湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)功能設(shè)計與架構(gòu)實現(xiàn)

施科

【摘? 要】湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)旨在通過信息化手段為航運(yùn)安全管理、應(yīng)急指揮、平安航行提供技術(shù)保障。本文首先根據(jù)需求對湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)功能進(jìn)行了設(shè)計，然后基于系統(tǒng)功能完成了系統(tǒng)的總體框架設(shè)計，并對其中航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)、航運(yùn)信息電子地圖顯示系統(tǒng)、航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)和航運(yùn)區(qū)域語音通信系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文所給出的信息支持保障系統(tǒng)豐富了湖泊航運(yùn)系統(tǒng)的管理措施，能夠有效的保障航運(yùn)安全和通航效率。

【關(guān)鍵詞】湖泊航運(yùn);信息支持;航運(yùn)監(jiān)管;電子地圖

引言

水路交通與旅游、物流等行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，而內(nèi)陸湖泊航運(yùn)管理的水平仍相對落后，與國家戰(zhàn)略協(xié)調(diào)的總體趨勢還不適應(yīng)，因此各航務(wù)管理機(jī)構(gòu)提升重要航道等級作為政務(wù)建設(shè)的重點，擬采用高效、前沿的技術(shù)方法來提高航運(yùn)管理的通航安全和效率。

當(dāng)前信息化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到多個行業(yè)領(lǐng)域，并逐步向水上交通領(lǐng)域擴(kuò)張。在航運(yùn)信息化程度較高的發(fā)達(dá)國家，已完成了現(xiàn)代化航道網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，并制定了較為完備的內(nèi)河航道發(fā)展的政策措施。國內(nèi)現(xiàn)階段也通過綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等實現(xiàn)多航道的動態(tài)監(jiān)測管理，并實施輔助決策。

本文對湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)功能需求進(jìn)行了設(shè)計，然后基于系統(tǒng)功能和相關(guān)技術(shù)、安全和工程規(guī)范，完成了系統(tǒng)的總體框架設(shè)計，并對系統(tǒng)中的航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)、航運(yùn)信息電子地圖顯示系統(tǒng)、航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)和航運(yùn)區(qū)域語音通信系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1.系統(tǒng)功能設(shè)計

湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)擬實現(xiàn)航運(yùn)監(jiān)管、航運(yùn)信息電子地圖顯示、航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控、航運(yùn)區(qū)域語音通訊等四個方面的功能，系統(tǒng)功能構(gòu)成框圖如圖1所示。本節(jié)將對這四個方面的功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1航運(yùn)監(jiān)管

航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)功能主要是完成重要航運(yùn)事件過程回放、航運(yùn)指揮調(diào)度信息下發(fā)、航運(yùn)緊急狀況應(yīng)急指揮處理流程設(shè)計、航運(yùn)區(qū)域高清視頻圖像監(jiān)控和大屏顯示、航運(yùn)安全監(jiān)管、應(yīng)急救援指揮調(diào)度及過程記錄以及地理信息和航運(yùn)信息采集、處理功能。

1.2航運(yùn)信息電子地圖顯示

航運(yùn)信息電子地圖綜合顯示系統(tǒng)功能主要包括湖泊全水域深度信息高精度測繪成圖、湖泊地理信息和航運(yùn)信息綜合顯示、航運(yùn)和執(zhí)法船只AIS數(shù)據(jù)采集、航跡顯示以及航線規(guī)劃、航路設(shè)置。

1.3航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控

航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能包括客運(yùn)碼頭和執(zhí)法船實時高清晰視頻畫面監(jiān)控、客運(yùn)碼頭營運(yùn)船只的進(jìn)出港和系泊情況監(jiān)控、客運(yùn)碼頭乘客和工作人員進(jìn)出碼頭和登船情況監(jiān)控、主要客運(yùn)碼頭及周邊設(shè)施安全防護(hù)情況監(jiān)控、執(zhí)法船只作業(yè)、執(zhí)法、救撈和警戒情況實時監(jiān)控，并對特殊事態(tài)和人員/物流狀況進(jìn)行跟蹤和放大顯示。

1.4航運(yùn)區(qū)域語音通訊

航運(yùn)區(qū)域語音通訊中繼系統(tǒng)功能主要包括湖泊全水域語音通訊中繼傳輸功能和語音通訊對講、錄音功能。

2.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

基于所設(shè)計的系統(tǒng)功能，本節(jié)給出了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計和具體實現(xiàn)。湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、航運(yùn)區(qū)域VHF頻段語音通訊系統(tǒng)的視頻、數(shù)據(jù)等信息通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)，航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)將視頻、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分發(fā)，實現(xiàn)湖泊航運(yùn)信息綜合顯示、指揮調(diào)度等功能。

