畢方全

長(zhǎng)江重慶航道局，重慶 401147

1 背景

通過(guò)控制河段的船舶，必須接受信號(hào)臺(tái)的指揮，根據(jù)信號(hào)臺(tái)的通行信號(hào)單向有序通過(guò)控制河段。通行于控制河段的船舶禁止追越、逗留、對(duì)駛，應(yīng)盡快通過(guò)。庫(kù)區(qū)175m蓄水之后，重慶局轄區(qū)有通行控制河段10個(gè)，通行信號(hào)臺(tái)21個(gè)（其中全年運(yùn)行的有4個(gè)，其他為季節(jié)性運(yùn)行信號(hào)臺(tái)）。

目前信號(hào)臺(tái)主要依靠人工瞭望、VHF電話聯(lián)系等方式獲取上下水船舶船位信息，然后憑借信號(hào)員業(yè)務(wù)水平和經(jīng)驗(yàn)擔(dān)負(fù)通行指揮任務(wù)。采用此種方式，通行指揮受信號(hào)員業(yè)務(wù)能力、心情、心理狀態(tài)、水流速度、船舶航行速度等多種因素影響，信號(hào)員難以掌握船舶準(zhǔn)確位置，通行指揮比較被動(dòng)，指揮的準(zhǔn)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(bào)位置所欺瞞，容易影響信號(hào)揭示準(zhǔn)確性，造成指揮欠合理科學(xué)，引發(fā)船舶交通安全事故及增加船舶等候時(shí)間；無(wú)法對(duì)密集通行船舶進(jìn)行科學(xué)高效的控制指揮。信號(hào)臺(tái)所有的工作日志、操作記錄，語(yǔ)音記錄以及船舶通行情況還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄及歷史追溯，難以采用信息化的手段規(guī)范信號(hào)員的工作行為，無(wú)法在出現(xiàn)海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據(jù)。

隨著長(zhǎng)江海事局“長(zhǎng)江干線船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)一期工程”的建設(shè)和國(guó)家海事局（海船舶[2010]156號(hào)）《國(guó)內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備管理規(guī)定》：“航行于長(zhǎng)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(yàn)安裝AIS”的實(shí)施，為信號(hào)臺(tái)的信息化和智能化提供了很好的基礎(chǔ)，客觀上對(duì)信號(hào)臺(tái)的信息化能力和指揮能力提高了更高的要求。

2 系統(tǒng)功能及構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)的主要功能

2.1.1 基于AIS的控制河段船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控

由于AIS信息完整包括了控制河段船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控所需的船舶基本信息與動(dòng)態(tài)信息，因此可通過(guò)獲取AIS信息獲得所需船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息，構(gòu)建船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制河段范圍內(nèi)的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控?？稍陔娮雍降缊D上顯示控制河段及附近水域內(nèi)所有AIS船舶，掌握準(zhǔn)確的船舶基本信息以及船舶位置、船向、船速等動(dòng)態(tài)信息；基于船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行監(jiān)控目標(biāo)船舶的自動(dòng)提取和視頻動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)控制河段范圍內(nèi)的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2.1.2 基于機(jī)器視覺(jué)的控制河段船舶可視化監(jiān)控

可通過(guò)多個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)視頻圖像對(duì)船舶進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)與跟蹤，對(duì)控制河段進(jìn)行全面監(jiān)控，信號(hào)臺(tái)可集中監(jiān)控控制河段內(nèi)船舶航行情況，全面掌握通過(guò)船舶在控制河段的基本信息取代人工了望。

2.1.3 信號(hào)智能輔助揭示

利用AIS、視頻信息、控制河段具體情況預(yù)設(shè)規(guī)則，及有經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)員的指揮經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建信號(hào)智能輔助揭示專家系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到船舶駛?cè)胫笓]斷面時(shí)即自動(dòng)向信號(hào)員發(fā)出提示，并根據(jù)預(yù)設(shè)通行控制規(guī)則自動(dòng)生成信號(hào)揭示指令和規(guī)則。通行指令和規(guī)則可以數(shù)字化方式向傳播發(fā)送、信號(hào)揭示裝置進(jìn)行自動(dòng)揭示；信號(hào)員可參考信號(hào)揭示指令進(jìn)行信號(hào)揭示操作。信號(hào)自動(dòng)同步（控制臺(tái)和預(yù)先臺(tái)）。

