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        控制河段智能通行指揮關(guān)鍵技術(shù)研究

        2016-05-14 12:09:40畢方全李修云梁山
        中國水運(yùn) 2016年9期
        關(guān)鍵詞:專家系統(tǒng)

        畢方全 李修云 梁山

        摘 要:長江上游控制河段航道水流湍急、通行斷面狹窄彎曲,為保證過往船舶通行安全,船舶必須根據(jù)信號(hào)臺(tái)通行指令有序通過。本文以長江重慶航道局轄區(qū)控制河段智能通行指揮系統(tǒng)建設(shè)研究為基礎(chǔ),詳細(xì)介紹了控制河段智能通行指揮關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)智能通行指揮的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了展望。對(duì)控制河段通行信號(hào)智能指揮系統(tǒng)的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:控制河段;通行指揮;專家系統(tǒng);AIS

        中圖分類號(hào):U618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006—7973(2016)09-0038-03

        隨著長江干線蘭家沱至鳊魚溪數(shù)字航道工程的竣工驗(yàn)收,長江干線航道重慶段正式邁入數(shù)字化航道養(yǎng)護(hù)管理的新時(shí)代??刂坪佣沃悄芡ㄐ兄笓]系統(tǒng)作為重慶段數(shù)字航道建設(shè)的重點(diǎn)工程之一,根據(jù)控制河段船舶通行指揮工作的實(shí)際需要,在充分利用航道信息資源的基礎(chǔ)上,通過對(duì)控制河段范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控,根據(jù)通行規(guī)則和信號(hào)員經(jīng)驗(yàn)對(duì)通行信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)揭示和輔助指揮,實(shí)現(xiàn)通行信號(hào)的自動(dòng)精確揭示和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”指揮,有效提高信號(hào)臺(tái)工作效能和船舶通過能力,從而降低船舶因等候通過而造成的經(jīng)濟(jì)成本。本文以長江重慶航道局轄區(qū)三角磧控制河段智能通行指揮系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用工作為基礎(chǔ),對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹,并對(duì)基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和移動(dòng)互聯(lián)的智能通行指揮技術(shù)的下一步發(fā)展進(jìn)行展望。

        1 傳統(tǒng)通行指揮模式

        控制河段又稱限制性河段,作為長江上游山區(qū)航道的一種特殊河段,具有彎曲、窄、險(xiǎn)、通視條件差、船舶會(huì)讓困難等特點(diǎn),控制河段船舶通行效率和安全性是影響長江上游航道通航能力的重要因素。隨著長江航道的不斷建設(shè)發(fā)展,控制河段通行信號(hào)的揭示方式有了較大改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了從人工拉繩提升到機(jī)械式揭示方式的轉(zhuǎn)變。但通行信號(hào)指揮方式依舊保持了傳統(tǒng)依靠人工瞭望、VHF聯(lián)系等獲知船舶位置、動(dòng)態(tài)信息,然后依靠信號(hào)員的業(yè)務(wù)技能和指揮經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行通行指揮的方式。該方式受人員技能素質(zhì)、天氣狀況等因素影響較大,并且因船舶謊報(bào)船位而導(dǎo)致通行指揮過程較為被動(dòng),出現(xiàn)“下水等上水、下水調(diào)頭”等情況,嚴(yán)重影響船舶安全和通航效率。特別是在當(dāng)前長江航運(yùn)快速發(fā)展、船舶大型化的趨勢(shì)下,更加無法滿足控制河段通行指揮的需求。

        2 控制河段智能通行指揮系統(tǒng)簡介

        本系統(tǒng)綜合利用人工智能、AIS、自動(dòng)控制以及無線通信等技術(shù),實(shí)時(shí)掌握船舶航行動(dòng)態(tài),通過開展基于航線匹配的控制河段船舶航行時(shí)間預(yù)測(cè)算法研究,并結(jié)合控制河段通行指揮規(guī)則和人工指揮經(jīng)驗(yàn)等信息構(gòu)建的擬人化的通行指揮決策系統(tǒng),用于制定科學(xué)合理的通行指揮命令,實(shí)現(xiàn)通行信號(hào)的智能指揮和自動(dòng)揭示。系統(tǒng)主要功能以下:

        2.1 實(shí)現(xiàn)基于AIS和長江電子航道圖的控制河段船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控

