長江上游控制河段船舶識別及通行指揮技術(shù)探討

曾科偉，劉作飛，蔣明貴，聞光華

(長江重慶航道局，重慶401147)

長江上游控制河段船舶識別及通行指揮技術(shù)探討

曾科偉，劉作飛，蔣明貴，聞光華

(長江重慶航道局，重慶401147)

摘要：通過對目前雷達(dá)、AIS、CCTV技術(shù)的介紹，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對長江上游控制河段可視距離較短，信號人員監(jiān)控和指揮船舶能力較弱的特點(diǎn)，提出了采用多傳感器處理技術(shù)，將雷達(dá)、AIS、CCTV系統(tǒng)產(chǎn)生的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行融合，可以充分發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢，起到在控制河段輔助通行指揮的作用。

關(guān)鍵詞：控制河段；船舶識別；多傳感器

由于長江上游航道條件不良，航道寬度、彎曲程度或流態(tài)不能滿足輪船安全對駛的要求，輪船只能單向通過，故設(shè)置信號臺實(shí)行通行指揮［1］。自20世紀(jì)初以來，航道部門先后設(shè)置了狐灘、青石洞、廣陽壩等多座信號臺，采用人工控制的方式指揮船舶上下通行，為保障船舶航行安全發(fā)揮了極其重要的作用，成為長江行輪的“保護(hù)神”。

近年來，隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢，內(nèi)河航運(yùn)飛速發(fā)展，船舶標(biāo)準(zhǔn)化、大型化、高速化進(jìn)程大幅提升，傳統(tǒng)的視覺航標(biāo)已不能完全滿足船舶助航需求，信號臺以人工觀測、經(jīng)驗(yàn)判斷為主的指揮方式更是難以適應(yīng)船舶高效通行的需求，通行指揮系統(tǒng)亟需新方法、新技術(shù)、新裝備提升其效能。

1　船舶監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀

目前在水運(yùn)行業(yè)中為實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管常采用的幾個(gè)系統(tǒng)分別為［2-3］：

（1）雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)：采用雷達(dá)技術(shù)對船舶的航行狀況進(jìn)行高效、準(zhǔn)確地監(jiān)管，是我國港口船舶管理中主要使用的一種技術(shù)手段。雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)通過雷達(dá)掃描主動(dòng)對雷達(dá)所覆蓋區(qū)域的船舶位置和航行狀況進(jìn)行偵測。它的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)覆蓋水域船舶的主動(dòng)偵測，獲取船舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快；缺點(diǎn)是無法獲取船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號，且雷達(dá)信號存在盲區(qū)。

（2）船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（AIS系統(tǒng)）：是目前最為常用的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管手段，由岸基（基站）設(shè)施和船載設(shè)備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備。AIS系統(tǒng)通過安裝在船上的AIS船臺發(fā)出船舶的相關(guān)位置、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息和船名、呼號等船舶靜態(tài)信息，由岸基AIS臺站接收船舶的AIS信息，實(shí)現(xiàn)對AIS船舶的跟蹤。它的優(yōu)點(diǎn)是全國沿海及長江已經(jīng)全部覆蓋了AIS岸臺，AIS船舶發(fā)出的信息較全，包含了動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息,且不需人工標(biāo)示，覆蓋范圍廣。缺點(diǎn)是被動(dòng)接收信號，且只有安裝有AIS船臺的船舶才能被監(jiān)控，且受通信網(wǎng)絡(luò)和是否開機(jī)的影響。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV系統(tǒng)）：是為加強(qiáng)水上交通安全管理，提高水上現(xiàn)場監(jiān)管和應(yīng)急搜救指揮能力，建立以視頻攝錄為信息采集手段，計(jì)算機(jī)為數(shù)據(jù)處理終端，依托船舶管理部門內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)為主要傳輸通道的數(shù)字電視監(jiān)控系統(tǒng)。CCTV系統(tǒng)是一個(gè)直觀的現(xiàn)場監(jiān)管手段，可以通過CCTV系統(tǒng)直接了解現(xiàn)場船舶的航行狀況和船舶類型等信息。它的優(yōu)點(diǎn)是可以對現(xiàn)場情況一目了然，缺點(diǎn)是監(jiān)控距離比較短，而且除了有可能拍攝到船名以外，無法獲取準(zhǔn)確的船舶動(dòng)靜態(tài)信息。

以上系統(tǒng)相互獨(dú)立，各自在水運(yùn)相關(guān)行業(yè)的船舶監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用。但各個(gè)系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行的過程中由于其固有的缺點(diǎn)已經(jīng)無法滿足船舶管理部門對船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管越來越高的要求，多種船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管手段的整合已勢在必行。