2.1.4 控制管理

系統(tǒng)能夠自動(dòng)保存指定時(shí)間段內(nèi)的所有船舶運(yùn)行軌跡，以便事后查詢分析使用；自動(dòng)記錄信號(hào)臺(tái)所有的工作日志、操作記錄以及語(yǔ)音記錄，且所有記錄均不可更改，以便規(guī)范信號(hào)員的工作行為，可在出現(xiàn)海損事故后利用歷史記錄作為確定肇事船舶的有力證據(jù)。可遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，控制河段信號(hào)臺(tái)信號(hào)自動(dòng)揭示與船舶通行智能輔助指揮系統(tǒng)由中央控制單元、數(shù)據(jù)采集跟蹤單元、信號(hào)揭示單元、無(wú)線通信單元等4部分組成。

中央控制單元以專家系統(tǒng)為內(nèi)核，包括專家系統(tǒng)軟件和相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件。具有綜合信息處理、智能輔助決策、控制命令發(fā)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(fā)布形式和河段信息顯示方式。

數(shù)據(jù)采集跟蹤單元包括AIS信息采集模塊（AIS信息也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從海事局獲取）和視頻監(jiān)視模塊。其中AIS信息采集模塊負(fù)責(zé)與控制區(qū)域內(nèi)的船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，得到船位、航向、航速等船舶動(dòng)態(tài)信息和必要的靜態(tài)信息，并能通過(guò)VHF高頻電話、短電文等方式向船舶提供引導(dǎo)信息。視頻監(jiān)視模塊監(jiān)視控區(qū)，跟蹤記錄船舶視頻信息。

信號(hào)揭示單元包括電子海圖顯示模塊、AIS、語(yǔ)音指揮模塊和實(shí)體信號(hào)揭示裝置。電子海圖顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示作用區(qū)域內(nèi)所有船舶位置、解析顯示動(dòng)靜態(tài)信息、設(shè)置虛擬航標(biāo)、船舶類型形象化顯示、動(dòng)態(tài)軌跡記錄、自定義監(jiān)視區(qū)域、入?yún)^(qū)船舶提示、條件檢索船舶及快速定位顯示、歷史回放等。語(yǔ)音指揮模塊利用TTS技術(shù)通過(guò)高頻電話向船舶發(fā)出常規(guī)指揮命令。提供錄音、 放音、自動(dòng)撥號(hào)、振鈴檢測(cè)與控制摘掛機(jī)、轉(zhuǎn)接人工等服務(wù)功能。實(shí)體信號(hào)揭示模塊利用電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)揭示指揮信號(hào)。

無(wú)線通信單元負(fù)責(zé)各單元間的數(shù)據(jù)交流。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

1）提出采用專家系統(tǒng)自動(dòng)生成通行指令和規(guī)則，并行處理指揮控制河段船舶，實(shí)現(xiàn)通行信號(hào)的自動(dòng)揭示，可降低信號(hào)員工作強(qiáng)度、減小工作壓力，提高指揮效率和精度、提高指揮的主動(dòng)性；

2）應(yīng)用AIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)通行指令和規(guī)則的數(shù)字化發(fā)布，可提高數(shù)字航道的主動(dòng)服務(wù)能力；

圖1 結(jié)構(gòu)圖

3）采用TTS技術(shù)結(jié)合專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制命令的VHF電話自動(dòng)語(yǔ)音發(fā)布，可減輕工作人員負(fù)擔(dān)，提高工作效能；

4）采用基于AIS的船舶動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶的全程可視化監(jiān)控；

5）提出AIS、視頻和語(yǔ)音等多源信息的同步保存與索引技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶和工作日志的實(shí)時(shí)保存和歷史回溯。

4 總體框架

根據(jù)數(shù)字航道的總體邏輯框架，本系統(tǒng)自下而上分為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)、信息服務(wù)平臺(tái)以及安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

1）信息采集平臺(tái)：包括數(shù)據(jù)采集跟蹤單元中的AIS信息采集模塊和視頻監(jiān)視模塊；

2）數(shù)據(jù)資源平臺(tái)：中央控制單元的數(shù)據(jù)庫(kù)群。包括船舶信息數(shù)據(jù)庫(kù)、工作記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)；

