59、智慧城市的移动内河导航系统

智慧城市的移动内河导航系统

1. 引言

智慧城市概念近年来迅速兴起，在全球各地催生了众多应用。不过，智慧城市的定义并不统一，在不同城市、地区、领域和文献中有着不同的理解。从最宽泛的角度来看，智慧城市的“智慧”体现在能够整合所有资源，高效无缝地实现自身设定的目标。从基础设施角度而言，其共同框架是集成中央信息通信技术（ICT）系统，连接有线或无线网络传感器以及先进分析模块，为市民开发智能应用和服务。

从用户角度，智慧城市可定义为一系列直接或间接影响用户生活的解决方案，包括智能经济、智能人群、智能环境、智能移动性、智能治理和智能生活六个维度。本文聚焦于智能移动性和智能生活，介绍一种内河移动导航系统。

世界上大多数大城市都位于河岸或直接濒临开放水域，这些城市通常也是重要的旅游中心，因此需要为城市内河旅游提供智能交通解决方案。本文从水域角度出发，描述了移动内河导航的框架，认为合理处理空间数据可为用户提供可靠的导航应用和旅游指南，该系统有望成为智慧城市中智能移动性和智能生活模块的一部分。

在研究过程中，对现有解决方案进行了详细分析，主要结论如下：
- 没有一款应用能充分利用移动地图展示的优势；
- 应用采用封闭的数据模型，数据互操作性有限；
- 应用通常支持离线模式；
- 应用的技术水平相近；
- 内河应用未建立有用地点的信息共享社区；
- 应用中高级空间分析的使用较少。

MobiNav 是一个科学项目，旨在设计和创建内河导航移动应用，主要用于规划和执行旅行，以及在社交网络上与朋友交换数据。该系统针对内河休闲船只用户，具备适合他们的数据、工具和信息展示模型，不仅提供导航功能，还能满足游客在航行路线上的其他需求。其重要研究成果包括：
- 开发了一种移动地图实现技术，使数据和地图展示层独立于应用本身；
- 开发并实现了作为高级空间分析集合的导航助手及动态展示模型；
- 开发并实现了将地理围栏技术用于导航需求的方法；
- 开发了集成内部和外部传感器的技术；
- 开发了完整的移动地图展示模型，包括概括和地图编辑；
- 开发了专门用于内河导航的新数据模型及从各种外部源导入数据的方法；
- 开发并实现了用于设计移动地图展示的综合工具。

2. 创建移动内河导航系统的方法

移动内河导航系统的设计和测试实现遵循项目中的连续任务，实际上是遵循了 GIS 项目开发的经典流程，同时更注重移动地图展示和移动技术。

2.1 系统架构

MobiNav 系统采用模块化架构，由移动应用、服务器端系统组成，还可轻松整合外部系统（包括智慧城市服务）提供的信息。移动应用支持在线和离线模式，将海图存储在本地，并使用海图管理模块与 MobiNav 服务器同步或更新海图。

除了负责显示矢量和光栅格式海图并叠加导航数据的可视化模块外，应用还有两个主要组件：一个负责进行各种空间分析，另一个负责收集和处理来自内部和外部传感器的数据，这些数据可通过船舶无线网络获取。

服务器端有三个基本模块。其中两个与海图相关，一个用于创建自定义格式的轻量级矢量海图，另一个负责存储和与移动应用同步新数据。此外，用户管理模块允许用户存储个人数据（如设置、航点、航迹）并与其他用户共享。服务器与移动用户之间的连接是加密的，所有基本功能在离线模式下也可使用。在线模式下，移动应用可使用多种外部系统和服务，如 Web 地图服务、天气服务、自动识别系统（AIS）、河流信息系统（RIS）和各种社交网络。

以下是 MobiNav 系统架构的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[移动应用]:::process -->|在线/离线| B[服务器端系统]:::process
    A -->|可整合| C[外部系统（含智慧城市服务）]:::process
    A -->|存储| D[本地海图存储]:::process
    A -->|同步/更新| B
    A -->|显示| E[可视化模块（矢量/光栅海图+导航数据）]:::process
    A -->|空间分析| F[空间分析组件]:::process
    A -->|数据收集处理| G[传感器数据组件]:::process
    B -->|创建| H[轻量级矢量海图模块]:::process
    B -->|存储同步| I[数据存储同步模块]:::process
    B -->|管理| J[用户管理模块]:::process
    A -->|使用| K[Web 地图服务]:::process
    A -->|使用| L[天气服务]:::process
    A -->|使用| M[AIS 系统]:::process
    A -->|使用| N[RIS 系统]:::process
    A -->|使用| O[社交网络]:::process

2.2 地图数据管理方法

系统的基础是来自公开数据源的地理数据。在内河航运中，内河电子导航图是最佳的导航数据来源。为确保系统在其他区域的功能，需要使用其他数据源并进行数据集成。测试系统在波兰的两个测试点进行，使用了地形数据库 BDOT10k、Vmap 2 级数据库、开源项目 Open Street Map 的公开数据以及操作员手动输入的数据，最终形成多分辨率和多表示的数据库，生成数字地图。地图在服务器上准备好后发送到移动设备，同时要根据大地测量控制点控制要素的几何属性。

