王勝正,張英英,黃玉貴,施朝健
(上海海事大學 商船學院,上海 201306)
船舶交通服務系統(tǒng)(Vessel Traffic Services,VTS)作為一種高科技的水上交通管理系統(tǒng),正以其強大的功能和不可替代的優(yōu)越性,逐步成為沿海港口保障船舶交通安全、提高船舶運輸效率、保護水域環(huán)境的有效手段.若要充分發(fā)揮VTS的作用,除了需要具有世界先進水平的軟硬件裝備之外,還需要VTS值班人員具有較高的應用水平和較熟練的操作技能.因此,需要加強對VTS操作人員的培訓,并對相關人員進行模擬器專項培訓.[1-2]
通過VTS綜合模擬器培訓,不僅可以使VTS值班人員全面掌握VTS的操作方法,提高其分析海上復雜交通局面的能力,而且有利于提出正確合理的交通管理決策方法,有效地進行交通組織和服務,降低海上意外事故發(fā)生率,提高通航效率.同時,通過該系統(tǒng),VTS值班人員還可以了解更多與船舶操縱、船舶避碰有關的知識與技能,提高與引航員、船員相互協(xié)調(diào)的能力和事故應急處理能力,實施緊急情況下的聯(lián)合行動等.因此,2012年交通運輸部海事局內(nèi)部專門下發(fā)《關于推進VTS模擬器培訓工作的通知》,以更好地加強值班人員培訓,提升VTS監(jiān)管和服務水平.
KONGSBERG[3]和 TRANSAS[4]在航海模擬器基礎上研制VTS單機模擬器系統(tǒng),廣泛用于VTS值班人員的基本操作培訓.然而我國絕大部分VTS中心都缺乏VTS模擬器培訓系統(tǒng),這使得我國VTS值班人員依然停留在理論指導和經(jīng)驗交流上,缺乏模擬實操訓練.因此,我國的VTS值班人員需要更長的時間適應崗位要求,主管部門也無法系統(tǒng)地對VTS值班人員進行培訓和評估.
我國對VTS模擬器中的信息模擬、雷達跟蹤技術模擬等也做過一些基礎研究[5-8](如引入船用雷達模擬器信源模擬方法仿真VTS中的船舶目標,并研究VTS的人機交互界面等[5];研究VTS的目標跟蹤方法,對VTS的目標跟蹤效果進行仿真[7]),但缺少實際應用.因此,本文根據(jù)IALA關于VTS值班人員素質(zhì)要求[1-2],針對我國VTS的現(xiàn)狀,利用現(xiàn)有航海模擬器中的系統(tǒng)構(gòu)架[9-11]、通信技術[12]、電子海圖顯示[13]、三維視景仿真[14-15]等,構(gòu)建基于 VTS與船舶操縱模擬器的全功能綜合模擬器,并針對其中的關鍵技術展開研究與探討.
VTS與船舶操縱綜合模擬器的主要用途是訓練VTS值班人員的操作和指揮技能,同時提升VTS值班人員與引航員之間的溝通和協(xié)調(diào)指揮能力,參與培訓的主體是VTS值班人員和引航員,指導培訓的是教練員.
圖1為整個系統(tǒng)的架構(gòu),包括教練員控制臺、VTS值班臺和船舶操縱模擬器等3個部分,參與人員包括教練員、VTS值班人員和引航員等.VTS值班臺以著名的VTS ATLAS9760和HITT V3000為原型,完全仿真水上交通情景和操作方法,為VTS學員提供真實的訓練環(huán)境,實現(xiàn)各種VTS功能.船舶操縱模擬器以真實船橋系統(tǒng)為平臺,通過3D虛擬營造航行環(huán)境,為引航員和船員提供高度沉浸感的操縱環(huán)境,完成各種船舶航行操縱任務.在教練員控制臺中,教練員不僅負責編排訓練科目,如選擇訓練港口水域或自定義編輯訓練港口水域、初始化海上各種交通情景、設置水文氣象環(huán)境等,而且負責引導整個訓練過程,包括控制大量船舶的航行狀態(tài)(位置、航速、航向等),并根據(jù)各種情景配合VTS學員,監(jiān)控引航員與VTS學員的相互協(xié)調(diào)情況.
