水上交通宏观模拟软件需求规格说明.docx

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水上交通宏观模拟软件需求规格说明

1.引言

1.1.编写目的

此文档是为开发《水上交通宏观模拟软件开发系统》编写的需求规格说明书，编制的目的是为了把系统的业务定位、业务流程、功能描述、运行环境和系统接口进行准确定义。

1.2.适用范围

本系统的需求规格说明书总稿适用于业务部门、技术部门和开发单位共同使用，同时，此文档作为详细设计及软件开发工作的依据之一。

2.系统概述

2.1.系统背景

交通一直被视为国家的经济命脉，一国的交通发展水平直接反映出该国的经济发展水平。

而在水路、陆路、铁路、航空、管道等多种运输方式中，水路运输又以其运量大、运价低等特点被广大旅客和货主普遍认可和接受。

值得一提的是，水上交通事故率其实远远低于道路交通事故率，是一种相对比较安全的运输方式。

但是船舶本身由于其体积庞大而引起的操纵性能的不灵活性以及船员队伍素质的参差不齐而造成的水上交通秩序混乱的局面仍旧是难以杜绝。

最近几十年来由于上述原因引起的船舶碰撞、搁浅或者溢油等严重的海难事故仍旧屡屡发生。

随着水路运输的快速发展和海洋开发利用力度的加大，水上交通安全事故的风险和威胁也随之大大增加。

据推算，未来15年，船舶大型化趋势将进一步加大、交通流量和交通密度将进一步增加，特别是原油进口量和液体化工品运量将有较大幅度增长，而这类装有特殊货物的船舶，一旦发生重大海事事故，将直接引发群死群伤的灾难性后果和带来重大溢油污染的风险，无论是安全航运还好还是保护海洋环境来说，这都不是大家所希望的。

按照我国目前的水上交通的发展势头来看，我国将长期面临水上交通安全的巨大压力和风险。

同时因为我国水路资源非常丰富，所以水上交通安全形势更加复杂同时带有很多不确定因素，水上交通安全已经成为我国水路交通运输方面的重要研究课题。

但是与其他学科不同，因为研究的对象是船舶交通流，所以不可能都采用真实的对象进行研究，所以我们借助强有力的数学工具，制定科学合理同时能尽量与实际交通流状况相符的数学模型来模拟水上交通安全问题，这种方式相对来说高效、安全且成本较低，因此开发水上交通宏观模拟软件系统对研究中国水上交通安全问题带来巨大的便利和较强的现实意义。

2.2.现状分析

2.2.1.业务现状描述

传统意义上的水上交通安全模拟仿真绝大多数是通过对某水域过去几年内的观测统计数据（主要通过VTS站或者人工统计数据（不具备AIS基站的主要通过港口相关部门的数据统计结果）等历史数据），这种方式的数据获取往往费时费力而且要求对数据格式有专门的要求，且所收录的数据不具备通用性，造成重复劳动及效率低下等问题。

这种方式虽然可以准确的得出历史的交通流分布，但当港口附近水域的通航环境情况发生改变后，航道的通航能力，港口船舶靠泊能力、交通流会遇局势等方面都会发生相应的变化，原有的功能单一的仿真模拟软件平台可能已经不能胜任这种高要求的通航环境发生改变后的模拟交通流仿真测试平台，因此研制和开发一套能根据当前水域范围内实际港口、航道变化和带有预测数学模型的港口内船舶交通流规模的全功能水上交通安全模拟系统的软件系统已迫在眉睫。

较之传统的交通流仿真平台，新系统抓住一个中心：

尽可能的还原船舶当前所处的周边环境，包括所处海域周边的动态船舶交通情况、所处海域的水文气象参数（风流浪等气象要素）、所处海域的助航设备或航行安全保证设施以及实时动态计算船舶本身的运动解算模型等，尽可能的“再现”当前或者过去或者将来的船舶交通流分布情况。

