控制河段智能通行指揮關鍵技術研究

畢方全 李修云 梁山

摘 要：長江上游控制河段航道水流湍急、通行斷面狹窄彎曲，為保證過往船舶通行安全，船舶必須根據信號臺通行指令有序通過。本文以長江重慶航道局轄區控制河段智能通行指揮系統建設研究為基礎，詳細介紹了控制河段智能通行指揮關鍵技術，并對智能通行指揮的進一步發展進行了展望。對控制河段通行信號智能指揮系統的建設具有指導意義。

關鍵詞：控制河段；通行指揮；專家系統；AIS

中圖分類號：U618 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）09-0038-03

隨著長江干線蘭家沱至鳊魚溪數字航道工程的竣工驗收，長江干線航道重慶段正式邁入數字化航道養護管理的新時代。控制河段智能通行指揮系統作為重慶段數字航道建設的重點工程之一，根據控制河段船舶通行指揮工作的實際需要，在充分利用航道信息資源的基礎上，通過對控制河段范圍內的船舶進行實時動態監控，根據通行規則和信號員經驗對通行信號進行自動揭示和輔助指揮，實現通行信號的自動精確揭示和“點對點”指揮，有效提高信號臺工作效能和船舶通過能力，從而降低船舶因等候通過而造成的經濟成本。本文以長江重慶航道局轄區三角磧控制河段智能通行指揮系統開發和應用工作為基礎，對系統的關鍵技術進行詳細介紹，并對基于云計算、大數據和移動互聯的智能通行指揮技術的下一步發展進行展望。

1 傳統通行指揮模式

控制河段又稱限制性河段，作為長江上游山區航道的一種特殊河段，具有彎曲、窄、險、通視條件差、船舶會讓困難等特點，控制河段船舶通行效率和安全性是影響長江上游航道通航能力的重要因素。隨著長江航道的不斷建設發展，控制河段通行信號的揭示方式有了較大改進，實現了從人工拉繩提升到機械式揭示方式的轉變。但通行信號指揮方式依舊保持了傳統依靠人工瞭望、VHF聯系等獲知船舶位置、動態信息，然后依靠信號員的業務技能和指揮經驗進行通行指揮的方式。該方式受人員技能素質、天氣狀況等因素影響較大，并且因船舶謊報船位而導致通行指揮過程較為被動，出現“下水等上水、下水調頭”等情況，嚴重影響船舶安全和通航效率。特別是在當前長江航運快速發展、船舶大型化的趨勢下，更加無法滿足控制河段通行指揮的需求。

2 控制河段智能通行指揮系統簡介

本系統綜合利用人工智能、AIS、自動控制以及無線通信等技術，實時掌握船舶航行動態，通過開展基于航線匹配的控制河段船舶航行時間預測算法研究，并結合控制河段通行指揮規則和人工指揮經驗等信息構建的擬人化的通行指揮決策系統，用于制定科學合理的通行指揮命令，實現通行信號的智能指揮和自動揭示。系統主要功能以下：

2.1 實現基于AIS和長江電子航道圖的控制河段船舶動態監控

系統通過解析接收到的船舶AIS信息，構建船舶動、靜態數據庫，并在長江電子航道圖上進行位置和航行狀態的標注，準確掌握船舶的基本信息以及船舶位置、航向、航速等動態信息，實現對控制河段范圍內的船舶狀態信息的主動監控。

2.2 實現擬人化的通行指揮決策系統

在綜合利用獲取的船舶AIS實時信息、控制河段通行指揮規則以及信號員的通行指揮經驗的基礎上，構建信號智能輔助揭示專家系統。當系統監測到船舶到達預定范圍時，即自動向信號員發出預警，并根據預設通行控制規則自動生成信號揭示指令，驅動信號揭示裝置及VHF語音播報裝置對該命令進行揭示，信號員亦可參考信號揭示指令進行信號揭示操作。

