VTS與船舶操縱綜合模擬器構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

王勝正，張英英，黃玉貴，施朝健

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

船舶交通服務(wù)系統(tǒng)(Vessel Traffic Services，VTS)作為一種高科技的水上交通管理系統(tǒng)，正以其強(qiáng)大的功能和不可替代的優(yōu)越性，逐步成為沿海港口保障船舶交通安全、提高船舶運(yùn)輸效率、保護(hù)水域環(huán)境的有效手段.若要充分發(fā)揮VTS的作用，除了需要具有世界先進(jìn)水平的軟硬件裝備之外，還需要VTS值班人員具有較高的應(yīng)用水平和較熟練的操作技能.因此，需要加強(qiáng)對(duì)VTS操作人員的培訓(xùn)，并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行模擬器專項(xiàng)培訓(xùn).［1-2]

通過VTS綜合模擬器培訓(xùn)，不僅可以使VTS值班人員全面掌握VTS的操作方法，提高其分析海上復(fù)雜交通局面的能力，而且有利于提出正確合理的交通管理決策方法，有效地進(jìn)行交通組織和服務(wù)，降低海上意外事故發(fā)生率，提高通航效率.同時(shí)，通過該系統(tǒng)，VTS值班人員還可以了解更多與船舶操縱、船舶避碰有關(guān)的知識(shí)與技能，提高與引航員、船員相互協(xié)調(diào)的能力和事故應(yīng)急處理能力，實(shí)施緊急情況下的聯(lián)合行動(dòng)等.因此，2012年交通運(yùn)輸部海事局內(nèi)部專門下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)VTS模擬器培訓(xùn)工作的通知》，以更好地加強(qiáng)值班人員培訓(xùn)，提升VTS監(jiān)管和服務(wù)水平.

KONGSBERG［3]和 TRANSAS［4]在航海模擬器基礎(chǔ)上研制VTS單機(jī)模擬器系統(tǒng)，廣泛用于VTS值班人員的基本操作培訓(xùn).然而我國絕大部分VTS中心都缺乏VTS模擬器培訓(xùn)系統(tǒng)，這使得我國VTS值班人員依然停留在理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)交流上，缺乏模擬實(shí)操訓(xùn)練.因此，我國的VTS值班人員需要更長的時(shí)間適應(yīng)崗位要求，主管部門也無法系統(tǒng)地對(duì)VTS值班人員進(jìn)行培訓(xùn)和評(píng)估.

我國對(duì)VTS模擬器中的信息模擬、雷達(dá)跟蹤技術(shù)模擬等也做過一些基礎(chǔ)研究［5-8](如引入船用雷達(dá)模擬器信源模擬方法仿真VTS中的船舶目標(biāo)，并研究VTS的人機(jī)交互界面等［5];研究VTS的目標(biāo)跟蹤方法，對(duì)VTS的目標(biāo)跟蹤效果進(jìn)行仿真［7])，但缺少實(shí)際應(yīng)用.因此，本文根據(jù)IALA關(guān)于VTS值班人員素質(zhì)要求［1-2]，針對(duì)我國VTS的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有航海模擬器中的系統(tǒng)構(gòu)架［9-11]、通信技術(shù)［12]、電子海圖顯示［13]、三維視景仿真［14-15]等，構(gòu)建基于 VTS與船舶操縱模擬器的全功能綜合模擬器，并針對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)展開研究與探討.

1 VTS與船舶操縱綜合模擬器構(gòu)架

VTS與船舶操縱綜合模擬器的主要用途是訓(xùn)練VTS值班人員的操作和指揮技能，同時(shí)提升VTS值班人員與引航員之間的溝通和協(xié)調(diào)指揮能力，參與培訓(xùn)的主體是VTS值班人員和引航員，指導(dǎo)培訓(xùn)的是教練員.

圖1為整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，包括教練員控制臺(tái)、VTS值班臺(tái)和船舶操縱模擬器等3個(gè)部分，參與人員包括教練員、VTS值班人員和引航員等.VTS值班臺(tái)以著名的VTS ATLAS9760和HITT V3000為原型，完全仿真水上交通情景和操作方法，為VTS學(xué)員提供真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各種VTS功能.船舶操縱模擬器以真實(shí)船橋系統(tǒng)為平臺(tái)，通過3D虛擬營造航行環(huán)境，為引航員和船員提供高度沉浸感的操縱環(huán)境，完成各種船舶航行操縱任務(wù).在教練員控制臺(tái)中，教練員不僅負(fù)責(zé)編排訓(xùn)練科目，如選擇訓(xùn)練港口水域或自定義編輯訓(xùn)練港口水域、初始化海上各種交通情景、設(shè)置水文氣象環(huán)境等，而且負(fù)責(zé)引導(dǎo)整個(gè)訓(xùn)練過程，包括控制大量船舶的航行狀態(tài)(位置、航速、航向等)，并根據(jù)各種情景配合VTS學(xué)員，監(jiān)控引航員與VTS學(xué)員的相互協(xié)調(diào)情況.