该系统本着“还原”或者实现较高精准度的交通路模拟仿真。

较之以往船舶交通流中运动的船舶种类单一，生成的船舶不考虑船舶操纵性，因而尽管系统中体现了风流浪等因素，但实际并没有影响船舶的运动，这些数据也只能作为一种摆设。

由于不考虑船模解算，当然也没有考虑船舶所处水域的水深变化情况，这种完全不考虑外界干扰的非智能型船舶在模拟仿真交通流存在很多的缺陷，一般的交通流仿真系统亦不考虑某水域内所有船舶的会遇态势，这样简单化的处理方式带来的后果是只能粗略的统计分析得到船舶交通流的一些基本参数，这些统计结果由于建立在无船模的交通流，其统计结果又带有较明显的数学概率运算的痕迹，缺乏随机性而不能体现实际交通流的特性，采用这种方式进行统计分析的结果和实际情况偏差往往较大或者统计的数据指标不够完善。

带有船模特征的交通流不仅仿真度高，同时个性化了的不同船舶种类更能体现生成的船舶群体的个体差异性，因而更加增加了生成的模拟船舶交通流

的逼真度。

2.2.2.现有业务系统分析（如果已有业务系统）

现有的水上安全交通模拟软件绝大多数采用某种数学预测模型在某个特定水域或者特定时间段内，随机生成一定规模的模拟交通流的形式，然后对该仿真的交通流数据进行相应的统计和分析，该类系统功能相对比较单一、平台不具备通用性及可拓展性，最致命的是对所处水域内的船舶单一化和简单化处理，仿真度与实际水域的真实情况或者期望生成的交通流在逼真度上大打折扣，偏差较大。

船舶运动模拟、所考察区域内交通特征分析以及水上交通安全和航道的通过能力的综合评判等都要以生成的交通流为基础，所以交通流生成模型的科学与否决定着所有子模块的精确度。

2.3.系统功能概述

根据客户对水上交通安全宏观模拟软件的总体需求，可以简单的勾勒出以下的模块化框图（图1）

系统启动

1'

1'

11

航路编辑模块

1r

11

11

船舶编辑模块

11

11

11

交通流管理

1

|

1

1||||

11

选定海区

11

11

11

设置船舶种类

11

11

11

船舶生成时间

|||

VTS/AIS

11||||||

设计航线

11

11

11

设置船舶尺度

11

11

11

船舶生成位置

|

实测数据

||||||

设置宽度

11

11

11

操纵性能参数

11

11

11

船舶速度分布

■I|

||

1L

1

船舶消亡时间

■

||

11

设置转向点

!

|

水文气象编辑

i:

■|

11

|

丨1

|

I

||

11

||||

设定泊位锚地

风、流、能见度

1：

!

船舶生成间隔

|

1

1

||L

JL

」丨

■

生成船舶交通流

空间统计分析

交通态势分析

操船危险度分析

通过能力计算

统计分析

综合评价

图2-1系统模块框图

从设计的系统模块框图（图2-1）中可以看出，整个系统以电子海图显示平台为依托，在满足电子海图显示和操作标准的基础上实现船舶交通流模拟即划分为水上交通宏观模拟子系统，船舶航行模拟记录子系统和统计分析与综合评价子系统等几部分。

3.系统需求说明

3.1.总体需求

水上交通宏观模拟软件以宏观模拟水上交通为主要目的，为水上交通规划、通航安全评估提供决策支持，同时为交通部门和公众提供数据、规划成果等方面服务，因此系统的总体需求如下：

（1）建立船舶交通宏观模拟平台，主要表现为电子海图显示系统，同时能加入风、流、能见度等外部环境模型，并能对所显示的岸线、水深、泊位、锚地、航道、碍航物等通航环境因素进行修改和编辑。

