船舶交通管理系統工程建設方案研究

洪瀟瀟 中國交通通信信息中心 北京金交信息通信導航設計院

1.引言

船舶交通管理系統（Vessel Traffic Service，VTS）在保障水上交通安全、維護良好通航秩序、提高港口運營效率、保護水域生態環境以及協調應急搜救行動等方面發揮了重要作用。截至2021年4月，直屬海事系統已建成VTS中心44個，已建成雷達站247個；在建VTS中心10個，在建雷達站33個。從上世紀80年代開始，我國先后從國外引進40余套VTS系統。近幾年，全國已建和在建的54個VTS中心已有24個采用國產化系統，占比44.44%，并呈逐步擴大趨勢。本文對船舶交通管理系統進行關鍵技術和選型分析，為相關工程設計、管理、決策人員提供比選借鑒，進而構造更佳建設方案。

2.建設方案研究

2.1 雷達子系統

雷達主要是完成水上目標的采集、處理及判定等功能。目前VTS中采用的雷達收發機主要有磁控管雷達收發機和固態雷達收發機。固態雷達在原有脈沖調制雷達的基礎上，用微波晶體管等固態功率放大器替換磁控管來產生發射脈沖，并且采用脈沖壓縮、頻率和時間分集等技術來提高雷達收發機的技術性能，較磁控管收發機有著明顯的優勢，具體如下：

①固態器件的應用。固態微波功率放大器替換原脈沖調制雷達中的磁控管形成發射脈沖，典型峰值功率50W和80W，相比原先脈沖調制雷達KW級別的峰值功率，功耗大幅降低，大大降低電磁輻射。

②脈沖壓縮技術應用：當同一方位上兩個目標回波信號間距在一個信號脈沖寬度內時，這兩個回波信號由于形成同時散射，必然相連在一起而無法分辨，因此距離分辨單元為：脈沖寬度＊光速/2。脈沖調制雷達為提高檢測距離，必須使用寬發射脈沖，從而導致距離分辨力降低；隨著脈沖壓縮技術的發展，發射寬頻帶的寬脈沖信號，并將回波信號壓縮處理成窄脈沖的雷達，獲得高距離分辨力。脈沖壓縮雷達能有效地解決常規脈沖雷達中增大探測距離與提高距離分辨力的矛盾。對于傳統磁控管收發機，針對不同探測距離，具有短脈沖（50-120ns）、中脈沖（120-300ns）、長脈沖（300-600ns）、超長脈沖（600-1000ns）四檔可供選擇。對于固態收發機，針對不同探測距離，也具有短（50-120ns）、中（120-300ns）、長脈沖（300ns-100us）三檔可供選擇，固態收發機采用脈沖壓縮技術，接收脈沖通過匹配壓縮處理后，接收脈沖長度仍保持在50-100ns范圍內，從而雷達就能同時具有大的作用距離和高的距離分辨力。目前主流固態收發機產品脈沖壓縮比包括1500:1（terma5102）、600:1（terma 2202）和150:1（terma2201）。另外，固態接收機的動態范圍可以提高，有利于兼顧強弱回波信號。

③頻率分集和時間分集應用：頻率分集用來克服頻率選擇性衰落，接收的不同頻率信號進行疊加后，可有效降低目標信號起伏造成的信號損失和丟目標，提高雷達對目標回波的檢測能力，增大雷達的檢測距離，同時也提高系統的抗干擾性，特別對電磁環境差、同頻干擾嚴重及抗雨雪雜波有一定作用。時間分集用來克服多路徑衰減，將同一信號相隔一定的時隙進行多次重發，只要各次發送的時間間隔大于信道的相干時間（多普勒頻展的倒數），則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨立的幾個信號。磁控管雷達收發機和固態雷達收發機技術性能對比見表1。

表1 磁控管雷達收發機和固態雷達收發機技術性能對比

固態雷達收發機較磁控管收發機有著明顯的優勢，重點覆蓋水域可選用雙機熱備模式，一般覆蓋水域可選用單機配置模式，工程中需進一步結合站點實際情況進行綜合比選。

2.2 甚高頻通信子系統

甚高頻通信（Very High Frequency，VHF）是VTS向船舶提供信息服務、交通組織服務和助航服務等日常通信業務的主要手段。目前我國海事VHF通信多采用25W/50W電臺，船載VHF與各海事管理部門之間通過固定基站接入與電路交換結合的模式實現區域內模擬話音通信，該種模式難以擴展其他多媒體應用，越來越難以適應目前多元化的應用需求。VHF通信系統應采用成熟先進技術VIOP交換系統建設方案，提升甚高頻通信系統的信息化程度。電路交換和VOIP交換對比見表2。

表2 電路交換和VOIP交換對比

2.3 數據綜合處理子系統

數據綜合處理子系統的組成包括雷達數據處理系統和多傳感器綜合處理系統兩部分。其中，雷達數據處理設備對雷達采集信號模數轉換，并進行雜波處理、目標檢測、錄取跟蹤、數據壓縮等。多傳感器數據綜合處理設備將來自各前端雷達數字視頻和跟蹤數據、AIS/BDS數據以及甚高頻測向數據等進行融合處理，實現多雷達目標的跟蹤、自動識別和交通形勢評估；并對雷達目標、AIS/BDS目標進行險情預判和警示、CCTV視頻聯動跟蹤等綜合處理。升級后的數據綜合處理子系統應提升大數據處理能力：抽取、清洗和融合各類多元異構數據，降低虛警和漏警概率，提高監管目標方位識別精度、距離識別進度、定位精度，并對歷史數據進行深入挖掘，通過機器學習歷史數據內在規律，實現對監管目標的智能化分析，實現高質量、高效率和人性化的船舶交通管理。

