语音交互技术在VTS预警系统中的应用研究

吕新立，于世杰，董 瀚（唐山海事局，河北 唐山 063611）

一、引言

预警，英文为Early-Warning，是在灾害或灾难以及其他需要提防的危险发生之前，根据以往总结的规律得到的可能性前兆，向有关部门或单位发出的紧急信号，报告危险情况。

科学的判断、预测水域中船舶的交通变化，采取信息发布、交通广播等方式保障水域交通畅通，最大限度地保障船舶航行安全，提供良好的船舶预警信息服务，是信息时代背景下对智能化船舶交通管理系统（VTS）提出的新要求。但是，随着航运经济的快速发展，VTS值班员的监控压力也越来越大。

首先，VTS覆盖区域通常面积较大、航行船舶较多、交通态势较为复杂；其次，值班员配备数量有限、人员精力有限、人工监控航行动态存在一定的局限性；最后，虽然目前VTS系统能够提供预警方面的信息，辅助人工监控船舶交通，但是这些预警存在大量的重复报警、无效报警和漏报警，值班员需要反复核实，导致不仅没有减轻值班员的工作负担，反而增加了工作量。

基于上述原因，我们设计了一套充分整合现有系统资源，引入智能语音转换技术，实现自动提供精准VTS人工智能语音预警信息服务的解决方案。通过分析船舶碰撞风险，深入探讨如何实现船舶碰撞风险智能语音提醒。

二、船舶碰撞风险的计算

（一）首先需要根据ITU-R M.1371-4建议书的内容[1]，对船舶自动识别系统（AIS）报文消息进行解析[2]，提取船舶的动态信息和静态信息。

（二）根据获取船舶位置的经纬度信息，运用平面射线法判断船舶是否在VTS监控区域内。

（三）对VTS辖区内的船舶进行距离计算[3]，判断两船是否有紧迫危险，因为两船之间如果距离过远，显然是不存在这种危险的，两点的距离精确计算公式为：

设定A点1λ（纬度，经度）和B点2λ（纬度，经度）则其中 c osD=A1⋅A2+B1⋅B2+C

（四）如果两船的距离在设定范围之内，那么就可以进行船舶最近会遇距离（DCPA）和到达会遇距离的时间（TCPA）计算。

假设本船的航速为 0v，航向为C0；目标船的航速为tv，航向为Ct；目标船相对于本船的方位角为B；目标船与本船之间的距离为D。

1. 相对速度vr计算

其中：

2. 相对航向Cr计算

3. 相对舷角rQ的计算

4. DCPA和TCPA的计算

（五）为使计算更加的精确，应重复上述过程进行计算，以防船舶信号错误或者船舶在转向过程中发生的偶发碰撞危险。

（六）DCPA与TCPA值可以根据船舶交通流量确定，也可以根据船舶尺度确定，在此不再赘述。

三、碰撞预警信息的过滤

为了实现预警的精确性，达到或优于人工判断，实现预警信息数量可控，必须对所有预警信息实行智能分析过滤，保证最终预警信息为有效信息。

（一）智能屏蔽拖轮与拖轮或拖轮与商船之间的碰撞预警提醒

拖轮在作业期间，会经常与其他船舶接近，但是这种接近是属于正常的无危险的接近，并且拖轮机动能力强，碰撞危险系数比较低，因此可以将此类预警屏蔽。屏蔽的实现方式有两种：一是自动识别的方式，从AIS静态信息中获取船舶类型信息，根据船舶类型判断船舶是否为拖轮；二是列举方式，一般对港口型VTS来说，港作拖轮的数量是有限的，可以将拖轮的信息列举出来。拖轮碰撞提醒的屏蔽属于双方屏蔽，即凡是涉及到拖轮的碰撞危险信息都将被屏蔽。

（二）智能屏蔽渔船与渔船之间的碰撞提醒

渔船数量多，经常集中作业，相互之间的交通态势复杂，渔船之间正常进行作业的时候会有接近发生，所以必须将渔船之间的碰撞危险进行屏蔽，防止这种提醒对其他预警信息的干扰。

（三）屏蔽两艘船之间的重复提醒

相同两艘船之间的碰撞危险通常会持续一段时间，如果碰撞危险没有解除，系统仍然在进行分析，传统的VTS技术会将预警反复地提供给用户，造成严重的信息干扰，所以相同两船之间的碰撞危险提醒只提供一次即可。

（四）屏蔽商船进入渔船密集区的提醒

当一艘普通商船进入到一片渔船密集区的时候，有可能对一艘商船和多艘渔船之间预警上百次，所以必须控制同一艘商船在一段时间内与渔船的预警数量，避免商船进入渔船密集区的反复预警。

