湖泊航運信息支持保障系統功能設計與架構實現

施科

【摘? 要】湖泊航運信息支持保障系統旨在通過信息化手段為航運安全管理、應急指揮、平安航行提供技術保障。本文首先根據需求對湖泊航運信息支持保障系統功能進行了設計，然后基于系統功能完成了系統的總體框架設計，并對其中航運監管中心系統、航運信息電子地圖顯示系統、航運區域高清視頻監控系統和航運區域語音通信系統進行了詳細闡述。本文所給出的信息支持保障系統豐富了湖泊航運系統的管理措施，能夠有效的保障航運安全和通航效率。

【關鍵詞】湖泊航運;信息支持;航運監管;電子地圖

引言

水路交通與旅游、物流等行業的發展息息相關，而內陸湖泊航運管理的水平仍相對落后，與國家戰略協調的總體趨勢還不適應，因此各航務管理機構提升重要航道等級作為政務建設的重點，擬采用高效、前沿的技術方法來提高航運管理的通航安全和效率。

當前信息化技術已經應用到多個行業領域，并逐步向水上交通領域擴張。在航運信息化程度較高的發達國家，已完成了現代化航道網絡的建設，并制定了較為完備的內河航道發展的政策措施。國內現階段也通過綜合應用傳感器技術、通信技術等實現多航道的動態監測管理，并實施輔助決策。

本文對湖泊航運信息支持保障系統功能需求進行了設計，然后基于系統功能和相關技術、安全和工程規范，完成了系統的總體框架設計，并對系統中的航運監管中心系統、航運信息電子地圖顯示系統、航運區域高清視頻監控系統和航運區域語音通信系統進行了詳細闡述。

1.系統功能設計

湖泊航運信息支持保障系統擬實現航運監管、航運信息電子地圖顯示、航運區域高清視頻監控、航運區域語音通訊等四個方面的功能，系統功能構成框圖如圖1所示。本節將對這四個方面的功能進行詳細闡述。

1.1航運監管

航運監管中心系統功能主要是完成重要航運事件過程回放、航運指揮調度信息下發、航運緊急狀況應急指揮處理流程設計、航運區域高清視頻圖像監控和大屏顯示、航運安全監管、應急救援指揮調度及過程記錄以及地理信息和航運信息采集、處理功能。

1.2航運信息電子地圖顯示

航運信息電子地圖綜合顯示系統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信息綜合顯示、航運和執法船只AIS數據采集、航跡顯示以及航線規劃、航路設置。

1.3航運區域高清視頻監控

航運區域高清視頻監控系統功能包括客運碼頭和執法船實時高清晰視頻畫面監控、客運碼頭營運船只的進出港和系泊情況監控、客運碼頭乘客和工作人員進出碼頭和登船情況監控、主要客運碼頭及周邊設施安全防護情況監控、執法船只作業、執法、救撈和警戒情況實時監控，并對特殊事態和人員/物流狀況進行跟蹤和放大顯示。

1.4航運區域語音通訊

航運區域語音通訊中繼系統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.系統架構設計與實現

基于所設計的系統功能，本節給出了系統的架構設計和具體實現。湖泊航運信息支持保障系統結構圖如圖2所示，航運區域高清視頻監控系統、航運區域VHF頻段語音通訊系統的視頻、數據等信息通過無線數據傳輸網絡傳輸至航運監管中心系統，航運監管中心系統將視頻、數據進行處理、分發，實現湖泊航運信息綜合顯示、指揮調度等功能。

2.1航運監管中心系統設計與實現

航運監管中心系統在統一體系結構下組織各類各種湖泊航運管理設備、設施和系統構成一體化監控集成體，實現湖泊全流域航運全過程管理的監控、監測、顯示、指揮和調度，其架構如圖3所示。其中，在航運信息指揮顯示和航運船只指揮調度過程中，采集湖泊主要客運碼頭和執法船只攝像機獲得的航運現場各重要工位實況視頻信息，航運船只航行和碼頭停靠狀態、航運碼頭內人員和管理秩序、執法船執法全過程等的實況高清視頻信息，實時采集航運和執法船只航行位置信息、航道航標位置信息，具備采集湖泊其它氣象測量系統、環境測量系統、地理信息系統等提供的氣象、海浪、海流、水深、聲速剖面等環境數據，依據航運船只的位置和狀態參數、實時監管數據和安全邊界條件，顯示航運管理和保障系統整個安全態勢，給出告警信息，在監管中心實現現場場景監視控制顯示，并實時切換現場實況視頻到大屏，供航運監管人員和領導對現場航運情況監控指揮、航運管理輔助決策，并通過語音對講系統發出安全控制指令。

在航運規劃和航運過程事后回放處理過程中，依據國家湖泊總體規劃、國家內陸航運管理標準、湖泊航運管理規劃、航運船只規范和成熟方案以及航道資源數據，確定監管技術手段、監管設備設施和保障資源，檢索湖泊全流域地理信息系統，確定相關設備布點、禁航區域和安全區域，形成湖泊航運綜合管理方案，為航運方案策劃、航運重要過程重發復現、應急救援、救援指揮等提供與實時航運監管過程一致的信息支撐環境和信息處理功能。