目前VTS先進產品能達到單臺多傳感器綜合處理器處理不少于20000個目標，如需進一步提升融合目標處理容量，可在此基礎上通過建立分區處理機制，綜合運用并行計算、航跡融合等技術，實現多核CPU或多機負載均衡的集群綜合處理。

2.4 交通顯示與控制子系統

交通顯示與控制子系統是VTS系統人機交互接口。國產VTS系統通過數據分類，元數據抽取、數據封裝等技術，對庫表結構、數據格式統一設計，支持VTS和MIS共享共用一套數據，并建立C/S和B/S不同體系架構的高效可靠通信機制，實現雙方信息高度共享，支持全過程一體化聯動操控。目前VTS中心指揮調度系統基本采用傳統方式搭建，采用傳統矩陣+KVM傳輸器+液晶屏+處理器組成的大屏顯示系統，設備繁多對接復雜，集中式架構故障風險高，系統規模升級擴展受到限制。應升級改造為分布式顯示控制系統，其采用IP化完全分布式構架，圖控及傳輸系統不依賴于服務器、工作站或者是變相安裝在電子計算機上的軟硬件；避免服務器出現宕機現象或者傳統物理機箱故障而導致的系統癱瘓的風險；穩定度更好，顯示、控制和傳輸高度融合，可實現跨樓層、跨區域大規模的信號互聯互通。

圖1 集群綜合處理示意圖

2.5 管理信息子系統

管理信息子系統（Management Information System，MIS）是對VTS所涉及的數據信息進行存儲、維護和使用的信息管理系統。MIS利用數據庫、數據庫管理系統與VTS船舶動態數據交互、網絡集成等技術，通過對VTS中相關業務的信息集成，延伸信息的流程。

升級后的MIS系統應具備大數據統計分析應用功能：①數據統計方面，綜合利用系統掌握的船舶基礎數據、接入的二級數據中心數據、船舶動態數據、航行計劃、雷達航跡、AIS航跡等數據，實現船舶交通流量統計、違章統計、事故統計、重點船舶統計、錨地船舶統計、錨地拋錨超時統計、值班統計、進出轄區統計等，并支持統計結果的可視化，包括報表、直方圖、餅圖、曲線圖、熱力圖等，支持統計數據的打印輸出。②數據分析方面，能夠接入港口、航運單位的船舶數據、物流數據、交易數據、船運數據、貨物數據等，實現對轄區水域的航運情況進行統計，生成重點貨物（油、礦、煤等）的物流分析和相關指數分析。③數據應用方面，利用統計、分析的各類數據結果，結合氣象信息、交通態勢、通航環境、管控措施等，對水上安全風險進行動態評估，對轄區水域船舶提供安全預警提醒。

省級聯網的VTS-MIS系統邏輯架構可參考圖2，在省局建設VTSMIS數據共享交換中心，收集各分支局VTS中心匯聚報出的標準化后的船舶位置、軌跡、航次、狀態等數據。在各分支局VTS中心建設VTS-MIS數據緩存庫和共享協同數據庫，負責將VTS-MIS系統中的船舶位置、軌跡、航次、狀態等數據進行抽取、解析、清洗等處理，存入新建的VTS緩存數據庫中，再通過數據同步功能，將其同步接入省局VTS-MIS數據共享交換中心，并提供給二級數據中心。同時，根據各分支機構的應用需求，將二級數據中心共享數據庫部分內容向下同步到各分支局的共享協同數據庫。

圖2 數據共享交互系統邏輯架構

2.6 記錄與重放子系統

記錄重放子系統記錄雷達數字視頻、跟蹤數據、AIS/BDS數據和甚高頻話音、系統操作/狀態等信息，各數據之間要求實時同步。傳統集中式存儲包括DAS直連存儲、NAS/SAN集中存儲。其中DAS存儲與計算直連故靈活性較差；集中存儲設備類型豐富，通過IP/FC/FCOE網絡直連，具備一定的擴展性，但受控制器能力限制，擴展能力有限，設備到壽命更換數據遷移耗時耗力。隨著網絡信息化不斷進步，分布式存儲應運而生，長期大規模應用于互聯網，追求擴展性和低成本，并在逐步構建企業級存儲能力。針對本系統數據結構，可引入MongoDB數據庫或非關系型數據庫HBase（Hadoop Database），其中MongoDB是介于關系數據庫和非關系數據庫之間的產品，具備敏捷性、可伸縮性、擴展性、高性能等特點，集群至少由主節點、從節點和仲裁節點3臺服務器組成，同時可在每臺節點上進行數據分片，實現數據均衡分布。利用HBase可以在廉價的X86服務器上搭建起大規模存儲集群，HBase具備高可靠、高性能、面向列和可伸縮特性，并結合虛擬時鐘技術和雙線程、雙緩沖的協同控制技術，可實現多元異類記錄數據的按需組合、同步重放。

3.國產船舶交通管理系統關鍵技術及應用

隨著信息技術的持續進步和海事機構智能化需求越來越高，國內VTS廠家經過長期需求調研、集中研討、開發與試運行，不斷地完善國產船舶交通管理系統功能，其關鍵技術及應用包括水上目標智能感知與識別、立體動態交通態勢展示、電子化智能值班、通航異常動態分析與智能告警、應急事件智能化流程定制與處置、電子巡航一鍵化生成與執行等。

4.結束語

船舶交通管理系統工程建設方案至關重要，設計人員、項目管理及項目決策人員應在滿足管理、使用需求的基礎上結合新技術不斷完善建設方案。力爭在現有VTS系統基礎上，大幅提升系統檢測、數據分析與處理能力，提升數據分析、交換和信息共享能力，讓交管工作更智能，進一步提升海事管理精細化水平和提高突發事件應急保障能力。