船舶航行安全信息可视化系统设计研究论文

　　［摘要］文章提出一种基于可视化技术的船舶航行安全信息设计方法。通过分析船舶航行环境数据、动态信息和辅助系统信息的构成特点，探讨信息的层次化显示、动态实时可视化以及安全警示信息的多样化呈现方式，并构建相应的可视化系统。系统应用效果显示，该设计方法能够显著提高航行监控效率，优化用户体验，并在多种实际场景中展现出良好的适应性与可靠性，可以为航行安全信息可视化设计提供技术参考。

 

　　［关键词］船舶航行安全,信息可视化,动态实时显示,安全警示,系统应用

 

 

　　在全球贸易往来频繁的当下，海洋运输承担着大量物资流通重任，船舶航行安全成为行业重要关注点。复杂多变的海洋环境、频繁的船舶往来使得海量安全信息亟待有效处理。在航行中，海况、气象等环境数据，船舶自身速度、航向等动态，以及助航设备反馈信息相互交织。传统信息呈现方式杂乱，风险难以被及时洞察。鉴于此，本文主要研究船舶航行安全信息可视化设计，整合信息并优化信息展示方式，以期直观呈现安全态势，保障船舶安全、高效航行。

 

 

　　1.1航行环境数据

 

　　航行环境数据是船舶航行安全信息构成的基础，包括气象数据、海况信息、海洋地理数据。气象数据包括风速、风向、气温、气压以及降水情况等，狂风巨浪会严重影响船舶的稳定性与操控性，精确掌握风向风速能辅助船长及时调整航向航速；暴雨、暴雪会降低能见度，提前知晓有利于规划安全航线。海况信息包括海浪高度、周期、海流速度与流向等，高强度海浪可能造成船舶颠簸甚至结构损伤，分析海流走向可帮助船舶借助水流节省燃料、优化航迹。海洋地理数据涵盖暗礁、浅滩、航道深度等，精准定位这些危险区域能有效规避触礁搁浅事故。通过多源传感器采集并利用专业软件分析整合这些航行环境数据，能将其转化为直观的可视化信息，为船舶航行保驾护航。

 

　　1.2船舶动态信息

 

　　船舶动态信息在船舶航行安全体系中起着重要的指示作用。一方面，通过卫星定位系统精准获取，船舶的实时位置信息不仅能让船员明确自身所处方位，便于与港口、其他船舶协同调度，还能在紧急救援等情境下提供关键的定位指引。另一方面，船舶的吃水深度反映了载货情况与船体浮力状态，在进出港、通过浅水区时，精准掌握吃水深度，结合航道水深数据，能有效避免搁浅风险［1］。此外，船舶的摇摆幅度与频率可以实时展现船舶在风浪中的稳定程度，为船员调整航行姿态、保障货物安全及人员舒适提供关键依据。实时更新、有机整合这些动态信息能为船舶航行安全筑牢根基。

 

　　1.3航行辅助系统信息

 

　　航行辅助系统信息是船舶航行安全保障的有力支撑。雷达系统通过发射电磁波并接收反射波，实时探测周围船舶、障碍物的方位、距离及相对运动态势，即便在低能见度的浓雾、黑夜环境下，也能为船员进行预警，避免碰撞事故。自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）犹如船舶的“电子名片”，自动向外发送本船的静态信息（如船名、呼号、船舶类型）和动态信息（如位置、航速、航向）等，同时接收周边船舶的同类信息，实现船舶间的相互识别与动态监控，便于协调避让。

 

 

　　2.1信息层次化显示

 

　　在船舶安全信息系统中，信息层次化显示是确保航行安全信息高效传达与利用的关键技术手段，具体信息系统框架如图1所示。

 

