長江干線控制河段聚合化監管模式研究

徐曉明 聞光華 王天奇 陳忠明 付巖

摘 要：本文對目前長江干線控制河段監管方式的分析，在控制河段監管業務效率、成本、協同能力等方面總結目前業務上存在的一些亟待解決的問題，通過對問題的分析和探討，結合目前先進的船舶航行安全管理理念以及多元化的信息技術處理手段，提出一種能夠使控制河段監管業務高效低成本運行、適應業務變化、打破信息壁壘、可持續發展的聚合監管模式，并對該模式的設計理念、技術支撐、系統實現等方面進行了探討和研究。

關鍵詞：控制河段;通行指揮;AIS;雷達;無人值守;多信源融合

中圖分類號：U697.2? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0031-03

1 引言

控制河段是指具有彎曲、狹窄、灘險等特征、通視條件差、會船避讓困難、導致船舶同一時間段內只能單向通行的航道河段。控制河段的監管可以保障控制河段區域內船舶通行安全，提高控制河段上下行船舶通行效率，避免船舶積壓導致通行風險。控制河段的監管業務具有實時性、準確性、可視化的要求，隨著航運經濟的發展，對控制河段的監管業務在業務變化適應性、監管成本、監管效率、預控性、協同性、數據聯通共享及對外服務等方面提出了更高的要求，以往的控制河段監管模式的問題已經逐漸顯露，出現監管能力弱化、效率降低、成本增加等現象。本文試圖對現有監管模式在技術手段和管理手段的問題上進行分析，研究和探討一種能夠使控制河段監管業務低成本高效運行、主動適應業務變化、數據信息互聯互通的新型控制河段聚合監管模式。

2 控制河段問題分析

目前控制河段船舶航行安全監管采用信號臺豎井式單點監管模式，由各信號臺對其自身管轄范圍內通行船舶施行依據信號揭示，指揮船舶通過控制河段。這種豎井式單點監管模式存在以下問題：

（1）數據采集手段匱乏，監管存在盲區。近年來，控制河段的監管引入了AIS、信號揭示裝置的信息化技術手段作為輔助技術支撐，控制河段的指揮依靠AIS獲取監管區域的船舶航行態勢的數據，對AIS船舶目標數據進行采集與解析，進行輔助決策。控制河段當前在船舶數據采集方面僅使用Class B型AIS設備，但受自然條件限制及少數船舶不開啟AIS等特殊情況，造成監管上存在盲區，影響信號臺值班人員對轄區船舶動態的掌握與判斷。

（2）船舶識別跟蹤能力不足。船舶識別跟蹤是控制河段監管的重要環節，由于數據采集手段匱乏，導致在監管過程中實時獲取船舶位置、航速、航向等船舶動態數據的能力不足。

（3）信息無法有效共享，缺乏預控機制。控制河段監管使用的信息系統單獨部署在信號臺，各信號臺均獨立工作，缺乏信息共享方式，在業務上無法形成預控機制。當控制河段區域內發生施工、事故、船舶積壓等情況時，各信號臺間無法有效地進行協同指揮，加大了值班人員的工作負荷。

（4）監管成本高，值班人員工作負荷大。信號臺開班期間因上下行船舶流量較大，信號臺值班人員采用倒班制，對控制河段內的船舶進行指揮放行、信號揭示、船岸溝通、臺賬記錄等工作，值班人員工作負荷較大，監管成本較高。

綜上，當前控制河段采用的監管模式在數據采集、船舶識別跟蹤、信息共享和監管成本等方面無法滿足在船舶通行指揮監管對實時、預控、業務協同、事件追溯、信息共享等方面的要求。

因此，本文研究采用聚合化的監管模式轉變當前控制河段豎井式單點監管模式，在各信號臺通過部署雷達、AIS、VHF、CCTV等多種傳感器設備，為信號臺提供多元化數據采集方式，通過對多信源設備的數據采集與融合處理，形成實時準確的船舶航行動態數據資源，為指揮船舶通行提供數據支撐;通過構建數據互聯通道，實現一數一源的中心化數據存儲，以數據為媒介將各信號臺有機互聯，逐步形成信號臺無人化值守、指揮中心遠程調度指揮的聚合化監管模式。利用面向服務的思想構建高效的業務和數據服務，形成控制河段船舶通行安全監管全生命周期業務流程;通過構建具有預控、全區域覆蓋、實時可視、多點聯動、事件追溯等能力為一體的長江干線控制河段船舶通航控制系統，提高船舶通行效率，確保船舶通行安全，降低人員監管負荷，提升社會經濟效益。

3 聚合化監管模式思路

本文研究依托長江重慶航道局《長江干線控制河段船舶通航控制系統》項目的建設經驗，該項目以聚合化的監管模式思路構建信息化系統。在控制河段信號臺部署多信源傳感器設備，采集多信源數據通過專線網絡連通至局航道指揮中心進行數據融合處理;在局航道指揮中心部署通航控制系統。現階段采用信號臺指揮放行和局航道指揮中心監管的管理模式，初步形成“信號臺-局航道指揮中心”二級工作體系，后續逐步實現信號臺無人化值守，將原有信號臺指揮放行模式轉變為局航道指揮中心遠程指揮放行模式，構建局航道指揮中心遠程監管整個重慶轄區控制河段船舶通行狀態的管理模式。

