信號臺信號自動揭示與船舶通行智能輔助指揮系統技術研究

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175m蓄水之后，重慶局轄區有通行控制河段10個，通行信號臺21個（其中全年運行的有4個，其他為季節性運行信號臺）。

目前信號臺主要依靠人工瞭望、VHF電話聯系等方式獲取上下水船舶船位信息，然后憑借信號員業務水平和經驗擔負通行指揮任務。采用此種方式，通行指揮受信號員業務能力、心情、心理狀態、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自動記錄及歷史追溯，難以采用信息化的手段規范信號員的工作行為，無法在出現海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據。

隨著長江海事局“長江干線船舶自動識別系統一期工程”的建設和國家海事局（海船舶[2010]156號）《國內航行船舶船載電子海圖系統和自動識別系統設備管理規定》：“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 系統功能及構成

2.1 系統的主要功能

2.1.1 基于AIS的控制河段船舶動態監控

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

2.1.2 基于機器視覺的控制河段船舶可視化監控

可通過多個視頻監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控，信號臺可集中監控控制河段內船舶航行情況，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則，及有經驗的信號員的指揮經驗構建信號智能輔助揭示專家系統。當監測到船舶駛入指揮斷面時即自動向信號員發出提示，并根據預設通行控制規則自動生成信號揭示指令和規則。通行指令和規則可以數字化方式向傳播發送、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

系統能夠自動保存指定時間段內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，以便規范信號員的工作行為，可在出現海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據。可遠程訪問和控制。

2.2 系統結構

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由中央控制單元、數據采集跟蹤單元、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為內核，包括專家系統軟件和相關數據處理軟件。具有綜合信息處理、智能輔助決策、控制命令發布、河段信息多媒體顯示等功能，具有友好的可視化操作界面，多種指揮命令發布形式和河段信息顯示方式。

數據采集跟蹤單元包括AIS信息采集模塊（AIS信息也可通過網絡從海事局獲取）和視頻監視模塊。其中AIS信息采集模塊負責與控制區域內的船舶進行數據交換，得到船位、航向、航速等船舶動態信息和必要的靜態信息，并能通過VHF高頻電話、短電文等方式向船舶提供引導信息。視頻監視模塊監視控區，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域內所有船舶位置、解析顯示動靜態信息、設置虛擬航標、船舶類型形象化顯示、動態軌跡記錄、自定義監視區域、入區船舶提示、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出常規指揮命令。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揭示指揮信號。

無線通信單元負責各單元間的數據交流。

3 創新點

1）提出采用專家系統自動生成通行指令和規則，并行處理指揮控制河段船舶，實現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技術實現通行指令和規則的數字化發布，可提高數字航道的主動服務能力；

圖1 結構圖

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

4）采用基于AIS的船舶動態跟蹤技術實現船舶的全程可視化監控；

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船舶和工作日志的實時保存和歷史回溯。

4 總體框架

根據數字航道的總體邏輯框架，本系統自下而上分為數據采集平臺、數據資源平臺、業務應用平臺、信息服務平臺以及安全運行標準規范體系。

1）信息采集平臺：包括數據采集跟蹤單元中的AIS信息采集模塊和視頻監視模塊；

2）數據資源平臺：中央控制單元的數據庫群。包括船舶信息數據庫、工作記錄數據庫、專家系統知識庫；

3）業務應用平臺：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軟件、數據處理軟件；

4）信息服務平臺：本部分依托長江信息系統基礎數據庫和長江航道外網網站；

5）安全運行標準規范體系：包括系統安全運行措施、信息發布管理、數據安全保密規定、系統各類數據標準、硬件設備標準等。

5 技術方案

系統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。

專用軟件系統采用VC++環境開發。

信息服務平臺采用.NET開發平臺開發。

系統數據庫采用SQL Server數據庫構建。

本系統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、專家系統軟件、數據處理軟件等。

數據采集跟蹤單元包括：AIS信號接收裝置、網絡連接設備、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：網絡連接設備、AIS信號發射裝置、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，關系到沿江地區交通物流和經濟社會的可持續發展，對國家經濟發展具有重要意義。

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、經濟、高效、低碳的通航環境，并填補相關領域的國內外空白。從而帶來顯著的社會效益。

圖2 示意圖

1）規范船舶通航秩序，提高通航效率，保障通航安全

本系統建成后，能對通航船舶實施有效監督；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；盡量避免可能出現的安全事故。同時能提高控制河段的管理水平和執法水平。

2）變革傳統航道維護方式，實現控制河段信號指揮現代化

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展和經濟的需要。本系統能夠大大提高指揮、管理、維護的現代化水平，建成后可在上游航道推廣應用。

6.2 經濟效益

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

[1]趙建虎，劉經南.多波束測深及圖像數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2008.