為提高訓練效率和效果,整個訓練過程不僅需要多個VTS學員和引航員參與,還需要多個教練員同時參與引導訓練,因而要求系統(tǒng)可以進行獨立或組合訓練.對于獨立訓練模式,每個教練員控制臺進行獨立的訓練,各自分配或指定某些VTS值班臺和/或船舶操縱模擬器(本船)加入練習,當一個教練員控制臺已指定某些值班臺和船舶操縱模擬器參與其訓練,另一個教練員控制臺則只能指定其他值班臺和船舶操縱模擬器參與其訓練,以便多組學員同時進行訓練.對于組合訓練模式,多個教練員對同一練習同時進行操作,每個教練員控制部分區(qū)域和船舶,同時實現(xiàn)對多個學員的訓練,提高培訓效率和訓練效果.
另外,在設計該綜合模擬器架構(gòu)時,必須考慮不同平臺子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)實時共享和集成問題,提出基于多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型的數(shù)據(jù)共享方法,實現(xiàn)多VTS值班臺、多船舶操縱模擬器與多教練員控制臺之間的無縫連接.
為實現(xiàn)該系統(tǒng)的各項功能,必須解決系統(tǒng)設計和實現(xiàn)過程中的一些關鍵技術,因此對VTS仿真系統(tǒng)中的雷達視頻圖像顯示,多源目標數(shù)據(jù)跟蹤、融合和誤差仿真技術,船舶操縱模擬器,教練員控制臺以及基于多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型的系統(tǒng)集成等關鍵技術進行研究.
雷達視頻數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是VTS的核心部分,是獲取目標信息的主要手段.一個港口的VTS通常由多個雷達基站組成,通過雷達數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)實現(xiàn)多個基站的數(shù)據(jù)融合后統(tǒng)一顯示在VTS值班臺顯示器上.雖然VTS所用的雷達與一般的海雷達都是單脈沖X或S波段雷達,但是VTS所用的岸基雷達的天線口徑更大,具有更高的距離分辨率、方位分辨率和更大的作用距離,而且在雷達視頻顯示過程中不采用圓周掃描方式,而是直接顯示經(jīng)過雷達視頻處理子系統(tǒng)處理后的雷達視頻和跟蹤處理數(shù)據(jù).
因此,為在VTS雷達系統(tǒng)仿真過程中更加真實地反映VTS值班臺雷達視頻顯示效果,提出扇形帶狀紋理填充和融合算法仿真雷達視頻圖像.這不僅符合VTS雷達回波圖像形成機理,而且可以實現(xiàn)大范圍、多基站雷達回波的實時模擬.
由雷達回波圖像形成機理可知,雷達回波受到多方面影響,導致物標回波在屏幕上顯示的并非是圓形光點,而是扇形帶(見圖2).扇形帶大小由雷達的性能參數(shù)決定,定義為
圖2 雷達回波圖像形成機理
式中:θH為雷達水平波束寬度;Δf0.7為接收機通頻帶;τ為脈沖寬度;C=3.0×108m/s,為電磁波傳播速度.
首先以電子海圖數(shù)據(jù)為基礎,提取各物標(陸地、島嶼、建筑物、岸線、浮標、燈樁等)的空間信息,結(jié)合陸地與島嶼的數(shù)據(jù)高程模型(Digital Elevation Model,DEM)生成三維曲面(其水平方向表示位置信息,豎直方向表示物標高度),然后對三維曲面進行歸一化處理后映射到灰度圖,最終形成雷達回波基礎數(shù)據(jù)庫.
從回波數(shù)據(jù)庫檢索該點灰度值.如果其灰度值大于0且大于當前掃描線上灰度的最大值,則把該點列入有效回波點.回波點大小由rB和rD決定.