另外，该模拟平台应为通用平台，可根据需要任意载入各水域、港口、水道的数据。

（2）对特定水域，通过输入VTS记录、实态观测以及AIS等数据，可自动生成该水域的船舶交通宏观态势模型，并可手动对该模型进行修正，同时可对该水域的船舶航行安全因素进行统计和分析，如碰撞次数、水域风险值、危险水域区域等，同时可对水域某一时间段的船舶交通密度、航迹密度进行计算和显示。

（3）依据上述建立的模拟平台和宏观模型，通过改变该水域码头泊位布局、航道、船舶交通组织方式，模拟分析通航环境改变后的船舶交通态势，统计和分析各类通航安全因素，并与通航环境改变前的通航安全因素进行比较，分析和评价通航环境改变对该水域通航安全和通过能力的影响。

（4）宏观交通流和其他设定的参数按指定格式输出为文件，供船舶操纵模拟器使用。

3.1.1.主要技术指标

水上交通宏观模拟软件的总体框架由电子海图显示子系统、水上交通宏观模拟子系统、航行模拟记录子系统、统计分析与综合评价子系统四部分组成。

3.1.1.1.1.电子海图显示子系统

（1）根据IHO性能标准，设计能够快速显示和查找的树形海图数据结构；

（2）根据IHO颜色规范，编制电子海图显示的日、夜及朦影调色板；

（3）根据IHOS-52规范，编制电子海图显示的海图要素符号库；

（4）根据IHO相关规定，将标准S-57海图数据转换为用户数据；

（5）根据IHOS-57规定和海图投影理论，编写坐标转换模型；

（6）根据航海学理论，编写海图上恒向线航程、航向、方位等计算模型；

（7）根据计算机图形学理论，编写电子海图放大、缩小、平移等显示模型；

3.1.1.1.2.水上交通宏观模拟子系统

在电子海图显示平台上设定模拟水域，生成符合要求的OD网，利用船舶交通流模型对指定水域进行水上交通宏观模拟，计算指定水域的某一时间段内的船舶交通密度、航迹密度。

船舶交通流模型可以通过设定的参数模拟生成，也可以根据VTS记录、实态观测以及AIS等数据自动生成实际的船舶交通流信息。

3.1.1.1.3.航行模拟记录子系统

按指定格式输出宏观交通流和其他设定的参数，供水上交通安全综合评价使用，或供船舶操纵模拟器使用。

3.1.1.1.4.统计分析与综合评价子系统

依据建立的模拟平台和宏观模型，模拟船舶的交通态势，统计和分析各类通航安全因素，评价该水域的交通安全和通过能力；与通航环境改变前的通航安全因素进行比较，分析和评价通航环境改变对该水域通航安全和通过能力的影响。

