信號臺信號自動揭示與船舶通行智能輔助指揮系統(tǒng)技術研究

畢方全

長江重慶航道局，重慶 401147

1 背景

通過控制河段的船舶，必須接受信號臺的指揮，根據(jù)信號臺的通行信號單向有序通過控制河段。通行于控制河段的船舶禁止追越、逗留、對駛，應盡快通過。庫區(qū)175m蓄水之后，重慶局轄區(qū)有通行控制河段10個，通行信號臺21個（其中全年運行的有4個，其他為季節(jié)性運行信號臺）。

目前信號臺主要依靠人工瞭望、VHF電話聯(lián)系等方式獲取上下水船舶船位信息，然后憑借信號員業(yè)務水平和經(jīng)驗擔負通行指揮任務。采用此種方式，通行指揮受信號員業(yè)務能力、心情、心理狀態(tài)、水流速度、船舶航行速度等多種因素影響，信號員難以掌握船舶準確位置，通行指揮比較被動，指揮的準確性較差、效率較低，人為地降低了控制河段的通航效率，尤其是在天氣狀況不良的狀況下，不能有效保證上、下水船舶順利通行；容易被上水船舶虛報位置所欺瞞，容易影響信號揭示準確性，造成指揮欠合理科學，引發(fā)船舶交通安全事故及增加船舶等候時間；無法對密集通行船舶進行科學高效的控制指揮。信號臺所有的工作日志、操作記錄，語音記錄以及船舶通行情況還無法實現(xiàn)自動記錄及歷史追溯，難以采用信息化的手段規(guī)范信號員的工作行為，無法在出現(xiàn)海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據(jù)。

隨著長江海事局“長江干線船舶自動識別系統(tǒng)一期工程”的建設和國家海事局（海船舶[2010]156號）《國內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動識別系統(tǒng)設備管理規(guī)定》：“航行于長江干線的100 總噸以上的船舶將不遲于 2011年7 月1 日之后的第一次年度檢驗安裝AIS”的實施，為信號臺的信息化和智能化提供了很好的基礎，客觀上對信號臺的信息化能力和指揮能力提高了更高的要求。

2 系統(tǒng)功能及構成

2.1 系統(tǒng)的主要功能

2.1.1 基于AIS的控制河段船舶動態(tài)監(jiān)控

由于AIS信息完整包括了控制河段船舶動態(tài)監(jiān)控所需的船舶基本信息與動態(tài)信息，因此可通過獲取AIS信息獲得所需船舶動態(tài)監(jiān)控信息，構建船舶動態(tài)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對控制河段范圍內(nèi)的船舶動態(tài)監(jiān)控。可在電子航道圖上顯示控制河段及附近水域內(nèi)所有AIS船舶，掌握準確的船舶基本信息以及船舶位置、船向、船速等動態(tài)信息；基于船舶動態(tài)數(shù)據(jù)庫，進行監(jiān)控目標船舶的自動提取和視頻動態(tài)跟蹤實現(xiàn)對控制河段范圍內(nèi)的船舶動態(tài)監(jiān)控。

2.1.2 基于機器視覺的控制河段船舶可視化監(jiān)控

可通過多個視頻監(jiān)控點視頻圖像對船舶進行自動檢測與跟蹤，對控制河段進行全面監(jiān)控，信號臺可集中監(jiān)控控制河段內(nèi)船舶航行情況，全面掌握通過船舶在控制河段的基本信息取代人工了望。

2.1.3 信號智能輔助揭示

利用AIS、視頻信息、控制河段具體情況預設規(guī)則，及有經(jīng)驗的信號員的指揮經(jīng)驗構建信號智能輔助揭示專家系統(tǒng)。當監(jiān)測到船舶駛入指揮斷面時即自動向信號員發(fā)出提示，并根據(jù)預設通行控制規(guī)則自動生成信號揭示指令和規(guī)則。通行指令和規(guī)則可以數(shù)字化方式向傳播發(fā)送、信號揭示裝置進行自動揭示；信號員可參考信號揭示指令進行信號揭示操作。信號自動同步（控制臺和預先臺）。

2.1.4 控制管理

系統(tǒng)能夠自動保存指定時間段內(nèi)的所有船舶運行軌跡，以便事后查詢分析使用；自動記錄信號臺所有的工作日志、操作記錄以及語音記錄，且所有記錄均不可更改，以便規(guī)范信號員的工作行為，可在出現(xiàn)海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據(jù)。可遠程訪問和控制。

2.2 系統(tǒng)結構

如圖1所示，控制河段信號臺信號自動揭示與船舶通行智能輔助指揮系統(tǒng)由中央控制單元、數(shù)據(jù)采集跟蹤單元、信號揭示單元、無線通信單元等4部分組成。

中央控制單元以專家系統(tǒng)為內(nèi)核，包括專家系統(tǒng)軟件和相關數(shù)據(jù)處理軟件。具有綜合信息處理、智能輔助決策、控制命令發(fā)布、河段信息多媒體顯示等功能，具有友好的可視化操作界面，多種指揮命令發(fā)布形式和河段信息顯示方式。

數(shù)據(jù)采集跟蹤單元包括AIS信息采集模塊（AIS信息也可通過網(wǎng)絡從海事局獲取）和視頻監(jiān)視模塊。其中AIS信息采集模塊負責與控制區(qū)域內(nèi)的船舶進行數(shù)據(jù)交換，得到船位、航向、航速等船舶動態(tài)信息和必要的靜態(tài)信息，并能通過VHF高頻電話、短電文等方式向船舶提供引導信息。視頻監(jiān)視模塊監(jiān)視控區(qū)，跟蹤記錄船舶視頻信息。

