式之一。而港口作为交通枢纽、物资集散和工业与国际经贸服务的中心,又是水运领域的重要组成部分(杨玉满, 2008; 王耿锋等, 2009)。近年来,随着我国经济的快速发展,港口的建设规模逐年增大,港口的基础建设发展迅速,对港口服务的要求也越来越高(陈常华, 2007)。
传统的港口资料管理模式主要以文本描述与配图为主,而随着信息化技术的飞速发展,对于港口的海量、复杂数据,现有的管理系统已经不能满足现实发展的需要(王耿锋等, 2009)。目前,港口信息在管理中暴露出诸多不足,主要可归纳为以下六点。
(1)港口资料数字管理程度低。传统的基础设施管理大多纸张化,靠工作人员的记忆管理和人工统计分析,管理费时、费力、效率低;已开发的信息管理系统,大多只是通过关系数据库进行管理,缺乏空间数据,对于港口信息的位置描述欠清晰、定位困难,更无法判断对象的形状、大小及与相邻业务对象之间的关系。在事故应急指挥及港口基础管理中,当前的信息管理方式难以将所需的资料搜集全、整合利用,阻碍了管理维护水平的进一步提高。
(2)缺少直观可视的管理系统。由于港口数据空间信息的普遍缺乏,目前在地图、海图、遥感影像或规划图上对港口业务数据的直观展示无法实现,不能从整体的角度查看全港资源数据。
(3)信息的有效性、实效性有待进一步提高。传统港口数据更新方式比较落后,多为统计数据或已有表单数据的人工手动录入,对于状态时刻变化的船舶、危险货品等港口要素缺乏提示生产的作用。而这些对象的状态又是港口治安、危险品安全、船舶调度、安全应急等工作最需要获取的信息。
(4)应用开发水平较低,不能满足港务和航道分析管理的需要。随着国家对公路、水路交通运输信息化的重视,一些港口开始了信息化建设,数据的管理和可视化水平有了一定程度的提高。但普遍存在的问题是,对信息的综合分析能力较差,与业务内容及行业模型的结合不足,灾情评估、统计分析等工作仍停留在人工层面,缺少对灾情的综合评估分析(朱博麟等, 2009),数据库中的大量数据未能发挥应有的作用,合理转化为港口、航运业务所需要的宝贵信息。
(5)辅助决策系统尚未建立完善。港口信息系统丰富的资源可以为交通部主管部门提供数据服务,作为电子书柜提高其工作效率(胥滢波, 2005)。但目前,大多系统都不能起到决策和规划指导作用,亟待深化。
(6)信息共享能力差。传统港口管理信息发布多数是以人工方式逐一传达,不仅效率低下,还容易出现错误,不利于港口管理工作的迅速有效开展。
二、地球信息科学核心技术
地球信息科学,是由全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、计算机技术和数字传输网络等一系列现代技术高度集成,是以信息流为手段,研究地球系统内部物质流、能量流和人流运动规律的一门应用科学(陈述彭, 2007)。
其中,在传统港口信息系统中最重要的是GIS的交叉应用。通过对港口相关资料的充分把握,构建基于GlS的港口信息系统,建立港口缩影,以图文并茂的方式将港口的整体概况、自然条件、地理形势(地理位置、范围、面积、区域形势等特征)、环境组成、功能设施等特征详细地呈现给用户(王耿锋等, 2009),提供相关信息的快速查询(杨玉满, 2008),有效促进了港口规划建设的决策科学化和管理现代化,使码头基础设施能够发挥最大的经济效益。(陈常华, 2007)。
遥感技术则向港口信息管理提供了无人机等快捷的数据观测方法和一手、多时相的高分辨率数据源(谌业良等, 2011),以及微波影像等重要的监测数据源。
GPS通过与电子海图、无线电通信网络、AIS、物联网等技术结合,充分体现了其使用方便、观测简单、定位精度高、经济效益好等优点,提供了船舶、危险货品等重要港口要素的实时信息,为港口资源实时监测与管理带来了一场深刻的技术革命(刘松林, 2010)。
在实际应用中可以看到,地球信息科学中的各部分相互结合,逐步渗透到港口信息现代化建设中,在港口信息化管理的舞台上发挥着越来越重要的作用。
三、地球信息科学在我国港口管理中的应用
根据对港口资源数据的管理、分析和综合利用程度,地球信息科学在港口资源信息化管理的应用中,可分为四个层次,分别在空间数据的管理和可视化、数据的获取和更新、分析与模拟、规划设计和决策支持等方面,为港口信息化带来了新的思路和发展,如下图所示。


  (一)实现基于空间的数据库管理和多维展现
对传统数据实现基于空间的数据库管理和多维展现,是地球信息科学技术在港口信息管理中的初级应用,也是重要应用。这为进一步的分析模拟及决策支持提供了平台、奠定了基础(陈新等, 2005)。
与一切行业业务数据相似,港口数据是复杂多样和海量的。同一港口包含多个港区,每个港区又包含码头、泊位、航道、锚地、罐区、罐组、危险品仓库、危险品堆场、变电所、加油站、消防队、港区排污口、视频监控点、使用岸线等多种业务要素。不同要素不仅自身具备各不相同的自有属性,在业务交叉过程中,又各自具有专业属性。自有属性,是港口信息化建设中比较固定的模块,一般需建设的数据库可能有港口基础地形图、港口影像、港区坐标与高程、港口建设项目专题、港口综合管线专题、港口总体规划图专题、港口海域使用专题、港口通讯设施专题、港口分货类吞吐量专题、港口电力设施专题、物流中心基础地理信息、其他专题和区域地理信息等数据库(陈新等, 2005)。而针对具有业务属性的港口数据的组织存储,则需依据对业务的分析和信息化系统的需求来设计。如江文萍在对GIS的港口与航道三维模拟信息系统中,将数据组织为基础地理信息库、水深专题数据库、三维模型数据库三类,每一类又单独下设二级分类(江文萍, 2012);方旭东在对GIS的港口交通规划系统设计中,将相关数据分为社会经济、交通运输、交通基础设施、自然条件、政策法规和基础图形数据六类(方旭东, 2009)。这些组织在空间数据库中的港口数据,采用图层(Layer)分层式存储管理模式进行存储。每个图层都包括目标集(用实体图形来表达)和属性集两种数据集,通过目标关键字(惟一标识码)关联(林孝松等, 2009)。