2.2航運信息電子地圖顯示系統設計與實現

航運信息電子地圖綜合顯示系統主要實現湖泊水域大比例地圖顯示、水深顯示、航運信息綜合顯示、航線規劃等功能，負責湖泊區域主要客運碼頭和航道水深地圖顯示，利用電子地圖技術導入湖泊區域地理信息，將航運和執法船船位置信息、浮標位置信息處理后，形成與航運區域地理信息相匹配的位置信息，在航運區域電子地圖上進行絕對位置和航跡顯示，形成具有數字線劃和正射影像兩種方式的湖泊航運地理信息場景顯示圖。航線規劃與輔助決策主要是根據現場船只航行情況制定應急處理預案以便航運管理部門進行決策輔助，在航運過程中可實時修改航運方案和緊急控制命令并廣播至航運信息管理平臺上的各個節點和用戶。

航運信息電子地圖綜合顯示系統軟件功能包括湖泊區域地理信息綜合顯示、水面航道和航標信息顯示、航運和執法船只動態定位和航跡顯示、船只運行航路規劃和顯示功能、特征點位置標識添加和顯示、航運區域深度信息顯示、虛擬浮標位置顯示和偏移示警、圖上鼠標測距、航線規劃與輔助決策、航運信息存儲，在軟件層面實現的具體功能如圖4所示。

2.3航運區域高清視頻監控系統設計與實現

客運碼頭作為旅客出行的集散地，區域環境相對比較復雜，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大的難度。單純依靠企業安全管理人員到現場巡視或抽查等方式進行監管防范，不僅監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，很難及時發現并有效處置安全生產隱患，給海事安全管理工作帶來相當大的難度。加之湖泊及其相關水域碼頭和停靠點大都比較簡陋，缺乏現代化的碼頭、侯船設施，海事安全監管設施、設備和監管手段落后，遠不能適應客運量迅速增長的需求，難以保障船舶航行安全，水運安全形勢十分堪憂。

航運區域高清視頻監控系統采用視頻傳感器成像技術、計算機網絡技術、智能視覺分析技術、數字音頻、視頻通訊、多路視頻監控、有線、無線通訊等技術，在湖泊主要碼頭監控點、執法船與監控中心之間構建高清視頻監控系統，以實現碼頭和執法船高清視頻監控。

湖泊航運區域高清視頻監控系統主要由前端監控和視頻傳輸網絡構成，系統構成如圖5所示。

前端監控包括碼頭區域監控和執法船船載監控兩部分，對航運碼頭、執法船、船只進出港和系泊情況、人員進出碼頭情況等進行高清視頻監控，支持多種類型的攝像機接入，本方案配置高清網絡槍機、球機、4G槍機、4G球機等，前端網絡攝像機將采集的模擬信號轉換成網絡數字信號，按照標準的音視頻編碼格式及標準的通信協議，可直接接入網絡并進行視頻圖像的傳輸。

數據傳輸網絡主要實現前端監控至監管中心的視頻和數據傳輸，根據現場條件，結合項目實際情況，本方案采用4G網絡傳輸方案，將前端4G網絡高清攝像機監控視頻實時傳輸至監管中心，再通過接入交換機將網絡信號匯聚到中心的核心交換機，監管中心端的接入交換機負責PC工作站和NVR錄像等設備的接入。

前端高清視頻通過視頻和數據傳輸網絡傳輸至航運監管中心，通過部署模塊化、集成化的視頻綜合管理應用平臺，結合高清顯示大屏實現視頻圖像、電子地圖、電腦信號的上墻顯示、拼接控制等功能，實現統一的管理平臺、統一的切換控制系統和統一的顯示系統，實現對整個系統的統一配置和管理，配置PC工作站進行預覽、回放、下載等操作。

2.4航運區域語音通信系統設計與實現

航運區域的語音通信和數據通信系統功能都是通過無線電臺實現的。本項目使用的無線語音通信實現碼頭、航運船只和執法船之間的語音交互通話;采用無線數據傳輸的方式完成碼頭和船只所采集動態數據的實時交互。因此，擬建立的涵蓋甚高頻的無線語音與數據傳輸系統，能夠覆蓋湖泊管轄區域，實現航道管理、海事執法和應急事故處理的通信要求。

（1）中心、船只語音通信。監管中心及執法船配備至少一臺數字車載式電臺實現語音通信功能。一般的對講系統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定，如果沒有較大的障礙物阻擋，通信距離可以達十幾公里甚至幾十公里。同時，車載式電臺采用FM調頻制式工作，信號的抗干擾性能更強，話音信號可以保持更清晰飽滿，方便監管中心、執法船和航運船只完成通信。

（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的通信能力，需要設置至少1個無線中繼臺輔助完成語音與數據通信的功能。

3.結語

本文針對城市湖泊航運信息支持保障的需求，設計了航運監管、航運信息電子地圖顯示、航運區域高清視頻監控、航運區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監管中心系統、航運信息電子地圖顯示系統、航運區域高清視頻監控系統和航運區域語音通信系統的設計與實現。

所構建的湖泊航運信息支持保障系統采用信息化手段，結合GNSS RTK動態定位技術、4G/5G通信技術、無線自組網技術、遠端視頻監控技術以及GIS技術，可形成管理水平先進、內河航運基礎設施完備、支持保障有力、層次分明、配套設施完善的城市湖泊水運交通體系。

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