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)：包括無(wú)線通信單元、信號(hào)揭示單元和中央控制單元的專家系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件；

4）信息服務(wù)平臺(tái)：本部分依托長(zhǎng)江信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和長(zhǎng)江航道外網(wǎng)網(wǎng)站；

5）安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系：包括系統(tǒng)安全運(yùn)行措施、信息發(fā)布管理、數(shù)據(jù)安全保密規(guī)定、系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、硬件設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)等。

5 技術(shù)方案

系統(tǒng)硬件部分以購(gòu)買成熟設(shè)備集成為主，部分控制電路自行設(shè)計(jì)。

專用軟件系統(tǒng)采用VC++環(huán)境開(kāi)發(fā)。

信息服務(wù)平臺(tái)采用.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

本系統(tǒng)各部分具體組成如圖2所示，其中：

中央控制單元包括：PC機(jī)、通信接口、可視化設(shè)備、儲(chǔ)存裝置、專家系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等。

數(shù)據(jù)采集跟蹤單元包括：AIS信號(hào)接收裝置、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、云臺(tái)攝像機(jī)、視頻服務(wù)器、圖像處理軟件、云臺(tái)攝像機(jī)控制軟件等。

信號(hào)揭示單元包括：網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、AIS信號(hào)發(fā)射裝置、失電備用揭示裝備、實(shí)體信號(hào)標(biāo)、電動(dòng)機(jī)、電話語(yǔ)音卡、聲光報(bào)警器、音頻處理軟件、電機(jī)控制軟件等。

無(wú)線通信單元包括：無(wú)線發(fā)射器、無(wú)線接收器、通信軟件等。

6 效益評(píng)價(jià)

6.1 社會(huì)效益

2006年，長(zhǎng)江航道對(duì)沿江各省經(jīng)濟(jì)直接GDP貢獻(xiàn)達(dá)380余億元，間接GDP貢獻(xiàn)超過(guò)1萬(wàn)億元，帶動(dòng)就業(yè)1500多萬(wàn)人。2007年，長(zhǎng)江干線貨運(yùn)量已突破11億噸，成為世界上最繁忙、運(yùn)量最大的通航河流。當(dāng)前，沿江80%的鐵礦石、72%的原油、83%的電煤都是通過(guò)長(zhǎng)江水運(yùn)來(lái)完成。同時(shí)，長(zhǎng)江運(yùn)能也在以驚人的速度增長(zhǎng)，2010年，長(zhǎng)江干線貨運(yùn)量已經(jīng)突破15億噸大關(guān)。因此，保證長(zhǎng)江航道的暢通，關(guān)系到沿江地區(qū)交通物流和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

本項(xiàng)目是提升長(zhǎng)江上游航道通過(guò)能力的重要措施之一，建成后將為長(zhǎng)江上游航道營(yíng)造更加暢通、安全、快捷、經(jīng)濟(jì)、高效、低碳的通航環(huán)境，并填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外空白。從而帶來(lái)顯著的社會(huì)效益。

圖2 示意圖

1）規(guī)范船舶通航秩序，提高通航效率，保障通航安全

本系統(tǒng)建成后，能對(duì)通航船舶實(shí)施有效監(jiān)督；大大減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度；縮短船舶通過(guò)控制河段的時(shí)間；盡量避免可能出現(xiàn)的安全事故。同時(shí)能提高控制河段的管理水平和執(zhí)法水平。

2）變革傳統(tǒng)航道維護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)控制河段信號(hào)指揮現(xiàn)代化

控制河段信號(hào)臺(tái)還處于勞動(dòng)密集型管理階段，當(dāng)前的管理、指揮、維護(hù)方式都越來(lái)越不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的需要。本系統(tǒng)能夠大大提高指揮、管理、維護(hù)的現(xiàn)代化水平，建成后可在上游航道推廣應(yīng)用。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

本技術(shù)的實(shí)施，可以大大提高控制河段信號(hào)臺(tái)的自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化水平，極大提高控制河段的通航效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；并達(dá)到減員增效的目的，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測(cè)深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.