為模擬真實雷達回波圖像的隨機性,不能簡單地采用規(guī)則扇形帶狀回波圖像,否則繪制的回波圖像過于規(guī)則.因此,建立非規(guī)則扇形帶狀回波圖像模板庫(見圖3),以便在獲取有效回波點后從回波圖像模板庫中隨機選取回波圖像模板仿真雷達圖像.
圖3 非規(guī)則扇形帶狀回波圖像模板庫
除雷達之外,船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)、水文氣象子系統(tǒng)、閉路電視(Closed Circuit TV,CCTV)和測向(Direction Finding,DF)儀也是VTS重要的輔助信息獲取手段.隨著近幾年AIS的快速發(fā)展,雷達目標跟蹤和AIS已經(jīng)成為現(xiàn)有VTS的2種基本的目標跟蹤監(jiān)測手段.
在模擬系統(tǒng)中,VTS雷達目標檢測分為人工和自動兩種檢測方法,其中人工目標檢測通過鼠標錄取完成,自動目標檢測通過在設定邊界范圍內(nèi)利用滑窗檢測算法實現(xiàn)目標自動錄取,并仿真α-β濾波器實現(xiàn)目標自動跟蹤.這樣,不僅可以仿真VTS的目標漏檢、錯檢等狀態(tài),而且可以突破現(xiàn)有雷達模擬器普遍存在的通過人工干預導致目標跟蹤丟失的局限性.
AIS信息的模擬有兩種方式:一種方式是由教練員控制臺編輯加入各種類型船舶數(shù)據(jù),模擬AIS目標信息;另一種方式是系統(tǒng)接入港口AIS真實信息源,并存儲到數(shù)據(jù)庫服務器形成AIS數(shù)據(jù)基準庫,模擬過程中通過教練員控制臺編輯和控制AIS數(shù)據(jù)庫.第二種方式可以很方便地實現(xiàn)AIS目標的自動建庫,避免大量目標的繁瑣編輯,而且可以更加真實地反映港口的交通狀況.
VTS中,AIS數(shù)據(jù)與雷達目標多源數(shù)據(jù)融合及誤差仿真也是非常重要的環(huán)節(jié),因為在真實的VTS中不同數(shù)據(jù)采集終端空間、時間上的誤差會導致其獲取的船舶目標數(shù)據(jù)存在不同程度上的誤差和錯誤.為仿真此現(xiàn)象,首先在雷達目標回波生成時加入隨機擾動產(chǎn)生隨機誤差,然后在產(chǎn)生AIS目標信息源時通過模擬GPS定位誤差產(chǎn)生AIS目標位置誤差,最后在數(shù)據(jù)庫中對同一目標模擬的不同信息源進行誤差標記,自動計算不同信息源的誤差距離,在設定閾值范圍內(nèi)則自動融合為同一目標,超過閾值范圍則分離兩個目標源,通過人工干預實現(xiàn)目標信息的融合.用同樣的方法實現(xiàn)不同雷達基站之間的目標信息融合及誤差仿真.從圖4中可以清晰地觀察到AIS目標跟蹤與雷達目標回波跟蹤的誤差.
圖4 雷達與AIS目標融合及誤差仿真
船舶操縱模擬器以真實船橋系統(tǒng)為平臺,通過3D虛擬仿真為引航員或船員提供高沉浸感的操縱環(huán)境,完成各種船舶操縱功能.該模擬器基本功能與航海模擬器相同[9,11],但是傳統(tǒng)航海模擬器一般在練習科目中根據(jù)訓練任務設置好本船和目標船的初始交通態(tài)勢,訓練過程的焦點集中在監(jiān)控本船的各項任務,而VTS模擬器的任務是對港口水域所有船舶進行宏觀監(jiān)控并提供信息服務.由于船舶數(shù)量與船舶種類非常多,且船舶進港、出港、過境頻繁,需要船舶操縱模擬器中3D虛擬仿真系統(tǒng)不斷地自動更新船舶類型和數(shù)量,不能再像傳統(tǒng)航海模擬器一樣依靠人工添加和刪除.因此,本文提出3D視景系統(tǒng)的動態(tài)目標自動更新方法.