基于上述情況，本文主要研究以長江電子航道圖、雷達(dá)、AIS、CCTV等系統(tǒng)為基礎(chǔ)，綜合各系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用多傳感器綜合處理技術(shù)將雷達(dá)、AIS和CCTV目標(biāo)融合顯示于電子航道圖上，實(shí)現(xiàn)對船位信息的主動(dòng)探測和動(dòng)態(tài)掌握。同時(shí)CCTV系統(tǒng)通過夜視、紅外熱成像技術(shù)，提高視頻監(jiān)控效果，實(shí)現(xiàn)對控制河段船舶運(yùn)行狀態(tài)的全面掌控。通過對多種數(shù)據(jù)源的綜合數(shù)據(jù)挖掘，統(tǒng)計(jì)分析出信號揭示指令作為信號員現(xiàn)場輔助決策依據(jù)；必要時(shí)，航道指揮中心可依據(jù)通行控制預(yù)案，結(jié)合各種動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行航道遠(yuǎn)程指揮，進(jìn)一步提高通行控制效率和信號指揮水平。

2　多傳感器綜合處理技術(shù)

上述提到的雷達(dá)、AIS、CCTV技術(shù)都是可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)錄取跟蹤的信號源，每個(gè)傳感器（雷達(dá)、AIS、CCTV）提供一個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型，多傳感器處理系統(tǒng)對多個(gè)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行對比匹配后，建立一個(gè)統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)軌跡的過程稱為多傳感器目標(biāo)融合［4－5］。目標(biāo)融合算法將基于3套子系統(tǒng)所提供目標(biāo)的如下參數(shù)進(jìn)行對比：

（1）船舶經(jīng)緯度位置；（2）航向；（3）航速；（4）船舶加速度；（5）船舶轉(zhuǎn)向率。

當(dāng)一艘船舶在多個(gè)傳感系統(tǒng)中都有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作人員可以獨(dú)立顯示其雷達(dá)原始視頻、雷達(dá)跟蹤目標(biāo)、AIS目標(biāo)、CCTV目標(biāo)，也可以選擇融合為同一目標(biāo)。通過多傳感器目標(biāo)融合，船舶可以在CCTV系統(tǒng)的視頻畫面中實(shí)時(shí)顯示船名及其他相關(guān)信息。

3　布設(shè)原則與航行規(guī)則

在對控制河段的通行指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局時(shí)主要考慮了三種原則：第一，以雷達(dá)系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)結(jié)合作為主要監(jiān)管手段，盡可能選擇在上指揮斷面的預(yù)告臺架設(shè)，重點(diǎn)保證上指揮斷面和進(jìn)入槽口水域前的監(jiān)控覆蓋，盡可能覆蓋整個(gè)控制河段水域；第二，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為輔助監(jiān)控手段主要選擇在控制臺進(jìn)行建設(shè)，重點(diǎn)解決控制河段內(nèi)槽口水域船舶違章進(jìn)出槽口的視頻取證；第三，充分利用現(xiàn)有信號臺的基礎(chǔ)資源，按照重點(diǎn)加強(qiáng)、局部調(diào)整的原則分層次進(jìn)行布局，相鄰控制河段盡量做到信息的共享和綜合利用。

圖1　控制河段示意圖Fig.1Sketch of controlled river

如圖1所示，陰影部分為控制河段，在電子航道圖系統(tǒng)中分別設(shè)置上游預(yù)告線、上游控制斷面、上游界限、控制河段、下游界限，下游控制斷面、下游預(yù)告線7個(gè)要素，當(dāng)船舶經(jīng)過這7個(gè)要素時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)識別。

控制河段的航行規(guī)則：

（1）上游下行船舶到達(dá)上游指揮斷面，通過高頻信號通知信號臺，請求放行。如果控制河段沒有船舶上行，原則上予以放行。上行船舶不得進(jìn)入控制河段，準(zhǔn)備進(jìn)入控制河段的船舶需在下游指揮斷面停靠等待。

（2）下游上行船舶到達(dá)下指揮斷面，通過高頻信號通知信號臺，請求放行。如果下行沒有船舶進(jìn)入，原則上予以放行。準(zhǔn)備進(jìn)入上指揮斷面的下行船舶在進(jìn)入控制河段之前調(diào)頭等待。

（3）控制河段禁止對駛、并行、拖尾航行和調(diào)頭。

（4）控制河段禁止超吃水船舶航行。

（5）50 m以下船舶和800 HP以下船舶不受控制。

（6）違規(guī)進(jìn)入控制河段為嚴(yán)重違章。

4　控制河段船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控方式

控制河段船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控通過AIS、雷達(dá)、視頻等監(jiān)控方式，實(shí)時(shí)獲取控制河段通行船舶動(dòng)態(tài)信息，并基于GIS平臺展現(xiàn)給信號員，為信號員科學(xué)地進(jìn)行通行控制提供科學(xué)支撐，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）當(dāng)有船舶進(jìn)入上下指揮斷面時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提示報(bào)警，并根據(jù)通行指揮原則揭示信號；

（2）對尚未進(jìn)入上指揮斷面的船舶誤報(bào)船位進(jìn)行監(jiān)管；

（3）結(jié)合電子航道圖，實(shí)現(xiàn)控制河段通行指揮多級監(jiān)管。

信號員可根據(jù)控制河段具體情況預(yù)設(shè)規(guī)則，當(dāng)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊監(jiān)測到船舶駛?cè)腩A(yù)定范圍（上下指揮斷面）時(shí)即自動(dòng)向信號員發(fā)出預(yù)警提示，并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則自動(dòng)生成信號揭示指令，信號員可參考信號揭示指令進(jìn)行信號揭示操作。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對尚未進(jìn)入上指揮斷面的船舶誤報(bào)船位的行為進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管，通過AIS和視頻監(jiān)控，可以跟蹤目標(biāo)船舶的位置和動(dòng)態(tài)，一定程度上減少因船舶誤報(bào)船位導(dǎo)致通行信號揭示不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。