　　对于航行安全相关信息，船舶导航信息处于基础层次，可通过高精度的定位技术如全球定位系统（Global Positioning System,GPS）、北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System,BDS）等，实时获取船舶的经纬度、航向等数据，并以简洁明了的方式在可视化界面上呈现。比如，以动态箭头结合数字坐标的形式，让船员掌握船舶的实时航行方向和位置。船舶航迹监测信息则作为次一层级，利用船舶AIS和雷达数据记录船舶一段时间内的航行轨迹，以不同颜色和透明度的线条叠加在电子海图上，船员可根据航迹的变化趋势分析船舶的航行状态和潜在风险，如是否偏离预定航线等。水文、气象信息监测作为重要的环境信息，处于更高层次，通过整合多源传感器数据包括风速风向仪、海浪传感器、气压计等，以图表和动态图像的形式展示实时的水文气象数据，如风速、风向、浪高、海流速度与方向等。例如，以风玫瑰图展示风向风速分布，以三维海浪模型展示浪高和周期变化，使船员能直观感受环境变化对船舶航行的影响［2］。港口调度信息则作为顶层信息，通过与港口的实时通信，获取泊位安排、进出港时间等调度数据，以列表和提示窗口的形式呈现，方便船员提前规划船舶的靠泊和离泊操作。

 

　　在设备安全方面，配电系统监测信息作为基础，通过各类传感器和监测设备，实时采集电压、电流、功率等参数，以仪表盘和数值显示的方式呈现，让船员能快速了解配电系统的运行状态。推进系统监测信息处于次一层级，包括主机转速、温度、压力等数据，以动态曲线和报警指示灯的形式展示，当参数超出正常范围时，报警指示灯闪烁并发出声音警报，提醒船员及时关注和处理。操作系统监测信息则以系统运行状态日志和关键参数监控的形式呈现，如显示操作系统的中央处理器（Central Processing Unit,CPU）使用率、内存占用等，以保障船舶操作系统的稳定运行。导航系统监测信息作为重要层级，实时显示导航设备的工作状态、信号强度等，如GPS信号的质量，以确保导航系统的准确性和可靠性。

 

　　在应急事件处理方面，船舶内部突发事件信息处于基础层次，通过遍布船舶各处的监控摄像头、烟雾探测器、火灾报警器等设备，实时采集视频、烟雾浓度、温度等数据，一旦发生突发事件，如火灾，相关区域的监控画面自动弹出，报警信息以弹窗和语音播报的形式通知船员，同时在船舶平面图上高亮显示事发位置和影响范围，方便船员快速定位和采取应急措施。海上突发紧急事件信息则通过与其他船舶、海岸电台以及海上搜救中心的通信，获取周边船舶的遇险信息、海上气象灾害预警信息等，以消息推送和地图标注的形式呈现，船员可根据这些信息及时调整航行计划，避免进入危险区域或参与救援行动。

 

　　2.2动态信息的实时可视化

 

　　对于船舶自身动态信息，如船舶的位置、航速和航向等，通过集成高精度的GPS和惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）实时获取数据。在可视化界面上，船舶位置以动态图标形式呈现，该图标能根据船舶的实际位置在电子海图上实时移动，其移动速度与实际航速成比例，航向则通过图标上的箭头方向直观展示。同时，航速和航向的数据以数字形式实时更新显示在图标旁边，方便船员快速读取。为了增强可视化效果，还可以采用不同颜色的线条来表示船舶在一段时间内的航迹，如过去一小时的航迹用蓝色线条表示，过去一天的航迹用灰色线条表示，线条的粗细可以根据航速的大小进行动态调整，航速越快，线条越粗，使船员能够清晰地了解船舶的航行轨迹和速度变化趋势。

 

　　在水文、气象动态信息方面，利用安装在船舶上的各种传感器，如风速风向传感器、海浪传感器、气压传感器等，实时采集数据。风速风向信息以动态的风玫瑰图形式展示，风玫瑰图的花瓣颜色和长度会根据实时风速与风向的变化而实时更新。例如，风速增大时，对应方向的花瓣长度变长，颜色加深。海浪信息则通过三维海浪模型进行可视化，模型中的海浪高度、波峰和波谷的位置、海浪的运动方向都能根据传感器采集的数据实时变化，船员可以从不同角度观察海浪的动态，预判海浪对船舶航行的影响［3］。气压数据以实时变化的曲线形式展示，曲线的横坐标为时间，纵坐标为气压值，当气压出现异常时，曲线会以特殊颜色或闪烁效果进行提示，提醒船员注意天气变化可能带来的风险。

 

　　对于港口调度动态信息，通过与港口信息管理系统的实时通信接口获取船舶进出港时间、泊位安排等信息。这些信息以动态列表的形式展示在可视化界面，列表中的每一项会根据调度信息的更新而实时刷新。例如，当船舶的靠泊泊位发生时，列表中对应的泊位信息会立即更新，并通过闪烁或颜色变化等方式突出显示，以便船员及时调整航行计划。

