雙控制河段船舶通行指揮系統設計與實現

吳關勝

（長江瀘州航道局，瀘州646000）

雙控制河段船舶通行指揮系統設計與實現

吳關勝

（長江瀘州航道局，瀘州646000）

針對雙控制河段缺乏有效船舶通行指揮方法的現狀，在考慮工程實際因素的基礎上，應用網絡、通信、計算機、人工智能等理論和技術手段，設計了一種基于智能控制算法的雙控制河段船舶通行指揮系統。該系統以船載自動識別系統（automatic identification system，AIS）作為主要信息源，采用改進卡爾曼濾波方法實現對船舶位置的實時跟蹤預測，以船舶到達和通過控制河段的行程時間為依據，并結合船舶操縱特性，制定了一套船舶安全通行排序規則和指揮方法。瀘州永川航段雙控制河段的實地應用結果表明，文章提出的雙控制河段船舶通行指揮系統可行性較好，能夠降低信號員工作強度，并能提高控制河段通航服務水平和通行指揮效率。

控制河段；電子航道圖；航跡預測；通行排序；卡爾曼濾波

在長江上游河段，部分航道仍處于天然河道狀態，航道彎曲狹窄、灘多水急，航行條件不良，輪船只能單向通過，需設置控制信號臺指揮船舶通行，從而保障通航安全。隨著長江數字航道建設的推進，在部分單控制河段已實現智能指揮和自動揭示，這提高了控制河段信號臺通行指揮效率和水平，增強了控制河段的主動監控能力［1-6］。然而，目前控制河段智能指揮系統只能解決單一控制航段的船舶交通管理問題［7-8］。當兩個或兩個以上控制河段相距很近且在同水位期時，則需要聯合控制這些控制河段，以保證航道總體通航效率最大化、安全最優化。由于船舶噸位和船舶通航密度的增大，傳統的人工指揮模式在雙控制河段的通行指揮難度越來越大，影響了航道通航效率和船舶航行安全。

1系統功能分析

雙控制河段船舶通行指揮系統旨在通過實現交通指揮和船舶通行控制的自動化來降低信號員的勞動強度。為實現這一目標，該系統應當具有如下功能：

（1）船舶交通流感知。采集控制河段的船舶到達和通行情況，預測船舶到達、通過控制河段的時間。（2）制定船舶最優通行順序。采用智能算法，根據雙控制河段船舶到達情況和通行約束條件，制定船舶通行規則。（3）船舶通行信號揭示。根據制定的船舶通行規則，聯動控制各個信號控制臺，準確揭示信號旗并將通行信號推送到電子航道圖。（4）船舶通行狀態遠程動態監控。通過各類船舶感知工具，實時捕捉船舶運行動態，并經由傳輸網絡遠程監視船舶執行通行規則的情況。（5）統計分析。自動保存通行信號揭示和船舶通行情況，作為系統運行反饋和評估的依據。

2系統架構設計

雙控制河段船舶通行指揮系統通過各類傳感器感知水域內船舶交通流信息，然后通過智能算法評估船舶交通運行態勢，分析最優的船舶通行方法，最后將通行指令發送給船舶端和電子航道圖服務系統。系統可分為信息采集層、控制決策層和執行層（圖1）。

圖1 雙控制河段船舶通行指揮系統架構Fig.1 Structure of ship traffic control system in double control waterway

（1）信息采集層。信息采集層通常包括AIS基站、海事雷達、CCTV監控系統，有時還會包括無線射頻識別系統（RFID）和GPS。信息采集層全面感知控制河段內的交通環境和船舶交通狀態，并將狀態數據實時存儲到數據庫服務器。

（2）控制決策層。控制決策層根據信息采集層獲取的航道環境和船舶交通數據，采用優化的人工智能控制算法，自動計算最優船舶交通控制方案，并提供人機交互接口，便于及時對控制方案進行監視與調控。控制決策層主要包括控制決策服務器、電子航道圖3.0和數據庫服務器和歷史記錄數據服務器。

（3）執行層。執行層將控制河段信號指揮系統的控制決策真正應用于真實船舶管理環境，具體是通過電子航道圖3.0、信號旗控制裝置和VHF通訊系統來實現。其中，信號旗控制系統是控制河段信號指揮系統的最終輸出，即通過信號旗揭示通行方案。VHF通信系統實現了船方和控制人員之間的語音通信，信號員可以通過VHF將船舶應該執行的動作傳達給船方，或者咨詢船方的行為動態。