信號員結(jié)合通行信號提示，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況揭示通行信號，系統(tǒng)能夠統(tǒng)計(jì)出信號輔助提示的準(zhǔn)確率，并能夠通過算法的不斷調(diào)整來提高信號輔助揭示的準(zhǔn)確率。

5　試點(diǎn)工程情況

根據(jù)以上的系統(tǒng)研究，選擇銅鑼?shí){控制河段蓮花背信號臺進(jìn)行試點(diǎn)工程建設(shè)，該控制河段是川江河段最具有代表典型意義的，匯集了川江航道彎、窄、淺、險(xiǎn)特征；汛期，水流湍急、流態(tài)紊亂，水位陡漲陡退頻繁，變化較大；枯水期航道彎曲狹窄、灘險(xiǎn)密布、霧大瘴濃，航行條件比較惡劣［6］。且該河段離市區(qū)最近，選擇該處具有很好的示范推廣效應(yīng)。

銅鑼?shí){控制河段通行指揮系統(tǒng)控制區(qū)域情況如圖2所示。

圖2　蓮花背信號臺控制區(qū)域Fig.2Controlled region by Lianhuabei Signal Station

目前該信號臺仍停留在人工瞭望、VHF電話聯(lián)系等方式獲取上下水船舶船位信息，然后憑借信號員業(yè)務(wù)水平和經(jīng)驗(yàn)揭示通行信號。當(dāng)船舶到達(dá)鳴笛標(biāo)時(shí)，通過VHF聯(lián)系信號臺，信號員通過望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)船舶到達(dá)，然后根據(jù)航道情況揭示信號，未被允許通行的船舶在鳴笛標(biāo)和界限標(biāo)之間穩(wěn)船，等待信號員進(jìn)一步指示。采用此種方式，通行指揮受信號員業(yè)務(wù)能力、心情、心理狀態(tài)等多因素影響，且信號員難以主動(dòng)掌握船舶準(zhǔn)確位置，尤其是在天氣狀況不良的狀況下（如大霧），容易被上水船舶虛報(bào)位置所欺瞞，容易影響信號揭示準(zhǔn)確性，不能有效保證上、下水船舶順利通行，易引發(fā)船舶交通安全事故。

通過蓮花背信號臺及其指揮的控制河段進(jìn)行試點(diǎn)，得出如下結(jié)論：

（1）安置雷達(dá)系統(tǒng)，可識別船的間隔為3～5 m，大大縮短了船舶識別距離；

（2）雷達(dá)的掃描頻率為2.8 s，可以準(zhǔn)確地跟蹤行進(jìn)中的船舶；

（3）通過雷達(dá)目標(biāo)錄取跟蹤技術(shù)，大大提高了雷達(dá)的識別精度；

（4）根據(jù)觀察，蓮花背水域下水船速一般在10～20 km/h,上水船在5～6 km/h。下水時(shí)每個(gè)信號間隔船移動(dòng)距離為80～160 m，如果有信號丟失,丟失1個(gè)信號，則船的移動(dòng)距離為160～320 m，以此類推；

（5）內(nèi)河船舶基本上安裝的為AIS CLASS B的船臺，該船臺在長江狹窄水道和急彎水道信號丟失嚴(yán)重，因此AIS信號不宜作為控制河段的船舶信號源，但可以為雷達(dá)融合提供船舶數(shù)據(jù)；

（6）通過在控制河段的信號臺、預(yù)告臺建設(shè)雷達(dá)、AIS和CCTV聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用多傳感器綜合處理融合技術(shù)，可以發(fā)揮各個(gè)系統(tǒng)優(yōu)勢，彌補(bǔ)不足，很好地起到船舶識別和輔助通行指揮的作用。

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Biography：ZENG Ke?wei（1979-），male，engineer.

中圖分類號：U 661.73

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0563-04

收稿日期：2013-12-06；修回日期：2014-01-10

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（基金編號2011328350 1490）

作者簡介：曾科偉（1979-），男，重慶市人，工程師，主要從事航道與航標(biāo)方面的工作。

Technical discussion on ship identification and ship command in controlled river in upper Yangtze River

ZENG Ke?wei，LIU Zuo?fei，JIANG Ming?gui，WEN Guang?hua
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau，Chongqing 401147，China）

Abstract:According to the introduction of radar，AIS and CCTV，the advantages and disadvantages of each technical system were analyzed.Aiming at the short visual range in controlled river in upper Yangtze River and the weak capacity of monitoring and command，a new technology using the multi?sensor to fuse the multiple objects gen?erated by radar，AIS and CCTV system was proposed.It can make good use of each system，and it also plays an im?portant part in ship command in controlled river.

Key words:controlled river;ship identification;multi?sensor