為提高訓(xùn)練效率和效果，整個(gè)訓(xùn)練過程不僅需要多個(gè)VTS學(xué)員和引航員參與，還需要多個(gè)教練員同時(shí)參與引導(dǎo)訓(xùn)練，因而要求系統(tǒng)可以進(jìn)行獨(dú)立或組合訓(xùn)練.對(duì)于獨(dú)立訓(xùn)練模式，每個(gè)教練員控制臺(tái)進(jìn)行獨(dú)立的訓(xùn)練，各自分配或指定某些VTS值班臺(tái)和/或船舶操縱模擬器(本船)加入練習(xí)，當(dāng)一個(gè)教練員控制臺(tái)已指定某些值班臺(tái)和船舶操縱模擬器參與其訓(xùn)練，另一個(gè)教練員控制臺(tái)則只能指定其他值班臺(tái)和船舶操縱模擬器參與其訓(xùn)練，以便多組學(xué)員同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練.對(duì)于組合訓(xùn)練模式，多個(gè)教練員對(duì)同一練習(xí)同時(shí)進(jìn)行操作，每個(gè)教練員控制部分區(qū)域和船舶，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)學(xué)員的訓(xùn)練，提高培訓(xùn)效率和訓(xùn)練效果.

另外，在設(shè)計(jì)該綜合模擬器架構(gòu)時(shí)，必須考慮不同平臺(tái)子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享和集成問題，提出基于多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型的數(shù)據(jù)共享方法，實(shí)現(xiàn)多VTS值班臺(tái)、多船舶操縱模擬器與多教練員控制臺(tái)之間的無縫連接.

為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，必須解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，因此對(duì)VTS仿真系統(tǒng)中的雷達(dá)視頻圖像顯示，多源目標(biāo)數(shù)據(jù)跟蹤、融合和誤差仿真技術(shù)，船舶操縱模擬器，教練員控制臺(tái)以及基于多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型的系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究.

2 VTS與船舶操縱綜合模擬器關(guān)鍵技術(shù)

2.1 真實(shí)感VTS雷達(dá)視頻圖像仿真技術(shù)

雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是VTS的核心部分，是獲取目標(biāo)信息的主要手段.一個(gè)港口的VTS通常由多個(gè)雷達(dá)基站組成，通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)基站的數(shù)據(jù)融合后統(tǒng)一顯示在VTS值班臺(tái)顯示器上.雖然VTS所用的雷達(dá)與一般的海雷達(dá)都是單脈沖X或S波段雷達(dá)，但是VTS所用的岸基雷達(dá)的天線口徑更大，具有更高的距離分辨率、方位分辨率和更大的作用距離，而且在雷達(dá)視頻顯示過程中不采用圓周掃描方式，而是直接顯示經(jīng)過雷達(dá)視頻處理子系統(tǒng)處理后的雷達(dá)視頻和跟蹤處理數(shù)據(jù).

因此，為在VTS雷達(dá)系統(tǒng)仿真過程中更加真實(shí)地反映VTS值班臺(tái)雷達(dá)視頻顯示效果，提出扇形帶狀紋理填充和融合算法仿真雷達(dá)視頻圖像.這不僅符合VTS雷達(dá)回波圖像形成機(jī)理，而且可以實(shí)現(xiàn)大范圍、多基站雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)模擬.

由雷達(dá)回波圖像形成機(jī)理可知，雷達(dá)回波受到多方面影響，導(dǎo)致物標(biāo)回波在屏幕上顯示的并非是圓形光點(diǎn)，而是扇形帶(見圖2).扇形帶大小由雷達(dá)的性能參數(shù)決定，定義為

圖2 雷達(dá)回波圖像形成機(jī)理

式中:θH為雷達(dá)水平波束寬度;Δf0.7為接收機(jī)通頻帶;τ為脈沖寬度;C=3.0×108m/s，為電磁波傳播速度.

首先以電子海圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取各物標(biāo)(陸地、島嶼、建筑物、岸線、浮標(biāo)、燈樁等)的空間信息，結(jié)合陸地與島嶼的數(shù)據(jù)高程模型(Digital Elevation Model，DEM)生成三維曲面(其水平方向表示位置信息，豎直方向表示物標(biāo)高度)，然后對(duì)三維曲面進(jìn)行歸一化處理后映射到灰度圖，最終形成雷達(dá)回波基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫.

從回波數(shù)據(jù)庫檢索該點(diǎn)灰度值.如果其灰度值大于0且大于當(dāng)前掃描線上灰度的最大值，則把該點(diǎn)列入有效回波點(diǎn).回波點(diǎn)大小由rB和rD決定.