2.1航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)在統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)下組織各類各種湖泊航運(yùn)管理設(shè)備、設(shè)施和系統(tǒng)構(gòu)成一體化監(jiān)控集成體，實現(xiàn)湖泊全流域航運(yùn)全過程管理的監(jiān)控、監(jiān)測、顯示、指揮和調(diào)度，其架構(gòu)如圖3所示。其中，在航運(yùn)信息指揮顯示和航運(yùn)船只指揮調(diào)度過程中，采集湖泊主要客運(yùn)碼頭和執(zhí)法船只攝像機(jī)獲得的航運(yùn)現(xiàn)場各重要工位實況視頻信息，航運(yùn)船只航行和碼頭?？繝顟B(tài)、航運(yùn)碼頭內(nèi)人員和管理秩序、執(zhí)法船執(zhí)法全過程等的實況高清視頻信息，實時采集航運(yùn)和執(zhí)法船只航行位置信息、航道航標(biāo)位置信息，具備采集湖泊其它氣象測量系統(tǒng)、環(huán)境測量系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等提供的氣象、海浪、海流、水深、聲速剖面等環(huán)境數(shù)據(jù)，依據(jù)航運(yùn)船只的位置和狀態(tài)參數(shù)、實時監(jiān)管數(shù)據(jù)和安全邊界條件，顯示航運(yùn)管理和保障系統(tǒng)整個安全態(tài)勢，給出告警信息，在監(jiān)管中心實現(xiàn)現(xiàn)場場景監(jiān)視控制顯示，并實時切換現(xiàn)場實況視頻到大屏，供航運(yùn)監(jiān)管人員和領(lǐng)導(dǎo)對現(xiàn)場航運(yùn)情況監(jiān)控指揮、航運(yùn)管理輔助決策，并通過語音對講系統(tǒng)發(fā)出安全控制指令。

在航運(yùn)規(guī)劃和航運(yùn)過程事后回放處理過程中，依據(jù)國家湖泊總體規(guī)劃、國家內(nèi)陸航運(yùn)管理標(biāo)準(zhǔn)、湖泊航運(yùn)管理規(guī)劃、航運(yùn)船只規(guī)范和成熟方案以及航道資源數(shù)據(jù)，確定監(jiān)管技術(shù)手段、監(jiān)管設(shè)備設(shè)施和保障資源，檢索湖泊全流域地理信息系統(tǒng)，確定相關(guān)設(shè)備布點、禁航區(qū)域和安全區(qū)域，形成湖泊航運(yùn)綜合管理方案，為航運(yùn)方案策劃、航運(yùn)重要過程重發(fā)復(fù)現(xiàn)、應(yīng)急救援、救援指揮等提供與實時航運(yùn)監(jiān)管過程一致的信息支撐環(huán)境和信息處理功能。

2.2航運(yùn)信息電子地圖顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

航運(yùn)信息電子地圖綜合顯示系統(tǒng)主要實現(xiàn)湖泊水域大比例地圖顯示、水深顯示、航運(yùn)信息綜合顯示、航線規(guī)劃等功能，負(fù)責(zé)湖泊區(qū)域主要客運(yùn)碼頭和航道水深地圖顯示，利用電子地圖技術(shù)導(dǎo)入湖泊區(qū)域地理信息，將航運(yùn)和執(zhí)法船船位置信息、浮標(biāo)位置信息處理后，形成與航運(yùn)區(qū)域地理信息相匹配的位置信息，在航運(yùn)區(qū)域電子地圖上進(jìn)行絕對位置和航跡顯示，形成具有數(shù)字線劃和正射影像兩種方式的湖泊航運(yùn)地理信息場景顯示圖。航線規(guī)劃與輔助決策主要是根據(jù)現(xiàn)場船只航行情況制定應(yīng)急處理預(yù)案以便航運(yùn)管理部門進(jìn)行決策輔助，在航運(yùn)過程中可實時修改航運(yùn)方案和緊急控制命令并廣播至航運(yùn)信息管理平臺上的各個節(jié)點和用戶。

航運(yùn)信息電子地圖綜合顯示系統(tǒng)軟件功能包括湖泊區(qū)域地理信息綜合顯示、水面航道和航標(biāo)信息顯示、航運(yùn)和執(zhí)法船只動態(tài)定位和航跡顯示、船只運(yùn)行航路規(guī)劃和顯示功能、特征點位置標(biāo)識添加和顯示、航運(yùn)區(qū)域深度信息顯示、虛擬浮標(biāo)位置顯示和偏移示警、圖上鼠標(biāo)測距、航線規(guī)劃與輔助決策、航運(yùn)信息存儲，在軟件層面實現(xiàn)的具體功能如圖4所示。

2.3航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

客運(yùn)碼頭作為旅客出行的集散地，區(qū)域環(huán)境相對比較復(fù)雜，來往的人員、車輛、船舶非常多，給海事安全管理工作帶來相當(dāng)大的難度。單純依靠企業(yè)安全管理人員到現(xiàn)場巡視或抽查等方式進(jìn)行監(jiān)管防范，不僅監(jiān)控的時間和空間非常有限，而且效率較低。在旅客聚集量大的高峰時間段，很難及時發(fā)現(xiàn)并有效處置安全生產(chǎn)隱患，給海事安全管理工作帶來相當(dāng)大的難度。加之湖泊及其相關(guān)水域碼頭和?？奎c大都比較簡陋，缺乏現(xiàn)代化的碼頭、侯船設(shè)施，海事安全監(jiān)管設(shè)施、設(shè)備和監(jiān)管手段落后，遠(yuǎn)不能適應(yīng)客運(yùn)量迅速增長的需求，難以保障船舶航行安全，水運(yùn)安全形勢十分堪憂。