3.1.2.总体组织结构

客户端&&云端启动

云端计算

图5-2总体框架

图3-1系统的总体框架

3.1.3.总体功能结构

系统启动

3.2.功能需求

水上交通宏观模拟软件的总体框架由电子海图显示子系统、水上交通宏观模

拟子系统、航行模拟记录子系统、统计分析与综合评价子系统四部分组成。

3.2.1.电子海图显示子系统

电子海图显示子系统是系统的重要组成部分，是整个交通流仿真软件的显示基础，实现功能包括：

海图显示、海图缩放、海图标绘、海图拾取、海图改正、海图打印等。

321.1.海图数据库处理模块

该模块主要实现海图交换数据S57数据或者是S63加密数据的导入和转换功能。

3212海图显示模块

加载IHO的S52符号库编写算法实现电子海图符合IHO规范的显示。

3.2.1.3.海图操作模块

功能

描述

业务

全图显示

各海图按止确比例进行无缝拼接，在屏幕中显示拼

接后的总图

海图缩放

1、放大：

点击放大按钮、键盘Z键或向上滚动滚轮放大海图的特定区域

2、缩小：

点击缩小按钮、键盘X键或向下滚动滚轮缩小海图的特定区域

海图平移

点击菜单栏或工具栏漫游键或通过按下键盘

■-4键移动海图

海图测量

计算两点之间的距离和方位，以及已在海图上点击的所有目标点的累计距离，在电子海图左上角以半透明方式显示距离和方位

海图旋转

1、顺时针旋转：

在屏幕上显示顺时针旋转后海图

2、逆时针旋转：

在屏幕上显示逆时针旋转后海图

海图符号

1、传统符号：

海图符号以传统符号方式显示

2、简单符号：

海图符号以简单符号方式显示

视觉模式

1、日间：

按S52的标准要求按日间模式显示电子海图及相关信息

2、朦影：

按S52的标准要求按朦影模式显示电子海图及相关信息

3、夜间：

按S52的标准要求按夜间模式显示电子海图及相关信息

显示模式

1、基本显示：

按S52的标准显示电子海图的基本信息

2、标准显示：

按S52的标准显示电子海图的标准信息

3、全部显示：

在屏幕中显示全部海图信息

4、分层显示：

用户选择显示的层，在电子海图上显示该层所有的要素信息

5、单要素显示：

用户可以选择一个或多个要素，在电子海图上显示所选要素的信息

比例尺选

择

用于海图比例尺的选择，至少提供1:

500、1:

1000、

1:

2500、1:

5000、1:

10000、1:

25000、1:

50000、

1:

100000、1:

250000等9组比例尺的选择

安全等深

至少提供5m、10m、20m的安全等深线选择，可

线选择

以控制一定区域的海图水深颜色，在海图数据中选择安全水深点，并将这些点连接成一条安全等深线，显示安全等深线，并在大于安全水深一侧区域用浅色显示，在小于安全水深一侧区域用深色显示