為模擬真實(shí)雷達(dá)回波圖像的隨機(jī)性，不能簡單地采用規(guī)則扇形帶狀回波圖像，否則繪制的回波圖像過于規(guī)則.因此，建立非規(guī)則扇形帶狀回波圖像模板庫(見圖3)，以便在獲取有效回波點(diǎn)后從回波圖像模板庫中隨機(jī)選取回波圖像模板仿真雷達(dá)圖像.

圖3 非規(guī)則扇形帶狀回波圖像模板庫

2.2 多源目標(biāo)數(shù)據(jù)跟蹤、融合和誤差仿真技術(shù)

除雷達(dá)之外，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)、水文氣象子系統(tǒng)、閉路電視(Closed Circuit TV，CCTV)和測向(Direction Finding，DF)儀也是VTS重要的輔助信息獲取手段.隨著近幾年AIS的快速發(fā)展，雷達(dá)目標(biāo)跟蹤和AIS已經(jīng)成為現(xiàn)有VTS的2種基本的目標(biāo)跟蹤監(jiān)測手段.

在模擬系統(tǒng)中，VTS雷達(dá)目標(biāo)檢測分為人工和自動(dòng)兩種檢測方法，其中人工目標(biāo)檢測通過鼠標(biāo)錄取完成，自動(dòng)目標(biāo)檢測通過在設(shè)定邊界范圍內(nèi)利用滑窗檢測算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)錄取，并仿真α-β濾波器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤.這樣，不僅可以仿真VTS的目標(biāo)漏檢、錯(cuò)檢等狀態(tài)，而且可以突破現(xiàn)有雷達(dá)模擬器普遍存在的通過人工干預(yù)導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤丟失的局限性.

AIS信息的模擬有兩種方式:一種方式是由教練員控制臺(tái)編輯加入各種類型船舶數(shù)據(jù)，模擬AIS目標(biāo)信息;另一種方式是系統(tǒng)接入港口AIS真實(shí)信息源，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器形成AIS數(shù)據(jù)基準(zhǔn)庫，模擬過程中通過教練員控制臺(tái)編輯和控制AIS數(shù)據(jù)庫.第二種方式可以很方便地實(shí)現(xiàn)AIS目標(biāo)的自動(dòng)建庫，避免大量目標(biāo)的繁瑣編輯，而且可以更加真實(shí)地反映港口的交通狀況.

VTS中，AIS數(shù)據(jù)與雷達(dá)目標(biāo)多源數(shù)據(jù)融合及誤差仿真也是非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵谡鎸?shí)的VTS中不同數(shù)據(jù)采集終端空間、時(shí)間上的誤差會(huì)導(dǎo)致其獲取的船舶目標(biāo)數(shù)據(jù)存在不同程度上的誤差和錯(cuò)誤.為仿真此現(xiàn)象，首先在雷達(dá)目標(biāo)回波生成時(shí)加入隨機(jī)擾動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，然后在產(chǎn)生AIS目標(biāo)信息源時(shí)通過模擬GPS定位誤差產(chǎn)生AIS目標(biāo)位置誤差，最后在數(shù)據(jù)庫中對(duì)同一目標(biāo)模擬的不同信息源進(jìn)行誤差標(biāo)記，自動(dòng)計(jì)算不同信息源的誤差距離，在設(shè)定閾值范圍內(nèi)則自動(dòng)融合為同一目標(biāo)，超過閾值范圍則分離兩個(gè)目標(biāo)源，通過人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的融合.用同樣的方法實(shí)現(xiàn)不同雷達(dá)基站之間的目標(biāo)信息融合及誤差仿真.從圖4中可以清晰地觀察到AIS目標(biāo)跟蹤與雷達(dá)目標(biāo)回波跟蹤的誤差.

圖4 雷達(dá)與AIS目標(biāo)融合及誤差仿真

2.3 船舶操縱模擬器

船舶操縱模擬器以真實(shí)船橋系統(tǒng)為平臺(tái)，通過3D虛擬仿真為引航員或船員提供高沉浸感的操縱環(huán)境，完成各種船舶操縱功能.該模擬器基本功能與航海模擬器相同［9，11]，但是傳統(tǒng)航海模擬器一般在練習(xí)科目中根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)設(shè)置好本船和目標(biāo)船的初始交通態(tài)勢，訓(xùn)練過程的焦點(diǎn)集中在監(jiān)控本船的各項(xiàng)任務(wù)，而VTS模擬器的任務(wù)是對(duì)港口水域所有船舶進(jìn)行宏觀監(jiān)控并提供信息服務(wù).由于船舶數(shù)量與船舶種類非常多，且船舶進(jìn)港、出港、過境頻繁，需要船舶操縱模擬器中3D虛擬仿真系統(tǒng)不斷地自動(dòng)更新船舶類型和數(shù)量，不能再像傳統(tǒng)航海模擬器一樣依靠人工添加和刪除.因此，本文提出3D視景系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)自動(dòng)更新方法.