        系統(tǒng)通過解析接收到的船舶AIS信息,構(gòu)建船舶動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)庫,并在長江電子航道圖上進(jìn)行位置和航行狀態(tài)的標(biāo)注,準(zhǔn)確掌握船舶的基本信息以及船舶位置、航向、航速等動(dòng)態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制河段范圍內(nèi)的船舶狀態(tài)信息的主動(dòng)監(jiān)控。

        2.2 實(shí)現(xiàn)擬人化的通行指揮決策系統(tǒng)

        在綜合利用獲取的船舶AIS實(shí)時(shí)信息、控制河段通行指揮規(guī)則以及信號(hào)員的通行指揮經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建信號(hào)智能輔助揭示專家系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到船舶到達(dá)預(yù)定范圍時(shí),即自動(dòng)向信號(hào)員發(fā)出預(yù)警,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,驅(qū)動(dòng)信號(hào)揭示裝置及VHF語音播報(bào)裝置對(duì)該命令進(jìn)行揭示,信號(hào)員亦可參考信號(hào)揭示指令進(jìn)行信號(hào)揭示操作。

        2.3 面向長江電子航道圖的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”指揮

        系統(tǒng)通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”指揮信息推送端口向長江電子航道圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫推送控制河段通行信號(hào)、船舶通行實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、通行順序隊(duì)列等信息,從而實(shí)時(shí)更新控制河段船舶通行數(shù)據(jù)、控制河段通行信息等,使電子航道圖船載終端能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前控制河段通行信號(hào)、通行指揮信息、本船通行指令和預(yù)計(jì)等待時(shí)間等信息,實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的通行信號(hào)推送和指揮,使船舶可以根據(jù)電子航道圖船載終端提供的信息直觀清楚地獲知控制河段的通行信號(hào)和通行指揮信息,并按指揮信息安全通過控制河段。

        2.4 信號(hào)旗、VHF語音和電子航道圖三位一體的信號(hào)自動(dòng)(手動(dòng))揭示

        當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到船舶駛?cè)肟刂坪佣沃笓]斷面時(shí)即自動(dòng)向信號(hào)員發(fā)出提示,并根據(jù)通行指揮決策專家系統(tǒng)自動(dòng)生成信號(hào)揭示指令。自動(dòng)(手動(dòng))揭示的通行命令能分別向長江電子航道圖、信號(hào)揭示及控制系統(tǒng)和VHF電臺(tái)推送及發(fā)布通行信號(hào)。

        2.5 信號(hào)臺(tái)連臺(tái)(控制臺(tái)和預(yù)告臺(tái))的信號(hào)同步控制

        當(dāng)船舶航行至三角磧控制河段指揮斷面時(shí),鵝公巖控制臺(tái)(主控端)將根據(jù)通行信號(hào)智能決策系統(tǒng)自動(dòng)生成科學(xué)合理的信號(hào)揭示指令,并將該命令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至舀魚背預(yù)告臺(tái)(簡稱“預(yù)告臺(tái)”),控制預(yù)告臺(tái)信號(hào)旗升降從而實(shí)現(xiàn)連臺(tái)通行信號(hào)的同步揭示;同時(shí),預(yù)告臺(tái)(被控端)將預(yù)告臺(tái)信號(hào)旗(燈)的當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至控制臺(tái),以實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)對(duì)預(yù)告臺(tái)信號(hào)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        2.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控

        主控端(控制臺(tái))將船舶通行狀況和通行指揮命令通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到被控端(預(yù)告臺(tái))的同時(shí)也發(fā)送到各監(jiān)控端,監(jiān)控端可以通過電子航道地圖和音、視頻信息查看整個(gè)控制河段的概況,實(shí)時(shí)了解和掌握轄區(qū)內(nèi)所有控制河段船舶航行與指揮情況,通行指揮記錄查詢以及歷史通信信息再現(xiàn)等功能。

        3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 智能通行指揮

        船舶通行指揮建議信息是指系統(tǒng)根據(jù)航向、當(dāng)前位置、到達(dá)信號(hào)揭示區(qū)域時(shí)間、通行指揮規(guī)則以及人工指揮經(jīng)驗(yàn)等信息通過算法綜合計(jì)算后對(duì)船舶的通行序列進(jìn)行科學(xué)排序,流程如圖1所示。

        Step 1:接收船舶AIS信息,根據(jù)報(bào)文規(guī)則對(duì)其進(jìn)行解碼校正處理,提取控制河段內(nèi)需要指揮的所有船舶信息(系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則判定是否為特殊船舶,如客渡船、工作船舶等,如果是特殊船舶,將不對(duì)其進(jìn)行處理);