实现集成空间数据模型需要精确描述所需的空间数据格式 MODEF（MO - binav 数据交换格式）。数据模型以 UML 类图定义，包含 27 个特征类和一个抽象类（MobiNav 类），其他类继承其基本属性。为实现新的空间数据模型，还定义了从所有源数据导入对象的规则，规则以算法形式设置，涵盖空间和属性方面，包括属性映射和数据验证。将数据准备为 MODEF 格式包括以下四个步骤：
1. 将源数据导入 PostgreSQL/PostGIS 数据库；
2. 处理和验证地理数据；
3. 将源表投影到 MODEF 标准；
4. 将最终数据导出为 GML 格式。

由于源数据库之间存在显著差异，在创建输出数据库时，算法会依次检查指定水域的可用数据源，并从最可靠的数据源开始选择数据进行展示。

2.3 动态传感器数据集成方法

在 MobiNav 应用中，全球导航卫星系统（GNSS）主要用于确定用户位置、航向和船只速度，通过用户移动设备内置的位置传感器实现。确定位置后，可进行一系列分析，如路线规划、与选定对象的距离计算以及确定导航障碍物的安全缓冲区。

应用会根据情况选择最佳定位系统，不仅限于 GNSS 传感器，还可结合辅助全球定位系统（AGPS）。移动设备中使用 GNSS 传感器对内河移动导航系统用户来说是合适的，其优势在于完全移动且设备与天线无电缆连接，项目中分析的 GNSS 接收器可达到亚米级精度，足以满足内河安全航行需求。

当接收到更多传感器数据时，MobiNav 建议通过船上安装的 Wi - Fi 模块分发数据，所有数据以 NMEA 协议通过无线网络传输，重要数据包括 AIS 交通信息、换能器下方深度和风向信息等，这些数据可通过岸上服务器在用户之间共享，形成内河智慧城市社区。

2.4 移动地图展示模型

MobiNav 系统的移动地图展示模型基于传统地图学、GIS 展示原则和陆地移动定位系统的地图展示方法学三个理论基础开发。该模型定义为一组离散的基本地图展示，由应用根据触发条件生成，概念如下：
[
CP = {GC_{p1},…, GC_{pm}}, p_1,…, p_m \in {1,…, n}
]
[
GC_p = \langle GCP_{i1},…, GCP_{ik} \rangle, P = {i_1,…, i_k} \subseteq {1,…, n}
]
[
GCP_i \subseteq CITU, i = 1,…, n
]
其中，CP 是地图展示，是地理组合集的家族；GC 是地理组合，是部分地理组合集的索引和排序家族；GCP 是部分地理组合。

MobiNav 的移动地图展示模型被理解为一组特定数量的地理组合及其组件，由应用在手动或自动触发条件下生成。开发用于设计移动地图展示的原创工具，能更充分地利用移动地图学的可能性。

2.5 内河导航系统中的移动技术

利用最新移动技术、传感器小型化和社交网络等成果，可为内河导航提供多种支持，涉及先进的数据管理和信息流动，通过蜂窝网络广泛的互联网连接，信息可在智能技术用户之间共享和复用。

• 导航安全的大众协作
  在 MobiNav 开发过程中，提出了一种用户间数据交换模型，基于大众协作技术为系统提供最新信息，弥补其他数据源或服务的不足。但允许用户共享和更新对导航安全至关重要的信息时，需要开发专门的数据模型和数据流。通过 XML 技术和简单对象访问协议（SOAP）可实现数据控制和传输，该技术已应用于现有 RIS 系统，MobiNav 也实现了完整模型。这种解决方案可降低系统开发成本，减少维护需求和数据获取成本，用户的大众协作还能为相关智能服务提供更多有趣的附加功能。

• 地理围栏
  现代移动操作系统中的地理围栏技术可实现多种复杂空间分析，用于监控指定区域内对象的位置。操作系统会跟踪用户位置，当进入或离开指定区域时触发事件。一般地理围栏可以是任意形状，但移动操作系统标准库通常仅实现圆形地理围栏，多数情况下圆形地理围栏已足够。地理围栏的精度主要取决于移动设备内置 GPS 接收器的定位精度，目前在开阔空间可达数米精度。

地理围栏是 MobiNav 中接近和缓冲区分析的简化解决方案，用于系统的警报和警告。其主要优势是开发者无需深入了解空间分析数学知识即可实现。在 MobiNav 中，地理围栏用于智能导航，在智慧城市背景下，最重要的功能是支持自动船闸和桥梁开启。当游船接近桥梁时，若存在桥梁和船闸管理信息系统，可自动向桥梁操作员发送开启桥梁的请求。