内容

3214标绘功能模块

功能

描述

业务

区域标注

利用软件提供的画笔在海图上做标记或利用文本标记功能在标注区域旁边做文字注释，显示标记结果

海图标绘

在海图上标绘点、线、面等几何图形，并能够保存

在文件中

海图拾取

通过鼠标点击获取电子海图上的要素信息

内容

321.5.海图改正功能

海图改正包括手动小改动，也可以通过官方网站或者官方发布的光盘实现更新。

3216海图打印模块

该模块融入模拟系统的打印功能。

即用户可以单独打印海图也可以打印以海图为

背景的交通流仿真结果

322.水上交通宏观模拟子系统

水上交通宏观模拟子系统包括船舶基本参数编辑管理模块、航路编辑管理模

块、交通流管理模块、航行模拟模块、避碰模拟模块和水文气象信息编辑管理模块。

322.1.船舶基本参数编辑管理模块

该模块完成对模拟船舶的种类、尺度、操纵特性等基本参数进行设置、编辑与保存的功能。

本模块包含船种及船型编辑子模块。

1、船种编辑子模块

功能

描述

业务

增加船种

增加船舶种类

删除船种

删除某类船种

编辑船种

编辑各类船舶的名称、编号

保存船种

将船舶种类信息保存至数据库表

内容

船舶编号、船舶种类、船舶领域（长半轴、短半轴、船舶中心首向距长轴端点距离）

2、船型编辑子模块

功能

描述

业务

增加船型

增加交通模拟的船型种类

删除船型

删除某类船型

编辑船型

修改某类船型的名称、编号、长度参数、长度与船舶吃水/宽度的关系

保存船型

将船型信息保存至数据库表

内容

船型编号、船型吨级、最大长度、最小长度、K、T、长度与吃

水关系、长度与宽度关系

3222航路编辑管理模块

航路编辑管理模块包括模拟区域编辑管理子模块、泊位编辑管理子模块、锚地编辑管理子模块、航线编辑管理子模块、航路编辑管理子模块。

1模拟区域编辑管理子模块

功能

描述

业务

选择模拟区域

通过海图操作选定交通模拟水域范围

显示模拟区域

图形方式显示模拟区域

编辑模拟区域

编辑、绘制模拟区域边界；以文本方式编辑模拟区域边界

保存模拟区域

模拟区域边界保至存文本文件

内容

模拟区域名称、边界点经纬度坐标

2、泊位编辑管理子模块

功能

描述

业务

泊位添加

添加泊位，并为之编号

泊位删除

选定某一泊位，删除之

泊位编辑

通过图形界面操作实现泊位位置的设置与修改；通过对记录文件数据的手动修改，实现修改该泊位数量、编号与位置坐标的功能

泊位保存

将泊位信息保存至记录文件或数据库

表

泊位显示

调用记录文件数据，显示泊位

内容

泊位名称、是否新建、靠泊位置始点坐标、靠泊位置终点坐标、适用船种、适用船型、各船型船舶靠泊时间、泊位边界点坐标

要点

靠泊位置从始点到终点方向的外侧是船舶靠泊位置

3、锚地编辑管理子模块

功能

描述

业务

锚地添加

添加锚地，并为之编号

锚地删除

选定某一锚地，删除之

锚地编辑

通过图形界面操作实现锚地编号与位置的设置与修改；通过对记录文件数据的手动修改，实现修改锚地编号与

位置坐标的功能；

锚地保存功能：

将锚地信息保存至记录文件或数据库

表

锚地显示功能：

调用记录文件数据，显示锚地

内容

锚地名称、水深、适用船种、适用船型、边界点坐标

4、航线编辑管理子模块

功能

描述

业务

航线添加功能：

添加条航线，并为之编号

航线删除功能：

选定某一航线，删除

航线编辑

选定某一航线，输入转向点的数量，输入各转向点编号，输入转向点位置坐标；通过图形界面操作实现转向点数量、编号与位置的设置与修改；通过对航线记录文件数据的手动修改，实现修改该航线上转向点的数量、编号与转向点位置坐标