        Step 2:若為需指揮船舶,根據(jù)主航跡線與船舶對(duì)地航向內(nèi)積判定船舶航向(上水、下水);

        Step 3:根據(jù)經(jīng)緯度信息確定所在位置(控制河段上游,上等候區(qū),控制河段,下等候區(qū),控制河段下游),在電子航道圖上繪制出船舶圖標(biāo),以不同顏色區(qū)分船舶不同狀態(tài),并判定是否到達(dá)關(guān)鍵點(diǎn)位置;

        Step 4:根據(jù)船舶航速、航向、位置等信息預(yù)測(cè)船舶的速度,通過算法計(jì)算已到達(dá)指揮關(guān)鍵點(diǎn)的上、下水船舶到達(dá)控制河段上界限標(biāo)的時(shí)間;

        Step 5:按時(shí)間從短到長的原則并結(jié)合地理位置對(duì)需指揮船舶進(jìn)行排序;

        Step 8:當(dāng)已經(jīng)揭示信號(hào)的船舶駛出控制河段后,系統(tǒng)將對(duì)下一個(gè)通行信號(hào)進(jìn)行揭示,指揮其它船舶通行。

        3.2 通行排序

        系統(tǒng)通過獲取監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的船舶AIS信息,實(shí)時(shí)計(jì)算上下水船舶到達(dá)上界限標(biāo)的時(shí)間,進(jìn)一步根據(jù)控制河段船舶通行指揮規(guī)則,根據(jù)上下水、到達(dá)時(shí)間等對(duì)船舶的通行順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序,在船舶到達(dá)鳴笛標(biāo)時(shí)根據(jù)順序隊(duì)列進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)揭示。信號(hào)員可以查看通行順序列表指揮船舶的順序、預(yù)計(jì)到達(dá)最近界限標(biāo)時(shí)間、預(yù)計(jì)等待時(shí)間、預(yù)計(jì)通過時(shí)間;系統(tǒng)可將這些信息推送到長江電子航道圖系統(tǒng),使長江電子航道圖船舶終端能進(jìn)行顯示和播報(bào)。

        3.3 船位實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

        智能指揮系統(tǒng)根據(jù)船舶報(bào)告的AIS數(shù)據(jù)來確定船舶的位置,制定通行策略,指揮船舶有序通行。正常行駛過程中,B類AIS設(shè)備報(bào)告的信息時(shí)間間隔通常是30s。存在AIS提供的船位稍滯后于實(shí)際船位的問題,造成電子航道圖顯示的船位與實(shí)際船位不一致,影響系統(tǒng)可視化顯示效果,采用通過改進(jìn)卡爾曼濾波算法對(duì)船位實(shí)時(shí)預(yù)測(cè),并在關(guān)鍵位置(如三角磧控制河段通航區(qū))2s更新船位,其他位置5s更新船位,從而保證控制河段智能輔助指揮系統(tǒng)信號(hào)揭示的準(zhǔn)確性和可靠性。

        3.4 船舶通行時(shí)間預(yù)測(cè)

        準(zhǔn)確預(yù)測(cè)船舶到達(dá)控制河段上界限標(biāo)時(shí)間是系統(tǒng)進(jìn)行正確信號(hào)揭示和指揮的關(guān)鍵。由于AIS普遍存在的延時(shí)性問題,加之不同時(shí)期、不同航段水流速度不同,不同水位、不同航段船舶航行速度不同,不同船舶航行線路也不盡相同,單純依靠簡單的主航跡線除以船舶實(shí)時(shí)航速的測(cè)算方法無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)船舶到達(dá)的時(shí)間。因此,本文提出了一種基于航線匹配的船舶航行時(shí)間預(yù)測(cè)方法。