航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻傳感器成像技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能視覺分析技術(shù)、數(shù)字音頻、視頻通訊、多路視頻監(jiān)控、有線、無線通訊等技術(shù)，在湖泊主要碼頭監(jiān)控點、執(zhí)法船與監(jiān)控中心之間構(gòu)建高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)碼頭和執(zhí)法船高清視頻監(jiān)控。

湖泊航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控和視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

前端監(jiān)控包括碼頭區(qū)域監(jiān)控和執(zhí)法船船載監(jiān)控兩部分，對航運(yùn)碼頭、執(zhí)法船、船只進(jìn)出港和系泊情況、人員進(jìn)出碼頭情況等進(jìn)行高清視頻監(jiān)控，支持多種類型的攝像機(jī)接入，本方案配置高清網(wǎng)絡(luò)槍機(jī)、球機(jī)、4G槍機(jī)、4G球機(jī)等，前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號，按照標(biāo)準(zhǔn)的音視頻編碼格式及標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，可直接接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行視頻圖像的傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)前端監(jiān)控至監(jiān)管中心的視頻和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)現(xiàn)場條件，結(jié)合項目實際情況，本方案采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，將前端4G網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)監(jiān)控視頻實時傳輸至監(jiān)管中心，再通過接入交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)信號匯聚到中心的核心交換機(jī)，監(jiān)管中心端的接入交換機(jī)負(fù)責(zé)PC工作站和NVR錄像等設(shè)備的接入。

前端高清視頻通過視頻和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至航運(yùn)監(jiān)管中心，通過部署模塊化、集成化的視頻綜合管理應(yīng)用平臺，結(jié)合高清顯示大屏實現(xiàn)視頻圖像、電子地圖、電腦信號的上墻顯示、拼接控制等功能，實現(xiàn)統(tǒng)一的管理平臺、統(tǒng)一的切換控制系統(tǒng)和統(tǒng)一的顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一配置和管理，配置PC工作站進(jìn)行預(yù)覽、回放、下載等操作。

2.4航運(yùn)區(qū)域語音通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

航運(yùn)區(qū)域的語音通信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)功能都是通過無線電臺實現(xiàn)的。本項目使用的無線語音通信實現(xiàn)碼頭、航運(yùn)船只和執(zhí)法船之間的語音交互通話;采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵瓿纱a頭和船只所采集動態(tài)數(shù)據(jù)的實時交互。因此，擬建立的涵蓋甚高頻的無線語音與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠覆蓋湖泊管轄區(qū)域，實現(xiàn)航道管理、海事執(zhí)法和應(yīng)急事故處理的通信要求。

（1）中心、船只語音通信。監(jiān)管中心及執(zhí)法船配備至少一臺數(shù)字車載式電臺實現(xiàn)語音通信功能。一般的對講系統(tǒng)電臺多工作在可選的UHF頻段或一個VHF頻段，該頻段的特點是視距傳播模式信號傳輸穩(wěn)定，如果沒有較大的障礙物阻擋，通信距離可以達(dá)十幾公里甚至幾十公里。同時，車載式電臺采用FM調(diào)頻制式工作，信號的抗干擾性能更強(qiáng)，話音信號可以保持更清晰飽滿，方便監(jiān)管中心、執(zhí)法船和航運(yùn)船只完成通信。

（2）無線中繼臺。對于水域面積較大的湖泊，要保證該水域范圍內(nèi)的通信能力，需要設(shè)置至少1個無線中繼臺輔助完成語音與數(shù)據(jù)通信的功能。

3.結(jié)語

本文針對城市湖泊航運(yùn)信息支持保障的需求，設(shè)計了航運(yùn)監(jiān)管、航運(yùn)信息電子地圖顯示、航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控、航運(yùn)區(qū)域語音通訊等四個方面的功能，并基于這幾項功能完成了航運(yùn)監(jiān)管中心系統(tǒng)、航運(yùn)信息電子地圖顯示系統(tǒng)、航運(yùn)區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)和航運(yùn)區(qū)域語音通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

所構(gòu)建的湖泊航運(yùn)信息支持保障系統(tǒng)采用信息化手段，結(jié)合GNSS RTK動態(tài)定位技術(shù)、4G/5G通信技術(shù)、無線自組網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)端視頻監(jiān)控技術(shù)以及GIS技術(shù)，可形成管理水平先進(jìn)、內(nèi)河航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施完備、支持保障有力、層次分明、配套設(shè)施完善的城市湖泊水運(yùn)交通體系。

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