航线保存功能：

将航线信息保存至记录文件或数据库

表

航线显示功能：

调用航线记录文件数据，显示该航线

内容

航线名称、航线类型、航线节点编号、航线节点坐标

5、警戒区编辑管理子模块

功能

描述

业务

选择警戒区

通过海图操作选定警戒区

显示警戒区

图形方式显示警戒区

编辑警戒区

编辑、绘制警戒区边界；以文本方式编辑警戒区边界

保存警戒区

警戒区边界保至存文本文件

内容

警戒区名称、警戒区边界点经纬度坐标

需求要点

船舶进入该区域，使用报警声和船舶颜色变化对用户进行提示

6、航路编辑管理子模块

功能

描述

业务

航路添加

添加一条航路，并为之命名

航路删除

选定某一航路，删除

航路编辑

“内容”栏中各内容编辑

航路保存

将航路信息保存至记录文件或数据库

表

航路显示

调用航路记录文件数据，显示该航线

内容

航路名称、所在航线名称、航路类型、航路走向（去泊位、去锚地、锚地去泊位）、适用船种、适用船型、各航段属性（宽度、最高限速、最低限速）

需求要点

各航段参数计算（走向、航程、获取水深）

3223交通流管理模块

1航路网选择

功能

描述

业务

选择航路网

选择本次仿真所需要的所有航路

显示航路网

图形方式（航路、航线、航路+航线）全部或单独显示航路网

保存航路网

航路网数据保存至存文本文件

内容

航路名称集合

需求要点

2、交通流设置

功能

描述

业务

新增交通流设置

添加一交通流，并为之命名

编辑交通流设置

编辑已有的交通流

保存交通流设置

交通流设置保存到文本文件

内容

仿真交通流名称、涉及的航路名称、仿真时间长度、交通流量、生成时间分布类型及特征参数、生成位置分布及特征参数、船

种分布参数、船型分布参数、各航段船速分布参数

需求要点

3、交通流初始信息生成

功能

描述

业务

生成船舶初始信息

根据各分布类型及特征参数，生成船舶初始信息

保存船舶初始信息

船舶初始信息保存到数据库

修改船舶初始信息

对数据库中的船舶初始信息进行修改

内容

仿真船舶信息（生成时间、航路、船种、船型、船舶长度、船舶消亡时间；以及船舶在各航段的生成位置/各转向点位置、航向、船速及航程）

需求要点

4、AIS记录导入：

对AIS数据解码并生成该水域的船舶宏观交通流

功能

描述

业务

导入AIS记录

从文件中导入AIS原始电文记录

解析AIS记录

根据IEC1371-3解析AIS电文

保存AIS船舶数据

把解析后的AIS数据保存到文本文件或数据库

内容

AIS船舶动态数据（MMSI、航行状态、旋回速率、实际航速、经度、纬度、实际航向、真艏向）

AIS船舶静态数据（MMSI、IMO号码、呼号、船名、船型、货物种类、船舶长度、船舶宽度、当前最大吃水）

需求要点

5、VTS记录导入：

解析VTS数据，生成该水域的船舶宏观交通流

功能

描述

业务

导入VTS记录

从文件中导入VTS原始电文记录

解析VTS记录

根据相关协议解析VTS电文

保存VTS船舶数据

把解析后的VTS数据保存到文本文件或数据库

内容

船舶动态及静态数据

需求要点

3224仿真航行模块

1仿真航行

功能

描述

业务

模拟局面选择

选择调用模拟所需交通流、航路基本

信息

设置时间步长

保存记录的时间步长

交通模拟控制

交通模拟的开始、暂停、继续控制功

能

船舶航速的计算

调用风、流场信息，计算船舶航向、航速

实时水深的计算

调用潮汐信息，计算实时水深

内容

判断船舶疋否可以进入航路、疋否可以进入泊位、疋否需要进入锚地、是否需要进行等待、是否需要进行正常航行转向、是否需要进行正常航行变速、是否需要进行避碰操纵；

记录锚地中的船舶数、减速次数、会遇次数、避碰次数、多船会遇次数。

需求要点

直线运动航迹计算：

计算船舶位置；

转向运动航迹计算：

根据船舶操纵特性，计算运动轨迹；

变速运动控制：

根据船舶操纵特性，计算变速运动过程中船舶轨迹；

锚位计算：

计算抛锚位置；

泊位停留时间计算；

锚地等待时间计算；

2、航迹回放模块

功能

描述

业务

仿真航行记录选择

选择调用所要回放的仿真航行记录及

船路信息

航迹回放控制

航迹回放的开始、暂停、继续控制功能

内容

需求要点

3、信息显示模块

功能

描述

业务

信息显示选择

选择是否显示航路信息、水文信息、

船舶信息

内容

航路信息（名称、宽度等）、水文信息（风、流、能见度）、船舶信息（大小、位置、速度矢量）

需求要点

4、交管措施管理模块

功能

描述

业务

交管措施显示

调用记录文件数据，显示交管措施

交管措施添加

添加交管措施；

交管措施删除

选定某交管措施，删除之

交管措施编辑

通过对记录文件数据的手动修改，实现修改交管措施功能；

交管措施保存

将交管措施保存至记录文件或数据库

表

内容

限速、通航时间限制、禁止对遇、禁止追越

需求要点

322.5.避碰模拟模块

功能

描述

业务

避碰模型的选择

根据需要选择不同的避碰模型

内容

判断是否进入会遇状态、、是否为多船会遇、是否是对遇局面、是否为交叉局面、是否为追越局面、本船是否为让路船、确定避碰行动的种类、计算避碰行动的幅度、判断行动能否满足航路要求、计算避碰操纵过程中的航迹、判断复航时机、计算复航航迹、记录会遇种类、记录会遇次数

需求要点

3226水文气象信息编辑管理模块

功能

描述

业务

水文气象编辑

风场、流场、能见度参数数据设置与

编辑

内容

风力、风向、流速、流向、

能见度

需求要点

实现与操纵模拟器的衔接