船舶交通管理系统工程建设方案研究

洪潇潇 中国交通通信信息中心 北京金交信息通信导航设计院

1.引言

船舶交通管理系统（Vessel Traffic Service，VTS）在保障水上交通安全、维护良好通航秩序、提高港口运营效率、保护水域生态环境以及协调应急搜救行动等方面发挥了重要作用。截至2021年4月，直属海事系统已建成VTS中心44个，已建成雷达站247个；在建VTS中心10个，在建雷达站33个。从上世纪80年代开始，我国先后从国外引进40余套VTS系统。近几年，全国已建和在建的54个VTS中心已有24个采用国产化系统，占比44.44%，并呈逐步扩大趋势。本文对船舶交通管理系统进行关键技术和选型分析，为相关工程设计、管理、决策人员提供比选借鉴，进而构造更佳建设方案。

2.建设方案研究

2.1 雷达子系统

雷达主要是完成水上目标的采集、处理及判定等功能。目前VTS中采用的雷达收发机主要有磁控管雷达收发机和固态雷达收发机。固态雷达在原有脉冲调制雷达的基础上，用微波晶体管等固态功率放大器替换磁控管来产生发射脉冲，并且采用脉冲压缩、频率和时间分集等技术来提高雷达收发机的技术性能，较磁控管收发机有着明显的优势，具体如下：

①固态器件的应用。固态微波功率放大器替换原脉冲调制雷达中的磁控管形成发射脉冲，典型峰值功率50W和80W，相比原先脉冲调制雷达KW级别的峰值功率，功耗大幅降低，大大降低电磁辐射。

②脉冲压缩技术应用：当同一方位上两个目标回波信号间距在一个信号脉冲宽度内时，这两个回波信号由于形成同时散射，必然相连在一起而无法分辨，因此距离分辨单元为：脉冲宽度＊光速/2。脉冲调制雷达为提高检测距离，必须使用宽发射脉冲，从而导致距离分辨力降低；随着脉冲压缩技术的发展，发射宽频带的宽脉冲信号，并将回波信号压缩处理成窄脉冲的雷达，获得高距离分辨力。脉冲压缩雷达能有效地解决常规脉冲雷达中增大探测距离与提高距离分辨力的矛盾。对于传统磁控管收发机，针对不同探测距离，具有短脉冲（50-120ns）、中脉冲（120-300ns）、长脉冲（300-600ns）、超长脉冲（600-1000ns）四档可供选择。对于固态收发机，针对不同探测距离，也具有短（50-120ns）、中（120-300ns）、长脉冲（300ns-100us）三档可供选择，固态收发机采用脉冲压缩技术，接收脉冲通过匹配压缩处理后，接收脉冲长度仍保持在50-100ns范围内，从而雷达就能同时具有大的作用距离和高的距离分辨力。目前主流固态收发机产品脉冲压缩比包括1500:1（terma5102）、600:1（terma 2202）和150:1（terma2201）。另外，固态接收机的动态范围可以提高，有利于兼顾强弱回波信号。

③频率分集和时间分集应用：频率分集用来克服频率选择性衰落，接收的不同频率信号进行叠加后，可有效降低目标信号起伏造成的信号损失和丢目标，提高雷达对目标回波的检测能力，增大雷达的检测距离，同时也提高系统的抗干扰性，特别对电磁环境差、同频干扰严重及抗雨雪杂波有一定作用。时间分集用来克服多路径衰减，将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发，只要各次发送的时间间隔大于信道的相干时间（多普勒频展的倒数），则在接收端就可以获得衰落特性相互独立的几个信号。磁控管雷达收发机和固态雷达收发机技术性能对比见表1。

表1 磁控管雷达收发机和固态雷达收发机技术性能对比

固态雷达收发机较磁控管收发机有着明显的优势，重点覆盖水域可选用双机热备模式，一般覆盖水域可选用单机配置模式，工程中需进一步结合站点实际情况进行综合比选。

2.2 甚高频通信子系统

甚高频通信（Very High Frequency，VHF）是VTS向船舶提供信息服务、交通组织服务和助航服务等日常通信业务的主要手段。目前我国海事VHF通信多采用25W/50W电台，船载VHF与各海事管理部门之间通过固定基站接入与电路交换结合的模式实现区域内模拟话音通信，该种模式难以扩展其他多媒体应用，越来越难以适应目前多元化的应用需求。VHF通信系统应采用成熟先进技术VIOP交换系统建设方案，提升甚高频通信系统的信息化程度。电路交换和VOIP交换对比见表2。

表2 电路交换和VOIP交换对比

2.3 数据综合处理子系统

数据综合处理子系统的组成包括雷达数据处理系统和多传感器综合处理系统两部分。其中，雷达数据处理设备对雷达采集信号模数转换，并进行杂波处理、目标检测、录取跟踪、数据压缩等。多传感器数据综合处理设备将来自各前端雷达数字视频和跟踪数据、AIS/BDS数据以及甚高频测向数据等进行融合处理，实现多雷达目标的跟踪、自动识别和交通形势评估；并对雷达目标、AIS/BDS目标进行险情预判和警示、CCTV视频联动跟踪等综合处理。升级后的数据综合处理子系统应提升大数据处理能力：抽取、清洗和融合各类多元异构数据，降低虚警和漏警概率，提高监管目标方位识别精度、距离识别进度、定位精度，并对历史数据进行深入挖掘，通过机器学习历史数据内在规律，实现对监管目标的智能化分析，实现高质量、高效率和人性化的船舶交通管理。