聚合化控制河段船舶航行安全監管模式構建思路從邏輯層面劃分為兩項主要內容：系統整體架構及處理流程、系統整體安全監管處理措施。

3.1系統整體架構及處理流程

多信源傳感器設備包括雷達、AIS、CCTV、VHF和信號揭示裝置。信號臺負責控制河段區域的多傳感器的數據采集和信號揭示裝置的控制，需部署雷達、AIS、CCTV、VHF和信號揭示裝置多種信源傳感器設備，接入控制服務器，對多信源傳感器設備數據進行采集與解析，將解析后的數據通過專線網絡傳輸到局航道指揮中心的通航控制系統進行數據融合處理。現階段在信號臺部署通航控制系統工作臺供一線值班人員調度指揮，后續逐步實現信號臺無人值守，局航道指揮中心遠程調度指揮。局航道指揮中心是整個系統的數據處理中心和服務應用中心，需部署系統服務器集群和數據庫系統;部署綜合監管工作臺，監控整個重慶轄區控制河段的船舶通行狀況。后續局航道指揮中心將接入全部信號臺，形成“信號臺-指揮中心”二級工作體系，最終逐步實現聚合化的監管。

3.2系統整體安全監管處理措施

系統采用三級監控預警模式，通過采用雷達、AIS、CCTV、VHF等傳感器設備實現對船舶航行監管區域的一體化綜合安全監管。在控制河段設定三級安全監管區域，根據風險級別進行分控管理。以銅鑼峽為例，在三個信號臺分別部署多信源傳感器，聯合監控整個銅鑼峽的多個控制河段區域，整體監管模式示意圖如圖2。

按照風險級別由低至高劃分，分別是一級監控區域（觀察區），二級監控區域（警戒區），三級監控區域（危險區）。通過雷達、AIS數據解析融合處理實現對船舶目標的識別及跟蹤，結合區域風險預警算法實現對船舶動態的實時監控及預警。基礎預警類別分為接近預警和駛入預警，結合三個監管區域級別，通過多樣化的方式進行主動式和被動式的監管和預警，對重點監管船舶使用CCTV設備實時聯動跟蹤監控。使用 VHF設備自動或手動發送語音，使用信號解釋裝置進行信號揭示，告知船方當前控制河段是否可以通行。

4 聚合化監管模式的技術支撐

構建聚合化監管模式依托的關鍵性技術包括：多信源數據融合處理技術、聯動識別跟蹤技術、VHF語音自動播報技術及控制河段飽和度平衡度雙控算法。采用以上關鍵性技術，提高控制河段船舶指揮效率、通行效率和安全性。

4.1 多信源數據融合處理技術

系統接入多個雷達對整個覆蓋區域進行聯合監控，會出現多個雷達重疊區域掃描到同一軌跡目標的情況。要保證系統識別為同一軌跡目標，需對各個雷達掃描到的同一個軌跡目標信息進行融和，融合后的雷達目標與AIS設備識別的同一目標也需進行融合處理，最終實現系統中的同一目標的唯一顯示。

雷達目標融合：對雷達重疊范圍內的軌跡目標進行融合處理。雷達重疊范圍內的目標，通過判斷雷達目標的位置、航速、航向、雷達目標特征等信息，將位于同一位置的多個雷達目標融合為一個雷達目標。

AIS目標融合：對融合后的雷達目標與AIS目標進行融合處理。AIS目標更新頻率較雷達目標更新頻率低，需對AIS目標進行軌跡推算，再與雷達融合目標進行融合處理。

4.2 聯動識別跟蹤技術

系統接入CCTV設備，實現CCTV云臺與船舶目標的聯動識別跟蹤。雷達和AIS設備獲取船舶目標的矢量信息（包括船舶ID與船舶經緯度坐標），通過與CCTV云臺間的通信接口，將船舶目標的經緯度坐標發送給CCTV云臺，并控制CCTV云臺的旋轉角度，在電子航道圖上實現船舶目標的鎖定和聯動跟蹤。

4.3 VHF語音自動播報技術

系統接入支持VOIP協議的VHF岸臺設備，使船岸的語音溝通實現自動化。采用TTS技術將預警或船舶調度等信息文字轉換成語音，通過支持VOIP協議的VHF岸臺設備將語音自動向船方廣播。

4.4 控制河段飽和度平衡度雙控算法

為提高控制河段通行效率和安全性，系統引入飽和度平衡度雙控算法。利用對飽和度、平衡度進行組合控制計算，確定最優的放行方案。

（1）飽和度算法：分為上游飽和度和下游飽和度，根據上下指揮斷面船舶數量閾值計算比例值，得出航區擁堵狀態指標。場景如下：

發生場景一和場景四的情況時，基于上下行的權重分配，引入平衡度算法。

（2）平衡度算法：根據上下行權重計算，在上下指揮斷面處于場景一和場景四的情況時，平衡度算法將根據上下游放行權重閾值的設定進行計算，以確定放行方案。

5 結語

綜上所述，通過聚合化控制河段船舶航行安全監管模式的研究，構建局航道指揮中心遠程監管整個重慶轄區控制河段船舶通行狀態的管理模式，實現信號臺無人化值守，形成“信號臺-航道局指揮中心”的二級工作體系。通過轉變現有控制河段業務的監管模式，提高船舶通行效率，降低人員工作負荷，有效避免船舶積壓，保障船舶通行安全。

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