• 移动设备中的传感器
  如今，移动设备配备了高质量的传感器，MobiNav 使用两类传感器：安装应用的移动设备内置传感器和通过 Wi - Fi 连接获取的船上传感器。内置传感器可进一步分为原始传感器（如 3D 加速度计、3D 磁力计、3D 陀螺仪、环境光传感器、近距离传感器、GPS 等）和派生传感器（如简化设备方向、设备方向、倾斜仪、指南针、震动传感器、地理位置等）。原始传感器可直接读取硬件传感器数据，派生传感器提供处理和融合后的数据。

智慧城市的移动内河导航系统

3. 系统优势与应用场景

MobiNav 系统凭借其独特的设计和先进的技术，在多个方面展现出显著优势，并适用于多种实际应用场景。

3.1 系统优势总结

以下表格总结了 MobiNav 系统相较于现有应用的优势：
|优势类别|具体优势|
| ---- | ---- |
|数据与展示|充分利用移动地图展示优势，数据和地图展示层独立于应用；开发了完整的移动地图展示模型及设计工具|
|数据互操作性|打破封闭数据模型，通过新数据模型和导入方法实现数据的有效整合与交换|
|功能多样性|不仅提供导航功能，还能作为旅游指南，满足游客多方面需求|
|技术集成|集成内部和外部传感器技术，结合地理围栏、大众协作等先进技术|
|社区建设|通过大众协作建立内河智慧城市社区，实现信息共享|

3.2 应用场景分析

• 旅游观光 ：对于内河旅游的游客来说，MobiNav 系统可提供可靠的导航服务，同时充当旅游指南，介绍沿途的景点和特色。游客可以提前规划航行路线，了解景点信息，增加旅游的趣味性和便利性。
• 休闲航行 ：休闲船只用户在航行过程中，系统能实时提供导航信息、天气情况、周边船只动态等，保障航行安全。例如，通过 AIS 交通信息了解附近船只的位置和航向，避免碰撞。
• 智慧城市管理 ：在智慧城市的框架下，MobiNav 系统可与其他智慧城市服务集成，支持智能交通监控、自动船闸和桥梁开启等功能。例如，当游船接近桥梁时，自动发送开启请求，提高城市内河交通的效率。

4. 未来发展展望

随着技术的不断进步和智慧城市建设的深入，MobiNav 系统具有广阔的发展前景。以下是对其未来发展的一些展望：

4.1 技术升级

• 传感器技术 ：随着传感器技术的不断发展，未来移动设备和船上的传感器将更加精确和多样化。MobiNav 系统可以进一步集成这些先进传感器，提供更准确的导航和环境信息。
• 人工智能与大数据 ：利用人工智能和大数据技术，对收集到的大量航行数据进行分析，为用户提供更个性化的服务和建议。例如，根据用户的航行习惯和偏好，推荐最佳的航行路线和旅游景点。

4.2 功能拓展

• 社交互动功能 ：进一步加强社交网络功能，让用户之间可以更方便地交流航行经验、分享旅游照片和视频等，增强用户之间的互动和社区感。
• 商业服务集成 ：与内河周边的商业服务（如餐厅、酒店、码头等）进行集成，为用户提供一站式的服务。例如，用户可以通过系统预订餐厅、租赁船只等。

4.3 智慧城市融合

• 多系统协同 ：与更多的智慧城市系统（如城市交通管理系统、环境监测系统等）进行协同工作，实现数据共享和业务协同。例如，根据城市交通情况调整内河航行路线，避免交通拥堵。
• 智能决策支持 ：为城市管理者提供智能决策支持，通过对航行数据和相关信息的分析，优化内河交通规划、旅游资源分配等。

以下是 MobiNav 系统未来发展的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[MobiNav 系统]:::process -->|技术升级| B[传感器技术提升]:::process
    A -->|技术升级| C[人工智能与大数据应用]:::process
    A -->|功能拓展| D[社交互动功能增强]:::process
    A -->|功能拓展| E[商业服务集成]:::process
    A -->|智慧城市融合| F[多系统协同工作]:::process
    A -->|智慧城市融合| G[智能决策支持提供]:::process
    B --> H[更精确环境信息]:::process
    C --> I[个性化服务建议]:::process
    D --> J[用户互动增强]:::process
    E --> K[一站式商业服务]:::process
    F --> L[交通规划优化]:::process
    G --> M[资源分配优化]:::process

5. 总结

MobiNav 系统作为一种创新的移动内河导航解决方案，结合了移动技术、地理信息系统和智慧城市的理念，为内河航行和旅游提供了全面的支持。通过其独特的系统架构、先进的地图数据管理和传感器集成技术，以及大众协作和地理围栏等功能，MobiNav 系统在导航精度、数据共享和用户体验方面具有显著优势。

随着未来技术的发展和智慧城市建设的推进，MobiNav 系统有望不断升级和拓展功能，与更多的智慧城市系统融合，为用户提供更加智能、便捷的服务，同时为城市内河交通和旅游的发展做出更大的贡献。无论是对于内河航行的爱好者，还是城市管理者来说，MobiNav 系统都具有重要的应用价值和发展潜力。