信号台信号自动揭示与船舶通行智能辅助指挥系统技术研究

毕方全

长江重庆航道局，重庆 401147

1 背景

通过控制河段的船舶，必须接受信号台的指挥，根据信号台的通行信号单向有序通过控制河段。通行于控制河段的船舶禁止追越、逗留、对驶，应尽快通过。库区175m蓄水之后，重庆局辖区有通行控制河段10个，通行信号台21个（其中全年运行的有4个，其他为季节性运行信号台）。

目前信号台主要依靠人工瞭望、VHF电话联系等方式获取上下水船舶船位信息，然后凭借信号员业务水平和经验担负通行指挥任务。采用此种方式，通行指挥受信号员业务能力、心情、心理状态、水流速度、船舶航行速度等多种因素影响，信号员难以掌握船舶准确位置，通行指挥比较被动，指挥的准确性较差、效率较低，人为地降低了控制河段的通航效率，尤其是在天气状况不良的状况下，不能有效保证上、下水船舶顺利通行；容易被上水船舶虚报位置所欺瞒，容易影响信号揭示准确性，造成指挥欠合理科学，引发船舶交通安全事故及增加船舶等候时间；无法对密集通行船舶进行科学高效的控制指挥。信号台所有的工作日志、操作记录，语音记录以及船舶通行情况还无法实现自动记录及历史追溯，难以采用信息化的手段规范信号员的工作行为，无法在出现海损事故后利用历史记录作为确定肇事船舶的有力证据。

随着长江海事局“长江干线船舶自动识别系统一期工程”的建设和国家海事局（海船舶[2010]156号）《国内航行船舶船载电子海图系统和自动识别系统设备管理规定》：“航行于长江干线的100 总吨以上的船舶将不迟于 2011年7 月1 日之后的第一次年度检验安装AIS”的实施，为信号台的信息化和智能化提供了很好的基础，客观上对信号台的信息化能力和指挥能力提高了更高的要求。

2 系统功能及构成

2.1 系统的主要功能

2.1.1 基于AIS的控制河段船舶动态监控

由于AIS信息完整包括了控制河段船舶动态监控所需的船舶基本信息与动态信息，因此可通过获取AIS信息获得所需船舶动态监控信息，构建船舶动态数据库，实现对控制河段范围内的船舶动态监控。可在电子航道图上显示控制河段及附近水域内所有AIS船舶，掌握准确的船舶基本信息以及船舶位置、船向、船速等动态信息；基于船舶动态数据库，进行监控目标船舶的自动提取和视频动态跟踪实现对控制河段范围内的船舶动态监控。

2.1.2 基于机器视觉的控制河段船舶可视化监控

可通过多个视频监控点视频图像对船舶进行自动检测与跟踪，对控制河段进行全面监控，信号台可集中监控控制河段内船舶航行情况，全面掌握通过船舶在控制河段的基本信息取代人工了望。

2.1.3 信号智能辅助揭示

利用AIS、视频信息、控制河段具体情况预设规则，及有经验的信号员的指挥经验构建信号智能辅助揭示专家系统。当监测到船舶驶入指挥断面时即自动向信号员发出提示，并根据预设通行控制规则自动生成信号揭示指令和规则。通行指令和规则可以数字化方式向传播发送、信号揭示装置进行自动揭示；信号员可参考信号揭示指令进行信号揭示操作。信号自动同步（控制台和预先台）。

2.1.4 控制管理

系统能够自动保存指定时间段内的所有船舶运行轨迹，以便事后查询分析使用；自动记录信号台所有的工作日志、操作记录以及语音记录，且所有记录均不可更改，以便规范信号员的工作行为，可在出现海损事故后利用历史记录作为确定肇事船舶的有力证据。可远程访问和控制。

2.2 系统结构

如图1所示，控制河段信号台信号自动揭示与船舶通行智能辅助指挥系统由中央控制单元、数据采集跟踪单元、信号揭示单元、无线通信单元等4部分组成。

中央控制单元以专家系统为内核，包括专家系统软件和相关数据处理软件。具有综合信息处理、智能辅助决策、控制命令发布、河段信息多媒体显示等功能，具有友好的可视化操作界面，多种指挥命令发布形式和河段信息显示方式。

数据采集跟踪单元包括AIS信息采集模块（AIS信息也可通过网络从海事局获取）和视频监视模块。其中AIS信息采集模块负责与控制区域内的船舶进行数据交换，得到船位、航向、航速等船舶动态信息和必要的静态信息，并能通过VHF高频电话、短电文等方式向船舶提供引导信息。视频监视模块监视控区，跟踪记录船舶视频信息。