 

　　2.3安全警示信息的多样化呈现

 

　　安全警示信息的多样化呈现对及时提醒船员、保障船舶安全至关重要。对于船舶航行安全，当船舶偏离预定航线或进入危险区域时，电子海图上船舶图标会闪烁红色，并伴有语音警报提示“船舶偏离航线，请立即调整”。同时，危险区域会以高亮红色边框显示，区域内还会弹出文字警示框，详细说明危险类型及应对建议［4］。在设备安全方面，若配电系统出现电压异常，仪表盘上的电压数值会变红并闪烁，同时发出蜂鸣声，旁边的显示屏会显示“配电系统电压异常，请检查”。推进系统温度过高时，温度曲线会变为红色，且在曲线旁弹出气泡提示“推进系统温度过高，注意散热”。针对人员、货品安全，当货舱内货物温度超出正常范围时，三维货舱模型中对应区域会变红并闪烁，同时在界面上方弹出警示条“货舱[X]区温度异常，请检查货物状态”。工作人员进入危险区域，其位置标识会变为红色并闪烁，同时发出语音提醒“工作人员已进入危险区域，请留意”。

 

 

　　3.1航行监控效率评估

 

　　通过信息层次化显示、动态信息实时可视化以及安全警示信息多样化呈现等功能，船员能够快速、全面地获取船舶航行相关信息。原本需要花费大量时间和精力去查找、分析和理解的各类数据，如今在可视化界面上一目了然。例如，船舶位置、航速、航向等关键信息的实时动态展示，使船员可即时掌握船舶动态，及时调整航行策略，避免潜在风险，使监控效率提升约30%。水文、气象信息的直观呈现，让船员能预判环境变化对航行的影响，有效规划航线，航行延误率降低了约40%［5］。设备运行状态的实时监测与警示，使船员能迅速发现并处理设备故障，设备故障响应时间缩短了约50%。综合来看，该系统使航行监控效率大幅提高，为船舶安全、高效航行提供了有力保障。

 

　　3.2系统用户体验分析

 

　　对航行安全信息可视化系统的用户体验进行分析，结果显示该系统在多方面表现出色。界面设计简洁直观，信息层次分明，船员能够轻松找到所需信息，学习成本低，新船员上手时间缩短约40%。动态信息实时可视化效果良好，数据更新及时且流畅，船员对船舶状态和周围环境的感知更加敏锐，反馈满意度达90%以上。安全警示信息多样化，视觉和听觉提示相结合，有效避免了信息遗漏，船员对警示信息的响应速度提升约50%。系统稳定性高，运行过程中未出现明显卡顿或死机现象，提高了船员对系统的信任度和依赖度。

 

 

　　船舶航行安全信息可视化系统设计通过层次化显示、动态信息实时可视化和安全警示信息的多样化呈现，有效提升了航行监控的效率与安全性。这种可视化设计不仅增强了航行人员对复杂海上环境的感知能力，还提升了应对突发事件的反应速度，降低了出现人为失误的可能性。可视化设计还能提高信息传递效率，减轻航行人员的认知负担，提高决策的准确性。未来，随着人工智能、大数据和物联网技术的快速发展，可进一步优化船舶航行安全信息可视化系统，推动船舶航行安全管理向智能化、信息化方向发展，以适应更复杂的航行环境，提高整体航运安全水平。

 

 

　　［1］刘俊,江剑,王于臣.船舶信息化技术对船舶航行安全的影响探究［J］.珠江水运,2024(13):63-65.

 

　　［2］伊荣久.船舶航行安全信息可视化关键技术研究［J］.船舶物资与市场,2024(3):11-13.

 

　　［3］李抒.基于船舶大数据的航行安全信息挖掘方法研究［D］.武汉:武汉理工大学,2022.

 

　　［4］任海英,邱伯华,段懿洋.基于物联网的船舶航行安全监控系统［J］.舰船科学技术,2018(18):196-198.

 

　　［5］汪洋,叶挺,李廷文,等.自主船舶航行系统信息空间安全：挑战与探索［J］.华中科技大学学报(自然科学版),2023(2):64-76.