目前VTS先进产品能达到单台多传感器综合处理器处理不少于20000个目标，如需进一步提升融合目标处理容量，可在此基础上通过建立分区处理机制，综合运用并行计算、航迹融合等技术，实现多核CPU或多机负载均衡的集群综合处理。

2.4 交通显示与控制子系统

交通显示与控制子系统是VTS系统人机交互接口。国产VTS系统通过数据分类，元数据抽取、数据封装等技术，对库表结构、数据格式统一设计，支持VTS和MIS共享共用一套数据，并建立C/S和B/S不同体系架构的高效可靠通信机制，实现双方信息高度共享，支持全过程一体化联动操控。目前VTS中心指挥调度系统基本采用传统方式搭建，采用传统矩阵+KVM传输器+液晶屏+处理器组成的大屏显示系统，设备繁多对接复杂，集中式架构故障风险高，系统规模升级扩展受到限制。应升级改造为分布式显示控制系统，其采用IP化完全分布式构架，图控及传输系统不依赖于服务器、工作站或者是变相安装在电子计算机上的软硬件；避免服务器出现宕机现象或者传统物理机箱故障而导致的系统瘫痪的风险；稳定度更好，显示、控制和传输高度融合，可实现跨楼层、跨区域大规模的信号互联互通。

图1 集群综合处理示意图

2.5 管理信息子系统

管理信息子系统（Management Information System，MIS）是对VTS所涉及的数据信息进行存储、维护和使用的信息管理系统。MIS利用数据库、数据库管理系统与VTS船舶动态数据交互、网络集成等技术，通过对VTS中相关业务的信息集成，延伸信息的流程。

升级后的MIS系统应具备大数据统计分析应用功能：①数据统计方面，综合利用系统掌握的船舶基础数据、接入的二级数据中心数据、船舶动态数据、航行计划、雷达航迹、AIS航迹等数据，实现船舶交通流量统计、违章统计、事故统计、重点船舶统计、锚地船舶统计、锚地抛锚超时统计、值班统计、进出辖区统计等，并支持统计结果的可视化，包括报表、直方图、饼图、曲线图、热力图等，支持统计数据的打印输出。②数据分析方面，能够接入港口、航运单位的船舶数据、物流数据、交易数据、船运数据、货物数据等，实现对辖区水域的航运情况进行统计，生成重点货物（油、矿、煤等）的物流分析和相关指数分析。③数据应用方面，利用统计、分析的各类数据结果，结合气象信息、交通态势、通航环境、管控措施等，对水上安全风险进行动态评估，对辖区水域船舶提供安全预警提醒。

省级联网的VTS-MIS系统逻辑架构可参考图2，在省局建设VTSMIS数据共享交换中心，收集各分支局VTS中心汇聚报出的标准化后的船舶位置、轨迹、航次、状态等数据。在各分支局VTS中心建设VTS-MIS数据缓存库和共享协同数据库，负责将VTS-MIS系统中的船舶位置、轨迹、航次、状态等数据进行抽取、解析、清洗等处理，存入新建的VTS缓存数据库中，再通过数据同步功能，将其同步接入省局VTS-MIS数据共享交换中心，并提供给二级数据中心。同时，根据各分支机构的应用需求，将二级数据中心共享数据库部分内容向下同步到各分支局的共享协同数据库。

图2 数据共享交互系统逻辑架构

2.6 记录与重放子系统

记录重放子系统记录雷达数字视频、跟踪数据、AIS/BDS数据和甚高频话音、系统操作/状态等信息，各数据之间要求实时同步。传统集中式存储包括DAS直连存储、NAS/SAN集中存储。其中DAS存储与计算直连故灵活性较差；集中存储设备类型丰富，通过IP/FC/FCOE网络直连，具备一定的扩展性，但受控制器能力限制，扩展能力有限，设备到寿命更换数据迁移耗时耗力。随着网络信息化不断进步，分布式存储应运而生，长期大规模应用于互联网，追求扩展性和低成本，并在逐步构建企业级存储能力。针对本系统数据结构，可引入MongoDB数据库或非关系型数据库HBase（Hadoop Database），其中MongoDB是介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，具备敏捷性、可伸缩性、扩展性、高性能等特点，集群至少由主节点、从节点和仲裁节点3台服务器组成，同时可在每台节点上进行数据分片，实现数据均衡分布。利用HBase可以在廉价的X86服务器上搭建起大规模存储集群，HBase具备高可靠、高性能、面向列和可伸缩特性，并结合虚拟时钟技术和双线程、双缓冲的协同控制技术，可实现多元异类记录数据的按需组合、同步重放。

3.国产船舶交通管理系统关键技术及应用

随着信息技术的持续进步和海事机构智能化需求越来越高，国内VTS厂家经过长期需求调研、集中研讨、开发与试运行，不断地完善国产船舶交通管理系统功能，其关键技术及应用包括水上目标智能感知与识别、立体动态交通态势展示、电子化智能值班、通航异常动态分析与智能告警、应急事件智能化流程定制与处置、电子巡航一键化生成与执行等。

4.结束语

船舶交通管理系统工程建设方案至关重要，设计人员、项目管理及项目决策人员应在满足管理、使用需求的基础上结合新技术不断完善建设方案。力争在现有VTS系统基础上，大幅提升系统检测、数据分析与处理能力，提升数据分析、交换和信息共享能力，让交管工作更智能，进一步提升海事管理精细化水平和提高突发事件应急保障能力。