浅析GIS在船舶避碰决策中的应用

浅析GIS在船舶避碰决策中的应用

摘要：随着现代航运业的发展，船舶的大型化、高速化日益明显，在海上航行的船舶会遇时，须分析会遇海域内其他船舶的航行动态、水文、气象、管理规定等多方面因素来决定避碰策略。目前船舶装备的现代导助航设备主要包括雷达、GPS、船载AIS、ECDIS等电子仪器，这在一定程度上大大减小的了船舶驾驶员的工作强度。GIS在船舶避碰中的应用将进一步帮助船舶驾驶员确定船舶会遇时的有效避碰策略，保障海上船舶的航行安全，同时也提高了航运企业的运营效率。Abstract: With the development of modern shipping industry, the ship's large-scale, high-speed has become increasingly evident.When the ships encounter at sea, the following factors in the encountered area should be analyzed to determine strategy for preventing collision,such as the states of other ships,hydrology, meteorology, regulations and so on.The current navigational equipments equipped in ships mainly include radar, GPS, AIS, ECDIS and other electronic equipments,which greatly reducing the work intensity of the crew. Application of GIS in ship collision preventation will further help the drivers to determine the effective strategies for preventing collision when the ships will encounter,in which way can protect the safety of navigation of ships at sea,as well as improve the operational efficiency of shipping enterprises.

关键词：GIS 避碰航行安全

0 引言

随着信息技术和计算机技术在航海上的大范围应用，智能航海也越来越多的成为现代科技工作者的研究方向，通过研究船舶智能避碰系统来选择船舶会遇局面下的最优避碰方案，可大幅度提高船舶避碰时的操船效率，保证航行的安全。传统的自动避碰系统是基于雷达的初始信息来完成的，但由于雷达受气象条件、自身硬件设施的限制，在很大程度上不能完成避碰系统的要求。近年来，AIS和ECDIS等动态电子信息在船舶智能避碰系统中的应用已大大提升了船舶的避碰效率，但在使用的过程中，拘泥于动态水面信息的更新与辅助，对三维环境中的实

时信息补充略显不足。

1 GIS简介

1.1 GIS的定义与应用类型

GIS（Geographic Information System或Geo－Information system），地理信息系统，有时又称为“地学信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是指在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS是一门综合性技术，GIS的应用需要利用和集成其他技术。根据GIS所应用领域的不同可将其应用类型分成多种，主要有：基于影像的信息系统（IBIS）、土地信息系统（LIS）、市场分析信息系统（MAIS）、地籍信息系统（CIS）、自然资源管理信息系统（NRMIS）、规划信息系统（PIS）、城市信息系统（UIS）、空间信息系统（SIS）、交通运输地理信息系统（GIS-T）和空间决策信息系统（SDIS）。

对于GIS的应用，可总体归纳为两种情况。一是利用GIS系统来加工和管理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的二次开发技术开发用户专用的地理信息系统。

1.2 GIS的组成

GIS是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上, 这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。在其组成部分上，一般可分为以下五个部分。

1、人员，开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。

2、数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。

3、硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。

4、软件，部件包括GIS软件，还包括各种数据库、绘图、统计、影像处理剂其它程序。

5、过程，GIS要求明确定义，一致的方法来产生正确的可验证的结果。

GIS的五个组成部分是通过有效的联系紧密组成的，5个部分通过有机的配

2 船舶避碰过程

3 船舶智能避碰系统的现状

3.1 AIS系统在船舶智能避碰中的应用

AIS系统是由岸台系统和船载设备两部分组成的。AIS系统是通过搜集船载GPS、DGPS、雷达（APRA）、罗经等信息，综合处理，反映在AIS显示器上。信息综合处理后可直接作用与船车和舵，满足船舶自适应舵的灵敏度要求，实现船舶的自动避碰的。