2.3 面向長江電子航道圖的“點對點”指揮

系統通過“點對點”指揮信息推送端口向長江電子航道圖系統數據中心數據庫推送控制河段通行信號、船舶通行實時狀態信息、通行順序隊列等信息，從而實時更新控制河段船舶通行數據、控制河段通行信息等，使電子航道圖船載終端能夠實時顯示當前控制河段通行信號、通行指揮信息、本船通行指令和預計等待時間等信息，實現“點對點”的通行信號推送和指揮，使船舶可以根據電子航道圖船載終端提供的信息直觀清楚地獲知控制河段的通行信號和通行指揮信息，并按指揮信息安全通過控制河段。

2.4 信號旗、VHF語音和電子航道圖三位一體的信號自動（手動）揭示

當系統監測到船舶駛入控制河段指揮斷面時即自動向信號員發出提示，并根據通行指揮決策專家系統自動生成信號揭示指令。自動（手動）揭示的通行命令能分別向長江電子航道圖、信號揭示及控制系統和VHF電臺推送及發布通行信號。

2.5 信號臺連臺（控制臺和預告臺）的信號同步控制

當船舶航行至三角磧控制河段指揮斷面時，鵝公巖控制臺（主控端）將根據通行信號智能決策系統自動生成科學合理的信號揭示指令，并將該命令通過網絡發送至舀魚背預告臺（簡稱“預告臺”），控制預告臺信號旗升降從而實現連臺通行信號的同步揭示；同時，預告臺（被控端）將預告臺信號旗（燈）的當前狀態實時反饋至控制臺，以實現控制臺對預告臺信號狀態的實時監控。

2.6 遠程監控

主控端（控制臺）將船舶通行狀況和通行指揮命令通過網絡實時發送到被控端（預告臺）的同時也發送到各監控端，監控端可以通過電子航道地圖和音、視頻信息查看整個控制河段的概況，實時了解和掌握轄區內所有控制河段船舶航行與指揮情況，通行指揮記錄查詢以及歷史通信信息再現等功能。

3 系統關鍵技術

3.1 智能通行指揮

船舶通行指揮建議信息是指系統根據航向、當前位置、到達信號揭示區域時間、通行指揮規則以及人工指揮經驗等信息通過算法綜合計算后對船舶的通行序列進行科學排序，流程如圖1所示。

Step 1：接收船舶AIS信息，根據報文規則對其進行解碼校正處理，提取控制河段內需要指揮的所有船舶信息（系統將根據預設規則判定是否為特殊船舶，如客渡船、工作船舶等，如果是特殊船舶，將不對其進行處理）；

Step 2：若為需指揮船舶，根據主航跡線與船舶對地航向內積判定船舶航向（上水、下水）；

Step 3：根據經緯度信息確定所在位置（控制河段上游，上等候區，控制河段，下等候區，控制河段下游），在電子航道圖上繪制出船舶圖標，以不同顏色區分船舶不同狀態，并判定是否到達關鍵點位置；

Step 4：根據船舶航速、航向、位置等信息預測船舶的速度，通過算法計算已到達指揮關鍵點的上、下水船舶到達控制河段上界限標的時間；

Step 5：按時間從短到長的原則并結合地理位置對需指揮船舶進行排序；

Step 8：當已經揭示信號的船舶駛出控制河段后，系統將對下一個通行信號進行揭示，指揮其它船舶通行。

3.2 通行排序

系統通過獲取監控區域內的船舶AIS信息，實時計算上下水船舶到達上界限標的時間，進一步根據控制河段船舶通行指揮規則，根據上下水、到達時間等對船舶的通行順序進行動態排序，在船舶到達鳴笛標時根據順序隊列進行相應的信號揭示。信號員可以查看通行順序列表指揮船舶的順序、預計到達最近界限標時間、預計等待時間、預計通過時間；系統可將這些信息推送到長江電子航道圖系統，使長江電子航道圖船舶終端能進行顯示和播報。

3.3 船位實時預測

智能指揮系統根據船舶報告的AIS數據來確定船舶的位置，制定通行策略，指揮船舶有序通行。正常行駛過程中，B類AIS設備報告的信息時間間隔通常是30s。存在AIS提供的船位稍滯后于實際船位的問題，造成電子航道圖顯示的船位與實際船位不一致，影響系統可視化顯示效果，采用通過改進卡爾曼濾波算法對船位實時預測，并在關鍵位置（如三角磧控制河段通航區）2s更新船位，其他位置5s更新船位，從而保證控制河段智能輔助指揮系統信號揭示的準確性和可靠性。