3雙控制河段通行指揮策略

雙控制河段由穩船區、第一控制河段、過渡區、第二控制河段、調頭區5個區域組成。調頭區可供下行船舶掉頭，穩船區和過渡區允許上行船舶穩船，其中過渡區的穩船數量需限定在一定范圍，第一、二控制河段區域同一時間只允許船舶單向通過控制河段。

由于下行船舶的航速快，不易掉頭，所以當同時有上下行船舶到達控制河段指揮斷面時，上行船舶應當讓下行船舶先通行，盡量避免下行船舶掉頭。雙控制河段通行指揮原則主要包括以下4點：

（1）下行船舶還沒有到達調頭區，此時上行船舶已經到達第二控制河段或者已經在過渡區等待，應當讓上行船舶先通過第二控制河段。

（2）下行船舶到達調頭區時，上行船舶也到達第二控制河段，應當讓下行船舶先通行，讓上行船舶在第二控制河段外等待。如果下行船舶還沒有到達調頭區，而上行船舶已經到達穩船區，應當讓上行船舶先通過第一控制河段。

（3）下行船舶到達調頭區時，上行船舶也到達穩船區，應當讓下行船舶先通行，讓上行船舶在第一控制河段外等待。

（4）當控制河段有上行船舶通行時，同時下行船舶到達了調頭區，對于還沒有進入第二控制河段或者第一控制河段的上行船舶應該在第二控制河段或第一控制河段外等待，當已指揮的上行船舶通過后，讓下行船舶先通行。

明確雙控制河段船舶通行基本規則之后，則可以依據船舶AIS信息預測上下水船舶到達相應界限標的時間，對船舶的通行順序進行動態排序。圖2給出了雙控制河段船舶通行指揮算法的信息處理流程。當收到船舶AIS信息時，根據船舶的動靜態信息計算船舶的航行方向（上行或下行）、到各個標志的距離（到各界限標鳴笛標距離）、到各個標志的時間（到各界限標鳴笛標時間、通過控制河段時間）、船舶的區域位置（上游、調頭區、第二控制河段內、過渡區、第一控制河段內、穩船區、下游），為指揮算法提供數據支持。

首先，第一、第二控制河段分別根據船舶的預計到達時間、預計通過控制河段時間長短進行排序，時間越短表示船舶會先通過控制河段，應該排在前面，這樣就得到兩個控制河段的初次通行隊列。其次，系統根據相鄰控制河段的船舶通行情況對這兩個通行順序進行協同及調整，得到最終的通行隊列。最后，當船舶到達指揮斷面時，指揮算法給出預警信號讓船舶松車等待或者給出相應的通行信號指揮船舶通行。

圖2 指揮算法處理流程Fig.2 Processing flow chart of command algorithm

4系統應用

長江瀘州航道局永川航道處所轄長江航道廟角磧控制河段（斗笠子預告臺、控制臺）和白臉石控制河段（東溪口指揮臺和朱沱控制臺）在3 m以下水位時形成雙控制河段。本研究以此河段為例，開展雙控制河段通行指揮系統的實現與應用研究。

4.1系統組成

廟角磧雙控制河段通行指揮系統主要由主控端、被控端、監控端等三部分組成。其中，主控端由控制河段智能通行指揮系統軟件和信號揭示及控制系統組成，用于船舶通行狀況監控、通行指揮和信號揭示，部署于指揮臺；被控端由控制河段智能通行指揮系統軟件和信號揭示及控制系統組成，用于接收主控端所發布的通行指揮信號并予以揭示，部署于控制臺；監控端由控制河段智能通行指揮系統軟件實現，用于接收主控端所發布的通行指揮信號、遠程查看任意控制河段內已安裝AIS設備船舶的船位以及當前信號臺的通行信號。

系統主要包括雙控制河段船舶通行指揮系統、長江電子航道圖3.0系統遠程數據中心、遠程控制中心（只保留接口）。其中雙控制河段船舶通行指揮系統分為3個子系統，即雙控制河段船舶通行指揮子系統（主控端）、雙控制河段船舶通行指揮子系統（被控端1）和雙控制河段船舶通行指揮子系統（被控端2），它們分別安裝在東溪口、斗笠子和朱沱信號臺。由于每個信號臺職責不同，因此每個系統功能也不同，有必要根據每個信號臺通行情況自動生成和揭示通行信號。不同信號臺具體的功能要求為：東溪口信號臺和斗笠子信號臺需要同時揭示下水信號，分別揭示上水信號和下水信號；朱沱信號臺與東溪口信號臺信號需時刻保持一致。3個子系統通過網絡實現數據的協同與共享。