信号揭示单元包括电子海图显示模块、AIS、语音指挥模块和实体信号揭示装置。电子海图显示模块用于实时显示作用区域内所有船舶位置、解析显示动静态信息、设置虚拟航标、船舶类型形象化显示、动态轨迹记录、自定义监视区域、入区船舶提示、条件检索船舶及快速定位显示、历史回放等。语音指挥模块利用TTS技术通过高频电话向船舶发出常规指挥命令。提供录音、 放音、自动拨号、振铃检测与控制摘挂机、转接人工等服务功能。实体信号揭示模块利用电动机动态揭示指挥信号。

无线通信单元负责各单元间的数据交流。

3 创新点

1）提出采用专家系统自动生成通行指令和规则，并行处理指挥控制河段船舶，实现通行信号的自动揭示，可降低信号员工作强度、减小工作压力，提高指挥效率和精度、提高指挥的主动性；

2）应用AIS技术实现通行指令和规则的数字化发布，可提高数字航道的主动服务能力；

图1 结构图

3）采用TTS技术结合专家系统实现控制命令的VHF电话自动语音发布，可减轻工作人员负担，提高工作效能；

4）采用基于AIS的船舶动态跟踪技术实现船舶的全程可视化监控；

5）提出AIS、视频和语音等多源信息的同步保存与索引技术实现船舶和工作日志的实时保存和历史回溯。

4 总体框架

根据数字航道的总体逻辑框架，本系统自下而上分为数据采集平台、数据资源平台、业务应用平台、信息服务平台以及安全运行标准规范体系。

1）信息采集平台：包括数据采集跟踪单元中的AIS信息采集模块和视频监视模块；

2）数据资源平台：中央控制单元的数据库群。包括船舶信息数据库、工作记录数据库、专家系统知识库；

3）业务应用平台：包括无线通信单元、信号揭示单元和中央控制单元的专家系统软件、数据处理软件；

4）信息服务平台：本部分依托长江信息系统基础数据库和长江航道外网网站；

5）安全运行标准规范体系：包括系统安全运行措施、信息发布管理、数据安全保密规定、系统各类数据标准、硬件设备标准等。

5 技术方案

系统硬件部分以购买成熟设备集成为主，部分控制电路自行设计。

专用软件系统采用VC++环境开发。

信息服务平台采用.NET开发平台开发。

系统数据库采用SQL Server数据库构建。

本系统各部分具体组成如图2所示，其中：

中央控制单元包括：PC机、通信接口、可视化设备、储存装置、专家系统软件、数据处理软件等。

数据采集跟踪单元包括：AIS信号接收装置、网络连接设备、云台摄像机、视频服务器、图像处理软件、云台摄像机控制软件等。

信号揭示单元包括：网络连接设备、AIS信号发射装置、失电备用揭示装备、实体信号标、电动机、电话语音卡、声光报警器、音频处理软件、电机控制软件等。

无线通信单元包括：无线发射器、无线接收器、通信软件等。

6 效益评价

6.1 社会效益

2006年，长江航道对沿江各省经济直接GDP贡献达380余亿元，间接GDP贡献超过1万亿元，带动就业1500多万人。2007年，长江干线货运量已突破11亿吨，成为世界上最繁忙、运量最大的通航河流。当前，沿江80%的铁矿石、72%的原油、83%的电煤都是通过长江水运来完成。同时，长江运能也在以惊人的速度增长，2010年，长江干线货运量已经突破15亿吨大关。因此，保证长江航道的畅通，关系到沿江地区交通物流和经济社会的可持续发展，对国家经济发展具有重要意义。

本项目是提升长江上游航道通过能力的重要措施之一，建成后将为长江上游航道营造更加畅通、安全、快捷、经济、高效、低碳的通航环境，并填补相关领域的国内外空白。从而带来显著的社会效益。

图2 示意图

1）规范船舶通航秩序，提高通航效率，保障通航安全

本系统建成后，能对通航船舶实施有效监督；大大减轻工作人员劳动强度；缩短船舶通过控制河段的时间；尽量避免可能出现的安全事故。同时能提高控制河段的管理水平和执法水平。

2）变革传统航道维护方式，实现控制河段信号指挥现代化

控制河段信号台还处于劳动密集型管理阶段，当前的管理、指挥、维护方式都越来越不能适应社会的发展和经济的需要。本系统能够大大提高指挥、管理、维护的现代化水平，建成后可在上游航道推广应用。

6.2 经济效益

本技术的实施，可以大大提高控制河段信号台的自动化、数字化、信息化水平，极大提高控制河段的通航效率，促进经济发展；并达到减员增效的目的，具有显著的经济效益。

[1]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008.