3.4 船舶通行時間預測

準確預測船舶到達控制河段上界限標時間是系統進行正確信號揭示和指揮的關鍵。由于AIS普遍存在的延時性問題，加之不同時期、不同航段水流速度不同，不同水位、不同航段船舶航行速度不同，不同船舶航行線路也不盡相同，單純依靠簡單的主航跡線除以船舶實時航速的測算方法無法準確預測船舶到達的時間。因此，本文提出了一種基于航線匹配的船舶航行時間預測方法。

通過船舶AIS獲取其在控制河段航行的動靜態信息并存入系統數據庫，構建該控制河段通行船舶歷史航線信息數據庫，動靜態信息主要包括當前時間、MMSI、航行方向、當前位置、當地水位、船舶航行速度、航行水道、流速和船型等。當檢測到船舶到達監測區域時，首先通過歷史航線數據庫查詢是否有該船舶的歷史航線記錄，如果存在，則通過AIS獲取當前船舶的航行狀態信息，并與該船舶的歷史航線數據進行匹配，篩選出最接近的歷史航線，計算船舶通過控制河段的時間，并將其作為該船到達預定目標點的預測時間。如果通過搜索在數據庫中沒有發現該船的歷史航行數據，那么就搜索相同或相似船舶是否存在符合匹配條件的航行數據，如果找到就將其作為該船的歷史航線數據與當前航行狀態信息進行匹配，從中選取最接近該船真實航行狀態的線路，并計算其駛離控制河段的時間，作為該船到達預定目標點的預測時間；如果仍未找到符合匹配條件的數據，那么就利用航道主航跡線來計算船舶通過控制河段的時間，將其作為該船到達預定目標點的預測時間。

在篩選最佳歷史航行軌跡的過程中，如果僅存在一條滿足匹配條件的航行數據，那么就將其作為該船本次的通行預定航線；如果存在多條符合匹配條件的航線數據，那么就將航線進行分段，形成若干個關鍵航點，根據本次船舶航行狀態從中匹配符合條件的各航點經緯度、速度等數據，從而選取一條最佳的航線作為該船本次的通行預定航線。

3.5 連臺信號同步控制

在某些連臺（控制臺和預告臺）指揮的控制河段，當控制臺（主控端）自動/手動發送揭示命令，在向本臺的信號揭示及控制系統發送命令的同時，還通過網絡向預告臺（被控端）發送，被控端的信號揭示及控制系統根據指令完成相同通行信號的揭示。系統基于Winsock技術，利用 TCP/IP協議實現了控制臺和預告臺之間通行信號的同步控制。

3.6 面向長江電子航道圖的信號揭示

系統將已經確定的控制河段通行信號和各船舶通行指令生成信號臺通行信息和船舶通行隊列，通過打包方式將數據文件推送到長江電子航道圖系統服務器，服務器根據獲取的信息對控制河段通行信息進行更新顯示。長江電子航道圖通過接收和解析信號臺推送的船舶通行動態、通行順序隊列、通行信號指令，可以在電子航道圖船載終端上實時顯示當前控制河段的通行信息，本船通行順序位置、預計等待時間等信息（如圖3所示），船舶根據船載終端實時更新顯示的信息可以清楚地了解當前控制河段的通行信號以及船舶隊列信息，并安全通行。

4 總結與展望

論文對控制河段智能通行指揮系統中通行信號揭示、船舶通行時間預測、連臺信號同步控制和面向長江電子航道圖的信號揭示等關鍵技術進行了詳細闡述。本系統可有效提高信號臺指揮的自動化、信息化水平，增強控制河段船舶通行的主動監控能力，降低信號員工作強度，提高通行指揮效率和船舶通行安全，提升航道對外服務能力和水平。

進一步的工作將通過群智感知、基于位置服務（LBS）、移動互聯網絡、云計算、大數據等技術解決“信號揭示手段單一”和“船舶感知手段單一”等問題，開發基于移動互聯的控制河段通行信號揭示和助航服務，主動為通行船舶提供更加豐富和準確的船舶動態信息，提高控制河段智能通行指揮系統的主動服務和精細化指揮能力，實現控制河段的互聯網+。