在3D視景系統(tǒng)中每艘船都是3D模型，且VTS模擬器系統(tǒng)中船舶數(shù)量和種類都很多，因而數(shù)據(jù)量大，不能一次性全部載入，為避免降低系統(tǒng)性能，在設(shè)計(jì)操縱模擬器時(shí)，必須使本船能根據(jù)當(dāng)前周圍交通狀態(tài)實(shí)時(shí)載入相應(yīng)的3D船舶模型.如圖5所示，1號(hào)和2號(hào)目標(biāo)進(jìn)入指定的3D視景領(lǐng)域后自動(dòng)載入，而3號(hào)和4號(hào)目標(biāo)離開邊界后自動(dòng)載出，這樣保持整個(gè)3D仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)平衡.

圖5 3D視景系統(tǒng)船舶目標(biāo)動(dòng)態(tài)載入/出

2.4 教練員控制臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)多對(duì)多訓(xùn)練，教練員控制臺(tái)除設(shè)置基本的訓(xùn)練科目、交通情景、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)之外，還必須具備VTS值班臺(tái)和船舶操縱模擬器分組功能，即分組訓(xùn)練和聯(lián)合訓(xùn)練.(1)分組訓(xùn)練:在教練員控制臺(tái)首先選擇分組訓(xùn)練模式，并且添加一個(gè)練習(xí)，然后添加VTS值班臺(tái)和船舶操縱模擬器.如果想添加的VTS值班臺(tái)和船舶操縱模擬器已被分配(系統(tǒng)提示已被占用)，則選擇其他VTS值班臺(tái)和船舶操縱模擬器.(2)聯(lián)合訓(xùn)練:在教練員控制臺(tái)選擇聯(lián)合訓(xùn)練模式.如果已有教練員控制臺(tái)建立了練習(xí)則自動(dòng)進(jìn)入練習(xí)，并且顯示整個(gè)練習(xí)中添加的各種目標(biāo).每個(gè)教練員所觀察到的目標(biāo)都是相同的，每個(gè)教練員可以對(duì)目標(biāo)屬性進(jìn)行修改，并且可以與每個(gè)學(xué)員進(jìn)行通信.

2.5 基于多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型的系統(tǒng)集成技術(shù)

該系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸量大，且部分?jǐn)?shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸，給系統(tǒng)集成和可靠性帶來很多困難.為更好地實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸和共享，根據(jù)系統(tǒng)特征和業(yè)務(wù)需求，把傳輸數(shù)據(jù)分為多種類型，傳輸速度分為多個(gè)層次，確保系統(tǒng)最優(yōu)化運(yùn)行.如圖6所示，教練員控制臺(tái)與VTS值班臺(tái)、船舶操縱模擬器中的電子海圖和雷達(dá)等子系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)COM組件，利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;教練員控制臺(tái)與船舶操縱模擬器的3D虛擬仿真系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)目標(biāo)數(shù)據(jù)交換利用UDP數(shù)據(jù)廣播通信;同時(shí)，為確保通信的正確性和可靠性，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)TCP/IP實(shí)時(shí)通信.

圖6 多層次、多類型數(shù)據(jù)通信模型原理

3 結(jié)束語

通過對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)我國首個(gè)VTS綜合模擬器系統(tǒng)，并且在上海海事局進(jìn)行推廣使用.該系統(tǒng)近2年內(nèi)已經(jīng)承擔(dān)1 500人次的VTS值班人員及引航員培訓(xùn)和考試任務(wù)，并且成功承擔(dān)全國首次VTS值班人員技能大比武.

VTS綜合模擬器關(guān)鍵技術(shù)問題的解決和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為提升我國VTS值班人員及引航員的技能素質(zhì)和指揮能力提供了新的平臺(tái)和途徑，有利于進(jìn)一步提高我國水上交通管理能力、保障水上交通安全、保障生命財(cái)產(chǎn)安全.VTS模擬器除了應(yīng)用于VTS值班人員、引航員以及船員的培訓(xùn)之外，還適用于以下工作人員的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，包括事故案例調(diào)查和分析人員，交通流預(yù)測和建模人員，港口、錨地、航道規(guī)劃建設(shè)人員，定線制、錨地、航道、碼頭等附近水域水上交通管理要素的分析評(píng)估人員，各種不同天氣下助航服務(wù)的分析評(píng)估及實(shí)施人員，應(yīng)急搜救模擬處置人員等.因此，建設(shè)VTS值班人員訓(xùn)練、評(píng)估系統(tǒng)對(duì)提高VTS操作人員的技能水平具有十分重要的意義.

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