（五）屏蔽港池或者油田区域的提醒

港池或者油田作业区域，船舶靠泊作业频繁，船舶之间的距离非常接近，通过对特定区域的屏蔽，保证这些正常作业情况不被预警，减少对真正危险的预警的干扰。

四、语音的合成与发送

预警信息过滤后，即可以生成预警提醒信息，预警信息应该简洁高效，尽量使用航海标准用语，包含的提醒信息应该尽量准确。

（一）预警信息

应该包括以下5项内容：一是两船的船名；二是两船的呼号；三是两船的距离；四是两船的相对方位；五是两船的船舶种类。

（二）语音合成

TTS（Text-To-Speech）是指文本语音的简称，即通过TTS引擎把文本转化为语音输出。微软TTS语音引擎提供了Windows Speech SDK开发包供编程者使用。Windows Speech SDK包含语音合成（SS）引擎和语音识别（SR）引擎两种，SS引擎用于将文字转换成语音输出。SR可以使用不同的语音库，优化发音以便最大程度的接近真人发音，利用TTS可以将预警信息直接转换为语音。另外，可以将预警信息合成为两种语音，对于本国船舶，可以合成为本国语言的语音，但是在合成之前必须对船舶的国籍进行判断。对于外国籍船舶可以合成为英语或者其他相应国籍的语言。同时，对于预警信息，比如呼号，应该尽可能的优化，以便符合航海标准英语的发音。

（三）语音发送

语音合成以后，需控制甚高频进行发送，可以设定在甚高频的多个频道上进行发送，保证声音可以传输到当事船舶。为了避免对正常通话的干扰，应该对甚高频的通话状态进行监听。在甚高频存在通话的时候，可以根据用户设置来避免对正常通话的干扰。可以采用STC15W408AS单片机作为主控，通过比较器检测声音信号判断高频是否占用，串口协议与软件进行通信。在与甚高频的接口上，可用音频输入接口（AUX）与AUX麦克按键控制（PTT）音频信号注入，也可以模拟麦克与PTT的方式注入音频，并对阻抗匹配做了优化，保证播发音质，同时提高了硬件与各品牌甚高频的兼容性。

甚高频控制，在需要进行甚高频播发的时候，利用单片机进行串口通信，发送控制信号给甚高频主机，控制甚高频收发机工作，同时发送已经合成的语音信号，播发完毕时，发送释放甚高频的信号，完成播发。

五、碰撞危险的显示及解决方案实施的总体结构

采用S-57标准电子海图显示船舶碰撞危险，为了让预警信息一目了然地提供给值班员，建议采用屏蔽正常船舶的方式，单独突出显示碰撞危险船舶，显示内容包括船舶的航向、船名、位置等信息。解决方案实施的总体结构如图1所示。

图1 解决方案实施的总体结构

六、实际应用效果

截至2019年12月31日，系统在唐山海事局辖区共发出船舶进入禁航区提醒14 081次，船舶碰撞提醒133 505次，播发预警广播7 000余次。2017年12月至2020年6月，系统在北海海事局辖区共发出禁航区提醒38 012次，船舶碰撞提醒34 641次，报告提醒10 049次。通过船舶监控智能语音提醒系统建设，能有效减少海上人命和财产损失，让航行更安全、海洋更清洁。

七、社会效益

从2017年至今，系统已经在河北秦皇岛、京唐港、曹妃甸、沧州，广西北海、钦州、防城港，广东广州，福建福州、泉州等多家VTS中心实地安装使用，累计销售16台/套，新增直接经济效益500余万元，按现有安装情况，预计今后每年可以产生直接经济效益100万元。本项目成果可在各分支机构交管中心安装使用，每台/套约30万元，以每个交管中心平均3个值班台，每个直属局平均4个分支局计算，全国目前共有15个直属海事局，全部安装的费用约为5 400万。

海上事故无小事，事故会造成重大财产损失、严重的海上污染甚至造成大量人员伤亡，船舶航行风险的及时预警对事故事前预防、事后发现及船舶违法行为自动识别等都具有重要意义，通过船舶监控智能语音提醒系统建设，能够有效降低海上船舶航行风险系数，进而产生较大的间接经济效益和社会效益。

八、结语

随着语音交互技术发展越来越快，在航海预警中应用人性化的语音预警是必然的发展趋势。语音交互技术应用在VTS系统中，不仅可以极大地提升VTS信息服务能力，还能辅助VTS值班人员值班，减轻值班人员工作压力、减少事故发生，保障航行安全、维护水域清洁，所以加强语音交互技术在航海或者VTS系统中的应用是十分必要的。