信號揭示單元包括電子海圖顯示模塊、AIS、語音指揮模塊和實體信號揭示裝置。電子海圖顯示模塊用于實時顯示作用區(qū)域內(nèi)所有船舶位置、解析顯示動靜態(tài)信息、設置虛擬航標、船舶類型形象化顯示、動態(tài)軌跡記錄、自定義監(jiān)視區(qū)域、入?yún)^(qū)船舶提示、條件檢索船舶及快速定位顯示、歷史回放等。語音指揮模塊利用TTS技術通過高頻電話向船舶發(fā)出常規(guī)指揮命令。提供錄音、 放音、自動撥號、振鈴檢測與控制摘掛機、轉接人工等服務功能。實體信號揭示模塊利用電動機動態(tài)揭示指揮信號。

無線通信單元負責各單元間的數(shù)據(jù)交流。

3 創(chuàng)新點

1）提出采用專家系統(tǒng)自動生成通行指令和規(guī)則，并行處理指揮控制河段船舶，實現(xiàn)通行信號的自動揭示，可降低信號員工作強度、減小工作壓力，提高指揮效率和精度、提高指揮的主動性；

2）應用AIS技術實現(xiàn)通行指令和規(guī)則的數(shù)字化發(fā)布，可提高數(shù)字航道的主動服務能力；

圖1 結構圖

3）采用TTS技術結合專家系統(tǒng)實現(xiàn)控制命令的VHF電話自動語音發(fā)布，可減輕工作人員負擔，提高工作效能；

4）采用基于AIS的船舶動態(tài)跟蹤技術實現(xiàn)船舶的全程可視化監(jiān)控；

5）提出AIS、視頻和語音等多源信息的同步保存與索引技術實現(xiàn)船舶和工作日志的實時保存和歷史回溯。

4 總體框架

根據(jù)數(shù)字航道的總體邏輯框架，本系統(tǒng)自下而上分為數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)資源平臺、業(yè)務應用平臺、信息服務平臺以及安全運行標準規(guī)范體系。

1）信息采集平臺：包括數(shù)據(jù)采集跟蹤單元中的AIS信息采集模塊和視頻監(jiān)視模塊；

2）數(shù)據(jù)資源平臺：中央控制單元的數(shù)據(jù)庫群。包括船舶信息數(shù)據(jù)庫、工作記錄數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)知識庫；

3）業(yè)務應用平臺：包括無線通信單元、信號揭示單元和中央控制單元的專家系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件；

4）信息服務平臺：本部分依托長江信息系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫和長江航道外網(wǎng)網(wǎng)站；

5）安全運行標準規(guī)范體系：包括系統(tǒng)安全運行措施、信息發(fā)布管理、數(shù)據(jù)安全保密規(guī)定、系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)標準、硬件設備標準等。

5 技術方案

系統(tǒng)硬件部分以購買成熟設備集成為主，部分控制電路自行設計。

專用軟件系統(tǒng)采用VC++環(huán)境開發(fā)。

信息服務平臺采用.NET開發(fā)平臺開發(fā)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server數(shù)據(jù)庫構建。

本系統(tǒng)各部分具體組成如圖2所示，其中：

中央控制單元包括：PC機、通信接口、可視化設備、儲存裝置、專家系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等。

數(shù)據(jù)采集跟蹤單元包括：AIS信號接收裝置、網(wǎng)絡連接設備、云臺攝像機、視頻服務器、圖像處理軟件、云臺攝像機控制軟件等。

信號揭示單元包括：網(wǎng)絡連接設備、AIS信號發(fā)射裝置、失電備用揭示裝備、實體信號標、電動機、電話語音卡、聲光報警器、音頻處理軟件、電機控制軟件等。

無線通信單元包括：無線發(fā)射器、無線接收器、通信軟件等。

6 效益評價

6.1 社會效益

2006年，長江航道對沿江各省經(jīng)濟直接GDP貢獻達380余億元，間接GDP貢獻超過1萬億元，帶動就業(yè)1500多萬人。2007年，長江干線貨運量已突破11億噸，成為世界上最繁忙、運量最大的通航河流。當前，沿江80%的鐵礦石、72%的原油、83%的電煤都是通過長江水運來完成。同時，長江運能也在以驚人的速度增長，2010年，長江干線貨運量已經(jīng)突破15億噸大關。因此，保證長江航道的暢通，關系到沿江地區(qū)交通物流和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，對國家經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

本項目是提升長江上游航道通過能力的重要措施之一，建成后將為長江上游航道營造更加暢通、安全、快捷、經(jīng)濟、高效、低碳的通航環(huán)境，并填補相關領域的國內(nèi)外空白。從而帶來顯著的社會效益。

圖2 示意圖

1）規(guī)范船舶通航秩序，提高通航效率，保障通航安全

本系統(tǒng)建成后，能對通航船舶實施有效監(jiān)督；大大減輕工作人員勞動強度；縮短船舶通過控制河段的時間；盡量避免可能出現(xiàn)的安全事故。同時能提高控制河段的管理水平和執(zhí)法水平。

2）變革傳統(tǒng)航道維護方式，實現(xiàn)控制河段信號指揮現(xiàn)代化

控制河段信號臺還處于勞動密集型管理階段，當前的管理、指揮、維護方式都越來越不能適應社會的發(fā)展和經(jīng)濟的需要。本系統(tǒng)能夠大大提高指揮、管理、維護的現(xiàn)代化水平，建成后可在上游航道推廣應用。

6.2 經(jīng)濟效益

本技術的實施，可以大大提高控制河段信號臺的自動化、數(shù)字化、信息化水平，極大提高控制河段的通航效率，促進經(jīng)濟發(fā)展；并達到減員增效的目的，具有顯著的經(jīng)濟效益。

[1]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學出版社，2008.