简单的GIS港口信息系统通过对业务数据分层管理,将港口数据图层和电子海图或遥感影像底图叠加,实现“港区一张图”的二维展现,在系统中用图形表达实体的空间位置、空间形状和拓扑关系等,用属性数据表达实体的性质,如锚地的所属港区、所属经营人、宽度、长度等信息,实现以图形查属性、以属性查图形的功能。用户还可以任意打开或关闭相应图层,并可获得对图形放大、缩小、漫游、“鹰眼”、按比例尺缩放等功能(陈常华, 2007)。
(二)实现基于GPS的数据的更新和跟踪
全球定位系统(GPS)为实时获取港口业务动态数据提供了可能。它通过与物联网、AIS等技术相结合,可获取和传送实时数据,实现船舶、危险货品等数据的更新和跟踪,目前已广泛应用于港口船舶调度、物流货运、港口警力调度系统中。
吴训坤2008年提出港口船舶协同调度系统的设计,综合利用GPS与海事卫星通信系统、GMDSS海上无线电通信、船舶自动识别系统AIS、船舶交通服务系统VTS、电子海图和显示系统ECDIS,实现了船舶在港口范围内位置的可视化显示、船舶的状况数据显示,使集团业务部、船代、船东、货代和货主能够直观、及时地了解船舶的在港位置和状况,并可根据船舶现状,决定下一步工作的开始时间和内容,提高了港口企业的生产运作效率与经济效益(吴训坤, 2008)。刘松林在2010年的港口公安指挥决策系统中,提出了基于GIS/GPS技术的指挥决策系统的实现方案,将GPS/GIS技术与数据库、电子地图相结合,构建了一个先进的警用平台,实现了警车行进轨迹可视化,建立了接处警空间定位、警力调动、警力快速支援等指挥决策系统常见模型,实现警力的合理调度,有效运用(刘松林, 2010)。
(三)实现基于3S的港口业务分析与模拟
3S技术在港口信息化中分析与模拟的应用在近几年发展迅猛,通过对系统中数据深入挖掘和行业结合,综合分析模拟,已经协助于港口安全、生产、应急等具体的管理应用中。交通运输部水运科学研究院根据广泛的调研基础,密切结合港口业务,自2007年以来陆续开发出港口基础信息管理、港口危险货物管理、港口安全管理、港口设施保安管理、船舶进出港调度管理、船舶引航管理、港口生产管理、港口视频监控、船舶自动识别、移动执法、三维港口保安设施演练等业务系统,逐渐开展地球信息科学研究,在GIS的整体空间框架下,借助GPS和RS手段,全面提升原有港口业务管理方法。
从在业务中发挥分析和模拟能力的角度不同,港口信息化中的分析和模拟可分为两类:对业务数据进行影像分析、空间分析、可视化分析等3s技术的应用,及空间框架下行业模型的交叉融合。第一类如周斌等通过对TM5数据进行处理和反演建模,获取了日照港多时相的叶绿素和悬浮物指标,并对日照港的环境现状和近年来的环境质量变化给出了评价(周斌等, 2006)。在将路径分析方法运用于港口物流配送系统,通过对车辆最短路径算法的比较和实现,为港口物流业发展带来崭新的变化(李静宜, 2006)。第二类如黄沛等以GIS技术为支撑,选取港口功能适宜性体系指标,构建了以海岸自然条件和海岸社会经济条件为主要影响要素的港口功能适宜性评价模型,并对广西钦州湾的海岸进行了评价(黄沛,丰爱平等, 2010)。陆阳阳基于GIS,分析了集装箱港口设施设备,并通过对集装箱港口设施的设备分析,研究了基于GIS的集装箱港口空间分析方法,为判断港口设施之间所潜在的空间联系及评行流程的合理性提供了依据(陆阳阳, 2011)。
(四) 提供基于行业模型的规划设计和决策支持
随着地球信息科学的不断深入应用,地球信息科学已逐渐参与港口规划设计和决策支持的应用当中。然而,如第一部分所述,这部分的模型建设并不完善,目前用到的领域包括港口公安指挥决策,物流选择方案,及简单的规划分类设计中,是亟待进一步研究的领域。
五、结语
可以看出将地理信息系统技术应用于港口航道的管理中,在数据存储与管理方面、信息表现与可视化、在空间分析与模拟、规划设计和决策支持方面都具有其他技术无可比拟的优势:
相比古老的港口科学来说,地球信息科学是一项年轻的技术。从它在港口信息化中的应用轨迹中,可以很明显地看出其本身发展的痕迹。未来,地球信息科学在港口业务中的应用,会受到港口科学、地球信息科学、计算机科学、智能物联网等多种技术发展的综合影响。如何能将这些学科有机结合起来,更好地服务于我国的交通事业,仍是一个有待探索的问题。但可以肯定的是,将新兴的地球信息科学的思想融入传统的港口科学,已经并将持续地提高港口信息获取、表达、管理、分析的能力,是行业业务应用和管理的必然选择和发展方向。
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