東溪口指揮臺部署雙控制河段船舶通行指揮子系統（主控端），該系統采用C/S開發模式。該信號臺主要負責信號采集，船舶動態監控，通行指揮，將相關信息實時發送到被控端，信號揭示，通行日志記錄。

斗笠子控制臺、預告臺部署雙控制河段船舶通行指揮子系統（被控端1），該系統采用C/S開發模式。該信號臺主要負責信號采集與發送，接收主控端發布的通行信號并揭示，船舶動態監控，通行日志記錄。

朱沱控制臺部署雙控制河段船舶通行指揮子系統（被控端2），該系統采用C/S開發模式。該信號臺主要用于接收雙控制河段船舶通行指揮系統（主控端）發布的通行信號并揭示，船舶動態監控，朱沱控制臺能夠直接使用與斗笠子控制臺所采用的指揮系統，其與斗笠子控制臺被控端的區別在于朱沱控制臺所揭示的通行指揮信號與東溪口指揮信號一致，斗笠子控制臺所揭示的信號為斗笠子控制河段的指揮信號。

4.2應用效果

通過實地部署應用，本文提出的雙控制河段船舶通行指揮系統實現了船舶交通流感知，信號自動生成與揭示，船舶信息的實時動態監控，以及通行信息、指揮記錄等信息的自動記錄與管理等功能。控制河段智能通行指揮系統（主控端）具有AIS信號采集、船舶通行信號指揮和“三種”模式信號揭示的功能，并將相關信息實時發送到被控端和遠程監控端。

控制河段智能通行指揮子系統（被控端）可以接收并顯示主控端發送過來的實時信號，并控制實體揭示裝置的運行。監控端可用于監視控制河段的通行指揮狀況，并查詢通行指揮歷史信息。

該系統實現的重要功能描述如下：（1）實現了主控端和被控端信號的智能同步揭示。利用AIS、控制河段通行指揮規則及人工指揮經驗構建了智能控制網絡專家系統，并融合了電子航道圖系統、AIS及網絡數據儲存等基礎技術，成功實現了主控端和被控端信號的智能同步揭示的功能。（2）實現了信號臺對船舶的“點對點”信號揭示和主動指揮能力。系統通過為長江電子航道圖提供控制河段通航實時信息和船舶通行順序隊列，使船載電子航道圖導航系統能夠顯示控制河段通行信號、通行指揮信息和本船通行指令等信息，從而實現“點對點”的通行信號推送和指揮，使過往船舶能更合理地安排其通過控制河段的計劃，減少等候時間。（3）構建了控制河段通行動態遠程監控客戶端。遠程用戶通過動態遠程監控客戶端可以訪問控制河段智能通行服務器，能夠實時獲取控制河段船舶的動靜態信息以及東溪口、斗笠子信息臺信號揭示的狀況，為實時了解和掌握轄區內所有控制河段船舶航行與指揮情況奠定了技術基礎。

5結論

本文探討了雙控制河段船舶通行指揮系統的功能、系統架構、通航指揮方法等，并在長江航道上游瀘州永川段展開應用。通過實際運用部署，本文建立的雙控制河段船舶通行指揮系統顯著降低了信號員的勞動負荷，提高了雙控制河段船舶通行效率。

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［8］程偉.控制河段船舶通行指揮決策專家系統研究與實現［D］.重慶：重慶大學，2014.

Design and implementation of ship traffic control system in double control waterway

WU Guan?sheng
（Changjiang Luzhou Waterway Bureau,Luzhou 646000,China）

Aiming at the problem of lacking effective access control method in double control waterway,double control waterway technology,database technology,artificial intelligence technology were designed with the consider?ation of practical facts.The system takes AIS as a main information source,and uses the improved Kalman filtering method to realize the real?time tracking and prediction of the ship′s position,on the basis of the time of ship arrival and through the reach,combines the control characteristics of the ship,finally makes the ship′s safe traffic order rules and command method.The application results of Luzhou Yongchuan section double control waterway shows that the proposed system has practical feasibility,reduces the work intensity of the workers,and improves the navi?gation service level and traffic control efficiency.

control reach;inland ECDIS;track prediction;traffic order;Kalman filtering

TP 317

A

1005-8443（2016）04-0422-04

2016-04-11；

2016-06-16

交通運輸部信息化技術研究項目（2013-364-548-200）

吳關勝（1961-），男，高級工程師，主要從事航道管理技術的研究。

Biography：WU Guan?sheng（1961-）,male,senior engineer.