        通過船舶AIS獲取其在控制河段航行的動(dòng)靜態(tài)信息并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建該控制河段通行船舶歷史航線信息數(shù)據(jù)庫,動(dòng)靜態(tài)信息主要包括當(dāng)前時(shí)間、MMSI、航行方向、當(dāng)前位置、當(dāng)?shù)厮?、船舶航行速度、航行水道、流速和船型等。?dāng)檢測(cè)到船舶到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí),首先通過歷史航線數(shù)據(jù)庫查詢是否有該船舶的歷史航線記錄,如果存在,則通過AIS獲取當(dāng)前船舶的航行狀態(tài)信息,并與該船舶的歷史航線數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,篩選出最接近的歷史航線,計(jì)算船舶通過控制河段的時(shí)間,并將其作為該船到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)時(shí)間。如果通過搜索在數(shù)據(jù)庫中沒有發(fā)現(xiàn)該船的歷史航行數(shù)據(jù),那么就搜索相同或相似船舶是否存在符合匹配條件的航行數(shù)據(jù),如果找到就將其作為該船的歷史航線數(shù)據(jù)與當(dāng)前航行狀態(tài)信息進(jìn)行匹配,從中選取最接近該船真實(shí)航行狀態(tài)的線路,并計(jì)算其駛離控制河段的時(shí)間,作為該船到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)時(shí)間;如果仍未找到符合匹配條件的數(shù)據(jù),那么就利用航道主航跡線來計(jì)算船舶通過控制河段的時(shí)間,將其作為該船到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)時(shí)間。

        在篩選最佳歷史航行軌跡的過程中,如果僅存在一條滿足匹配條件的航行數(shù)據(jù),那么就將其作為該船本次的通行預(yù)定航線;如果存在多條符合匹配條件的航線數(shù)據(jù),那么就將航線進(jìn)行分段,形成若干個(gè)關(guān)鍵航點(diǎn),根據(jù)本次船舶航行狀態(tài)從中匹配符合條件的各航點(diǎn)經(jīng)緯度、速度等數(shù)據(jù),從而選取一條最佳的航線作為該船本次的通行預(yù)定航線。

        3.5 連臺(tái)信號(hào)同步控制

        在某些連臺(tái)(控制臺(tái)和預(yù)告臺(tái))指揮的控制河段,當(dāng)控制臺(tái)(主控端)自動(dòng)/手動(dòng)發(fā)送揭示命令,在向本臺(tái)的信號(hào)揭示及控制系統(tǒng)發(fā)送命令的同時(shí),還通過網(wǎng)絡(luò)向預(yù)告臺(tái)(被控端)發(fā)送,被控端的信號(hào)揭示及控制系統(tǒng)根據(jù)指令完成相同通行信號(hào)的揭示。系統(tǒng)基于Winsock技術(shù),利用 TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了控制臺(tái)和預(yù)告臺(tái)之間通行信號(hào)的同步控制。

        3.6 面向長江電子航道圖的信號(hào)揭示

        系統(tǒng)將已經(jīng)確定的控制河段通行信號(hào)和各船舶通行指令生成信號(hào)臺(tái)通行信息和船舶通行隊(duì)列,通過打包方式將數(shù)據(jù)文件推送到長江電子航道圖系統(tǒng)服務(wù)器,服務(wù)器根據(jù)獲取的信息對(duì)控制河段通行信息進(jìn)行更新顯示。長江電子航道圖通過接收和解析信號(hào)臺(tái)推送的船舶通行動(dòng)態(tài)、通行順序隊(duì)列、通行信號(hào)指令,可以在電子航道圖船載終端上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前控制河段的通行信息,本船通行順序位置、預(yù)計(jì)等待時(shí)間等信息(如圖3所示),船舶根據(jù)船載終端實(shí)時(shí)更新顯示的信息可以清楚地了解當(dāng)前控制河段的通行信號(hào)以及船舶隊(duì)列信息,并安全通行。

        4 總結(jié)與展望

        論文對(duì)控制河段智能通行指揮系統(tǒng)中通行信號(hào)揭示、船舶通行時(shí)間預(yù)測(cè)、連臺(tái)信號(hào)同步控制和面向長江電子航道圖的信號(hào)揭示等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)可有效提高信號(hào)臺(tái)指揮的自動(dòng)化、信息化水平,增強(qiáng)控制河段船舶通行的主動(dòng)監(jiān)控能力,降低信號(hào)員工作強(qiáng)度,提高通行指揮效率和船舶通行安全,提升航道對(duì)外服務(wù)能力和水平。

        進(jìn)一步的工作將通過群智感知、基于位置服務(wù)(LBS)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)解決“信號(hào)揭示手段單一”和“船舶感知手段單一”等問題,開發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)的控制河段通行信號(hào)揭示和助航服務(wù),主動(dòng)為通行船舶提供更加豐富和準(zhǔn)確的船舶動(dòng)態(tài)信息,提高控制河段智能通行指揮系統(tǒng)的主動(dòng)服務(wù)和精細(xì)化指揮能力,實(shí)現(xiàn)控制河段的互聯(lián)網(wǎng)+。

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