在3D視景系統(tǒng)中每艘船都是3D模型,且VTS模擬器系統(tǒng)中船舶數(shù)量和種類都很多,因而數(shù)據(jù)量大,不能一次性全部載入,為避免降低系統(tǒng)性能,在設計操縱模擬器時,必須使本船能根據(jù)當前周圍交通狀態(tài)實時載入相應的3D船舶模型.如圖5所示,1號和2號目標進入指定的3D視景領域后自動載入,而3號和4號目標離開邊界后自動載出,這樣保持整個3D仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)平衡.
圖5 3D視景系統(tǒng)船舶目標動態(tài)載入/出
為實現(xiàn)多對多訓練,教練員控制臺除設置基本的訓練科目、交通情景、監(jiān)控運行狀態(tài)之外,還必須具備VTS值班臺和船舶操縱模擬器分組功能,即分組訓練和聯(lián)合訓練.(1)分組訓練:在教練員控制臺首先選擇分組訓練模式,并且添加一個練習,然后添加VTS值班臺和船舶操縱模擬器.如果想添加的VTS值班臺和船舶操縱模擬器已被分配(系統(tǒng)提示已被占用),則選擇其他VTS值班臺和船舶操縱模擬器.(2)聯(lián)合訓練:在教練員控制臺選擇聯(lián)合訓練模式.如果已有教練員控制臺建立了練習則自動進入練習,并且顯示整個練習中添加的各種目標.每個教練員所觀察到的目標都是相同的,每個教練員可以對目標屬性進行修改,并且可以與每個學員進行通信.
該系統(tǒng)架構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)傳輸量大,且部分數(shù)據(jù)需要實時傳輸,給系統(tǒng)集成和可靠性帶來很多困難.為更好地實現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸和共享,根據(jù)系統(tǒng)特征和業(yè)務需求,把傳輸數(shù)據(jù)分為多種類型,傳輸速度分為多個層次,確保系統(tǒng)最優(yōu)化運行.如圖6所示,教練員控制臺與VTS值班臺、船舶操縱模擬器中的電子海圖和雷達等子系統(tǒng)之間設計COM組件,利用數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)交換;教練員控制臺與船舶操縱模擬器的3D虛擬仿真系統(tǒng)之間的動態(tài)目標數(shù)據(jù)交換利用UDP數(shù)據(jù)廣播通信;同時,為確保通信的正確性和可靠性,使用點對點TCP/IP實時通信.
圖6 多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型原理
通過對上述關鍵技術的研究,實現(xiàn)我國首個VTS綜合模擬器系統(tǒng),并且在上海海事局進行推廣使用.該系統(tǒng)近2年內(nèi)已經(jīng)承擔1 500人次的VTS值班人員及引航員培訓和考試任務,并且成功承擔全國首次VTS值班人員技能大比武.
VTS綜合模擬器關鍵技術問題的解決和系統(tǒng)的實現(xiàn)為提升我國VTS值班人員及引航員的技能素質(zhì)和指揮能力提供了新的平臺和途徑,有利于進一步提高我國水上交通管理能力、保障水上交通安全、保障生命財產(chǎn)安全.VTS模擬器除了應用于VTS值班人員、引航員以及船員的培訓之外,還適用于以下工作人員的學習培訓,包括事故案例調(diào)查和分析人員,交通流預測和建模人員,港口、錨地、航道規(guī)劃建設人員,定線制、錨地、航道、碼頭等附近水域水上交通管理要素的分析評估人員,各種不同天氣下助航服務的分析評估及實施人員,應急搜救模擬處置人員等.因此,建設VTS值班人員訓練、評估系統(tǒng)對提高VTS操作人員的技能水平具有十分重要的意義.
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