AIS在船舶智能避碰系统中起着举足轻重的作用，它通过捕获一系列船舶周围目标船舶的航行动态，综合分析船舶的会遇态势，排除不构成碰撞危险的船舶，重点分析DCPA、TCPA较小的最需紧急避碰的船舶，使驾驶员在船舶避碰时的效率得到提高。

3.2 AIS在船舶智能避碰中的不足与欠缺

AIS与其他无线电设备一样容易受电磁环境的影响，尤其是低频微波、大功率VHF和无线电通信台对其影响最大。在不良的电磁环境下，AIS的误码率很高，今儿影响其提供数据的可靠性。此外，由于AIS信息的公开性，如何防止AIS信息被别有用心的人利用应引起高度重视。AIS推广的时间不长，在AIS数据和雷达数据在航行环境、交通管理系统的同一平台和编码方式下的数据共享、处理分析还不够完善。

AIS在船舶智能避碰中，信息的获取不足和误判，会直接影响到驾驶员对会遇局面的分析不当，这在一定程度上还需要传统瞭望和陀螺罗经的协助来完成安全会遇。尤其是在近岸浅水区域航行时，海域的静态信息不足以提供给驾驶员易识别的三维立体航行环境信息，使得在避碰中还受诸多牵制。

4 GIS在船舶智能避碰中的应用

4.1 GIS应用的优势

空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。GIS的各项功能已形成独立的完整系统，提供了强大的数据输入输出功能、空间分析功能、良好的图形平台和可靠性能。在海域中，GIS可利用强大的信息收集能力，传输给用户实时海洋水文信息，包括洋流动态、海底地形地质、水温、

潮汐类型、流速流向、水体压力变化等；气象信息，包括大气压力层结构变化，气温、湿度等信息。

在智能避碰系统中，GIS可以电子海图为基础，通过传递实时信息至电子海图上，在电子海图上标注出狭窄航道、港湾、海底暗礁及沉船等危险航行地带，并结合GPS导航技术，对船舶的航行施行动态监控，时刻监视船舶的航行环境变化，实现船舶的避碰。

4.2 GIS在船舶智能避碰系统中应用的实现

为了实现对船舶的全局监控终端显示，就必须实现GPS全球定位系统的定位及与GIS之间的接口通讯，在船舶智能避碰系统中，可使用PC机从GPS接收机读取定位信息，向GPS接收机输出设置信息，再通过DDE动态数据交换，将数据提供给GIS软件，从而在全局矢量地图上实现目标的实时显示与跟踪。同时，也可通过计算机将船舶的位置信息等输出至GPS接收机，对GPS接收机进行初始化。

GIS在将信息传输至GPS后，与GPS获取的精确地理位置信息同步显示在电子海图上，实现多维电子海图的显示，可供船舶驾驶员对当前航行环境进行深入的了解和认识。在形成多船舶会遇时，充分分析会遇局面及各限制因素，以最高的效率选择最佳的避碰方式。

GIS同时也是对AIS动态信息的实时补充，AIS具有强大的信息收集能力，对航行环境中其他物标船舶具有良好的监视作用。GIS的有效利用可以大幅度补充船舶航行环境中的地理动态信息，譬如将大气层结构变化的动态传递给船舶基站，通过分析气压和湿度的变化获取远期海洋气象的变化。将实时海洋气象、水文等地理信息传递给AIS和电子海图系统，可以在很大程度上帮助驾驶员选择更加合理的避碰决策，如在转向操作时的压舵变化等。

GIS系统在船舶智能避碰中的实现需通过系统传感器将所需信息传递给ECDIS，将罗经、计程仪、GPS、DGPS、测深仪等信息源综合归纳到电子海图的应用界面上，再将通过雷达捕获的附近水域船舶信息等AIS信息同步传递给电子海图，用户根据需要选择所需信息的层次，分析在DCPA和TCPA较迫切的目标合适的避碰方式和策略，并分析该策略的优缺点，综合处理后合理选择避碰方式。