軍港碼頭智能監控系統總體設計

吳 昊, 高 嵬

應用研究

軍港碼頭智能監控系統總體設計

吳 昊1, 高 嵬2

（1. 中國海警局，北京 100089；2. 海軍工程大學，武漢 430033）

本文研究基于物聯網技術和智能決策支持技術構建一種智能化的港口管理系統，旨在提升軍港運營能力和管理水平。在構建港灣礁石等靜態目標的港口態勢圖的基礎上，利用RFID技術管理港口內貨物的物流信息，結合GPRS技術和艦艇位姿、港口環境監測等傳感器，在態勢圖中對港口近海域內艦艇的姿態方位、運行軌跡等進行標識，實現對港口環境的監測和目標監控功能。進一步利用智能決策支持系統技術實現對港口近海海域艦船的智能調度，不僅可以顯著提高軍港的運營效率，也有利于提升反偵察能力和艦船的安全、高效快速機動。

港口 智能監控 物聯網技術 智能決策

0 引言

隨著國際貿易不斷發展、遠航互訪日趨頻繁，大量軍用艦船下海服役、民用船舶投入使用[1-2]，港口資源的需求日益增大。近年來，我國不斷加快選址新建港口碼頭、擴大現有港口容量的步伐，但依然難以跟上使用需求的增速。因此，有限港口資源的高效管理顯得越來越重要。

適宜建港的海岸線，或已建有港口，或已納入規劃，隨著大量民用港口的改擴建，致使軍港與民用港口間的距離越來越近，港口附近海域經常出現航道共用、交叉等情況，在此環境下，軍港的反偵察問題變得日趨復雜，艦艇的快速機動也難以得到有效保證[3]。

智能化管理技術是一種以計算機技術、云計算技術為核心的信息化管理技術[4]，將其應用于軍港碼頭管理，可通過視頻及雷達監測系統、衛星定位系統、智能路徑規劃系統等，實現現代化船舶調度，利于艦船的安全、高效快速機動，也利于軍港的整體反偵察能力提升。

我國已是海運大國，必將成為海洋強國，利用現代化技術引導規范海上交通、優化配置有限資源是管理技術應用的必然趨勢。軍港的智能化、信息化建設還處于起步摸索階段，本文主要是研究設計軍港智能監控系統，同樣適用于民用港口碼頭管理。

1 系統功能設計

軍港碼頭智能監控系統是一個大型信息化集成系統，采用無線物聯網芯片、艦艇位姿速度傳感器、大數據、智能軌跡規劃、智能決策支持系統等先進技術，實現對港口近海海域、航道、港灣礁石和艦船的實時監控，并向港口管理人員呈現艦船航行綜合態勢[5]，提供指揮調度接口。港口監控系統綜合態勢示意圖如圖1所示。系統總體功能主要分為三個方面，分別為港口環境監測、目標監控和智能調度。

圖1 港口監控系統綜合態勢示意圖

1）港口環境監測

港口區域的海流及氣象信息對艦船航行指揮至關重要，因而，系統需要設計接收來自氣象部門發布的信息接口。同時，需對本地水域信息進行實時采集，包括使用水文傳感器采集海水溫度、鹽度，使用氣象傳感器采集氣溫、氣壓、風向、風速、溫度、濕度及能見度等。而后，系統對采集到的信息進行智能分析，最終向指揮員預報天氣和海流情況，輔助形成決策指揮調度方案。

2）水域內各目標的監控

一方面，系統需要設計可以接收海上交通管理中心發布的信息接口，港口外部事件對指揮調度存在顯著影響，是必須考慮的重要事項，有必要提前知曉此類事件并做出相關決策。另一方面，系統通過雷達、攝像和無線物聯網等技術對港口區域內的目標信息進行采集，使系統實時、全面感知港口內的艦船。

3）智能決策

軍港近海航道管理的智能決策是指以提供信息輔助決策方式或全自動方式指揮軍港近海艦船的有序航行，其主要內容包括兩個方面：一是在詳細感知航行環境的前提下，利用智能決策系統做出路徑規劃，驅使艦船前往目的地的自動導航及駕駛技術；二是對比知識庫自動識別軍港內艦船的航行是否符合規定，對于違規航行及偶然事故，產生警報并及時向指揮調度人員呈現，對于疑似偵查行為，允許操作人員或智能系統與可疑船舶進行緊急通信，或控制無人機、無人艇進行抵近偵察、喊話驅離。

2 主要技術組成

軍港碼頭智能監控系統涉及的主要技術包括三個方面，分別是基于RFID的智能物流技術、GPRS物聯網技術和智能化管理技術。

1）智能物流技術

研究利用智能物流技術對港口物流交通進行統一高效管理，既能大幅度減少管理人員數量，降低運營成本，也能促使各作業流程的密切協同，以及各類數據的整合共享，實現物流鏈的優化配置，提升輔助決策的精準性。

智能物流技術是指通過無線射頻識別(RFID)技術，將目標信息接入互聯網，從而實現智能化的識別、定位、和管理[6-7]，適用于港口內目標的管理。通過在目標上標識RFID電子標簽，重要目標應當對電子標簽進行加密。目標的物聯網過程需配合港口的實際業務流程進行處理，以確定電子標簽及其識別器的安裝位置。

智能物流系統平臺架構通過網絡服務器(Web Service, WS)技術集成，有效實現終端與WS之間的通信，實時地感知和采集港口作業數據，并發送至岸基管理系統。

2）GPRS物聯網技術

利用RFID技術雖然可以實現對目標進行簡單定位，但無法在線實時監控，尤其是對于艦船此類動態目標，因此，艦船需采用更為先進的物聯網技術進行管理，即GPRS技術。艦船的實時位置是重要的國防信息，隨著國產化衛星導航系統（北斗導航系統及其制導芯片的廣泛應用）的大規模使用，利用GPRS實現大范圍內眾多目標的物聯網已成為可能[8]。通過在所有艦艇上安裝GPRS定位芯片，并將各艦艇按照實際尺寸進行建模，在港口詳細地理信息的基礎上，再結合RFID和GPRS技術，即可形成港區整體態勢的電子監控圖，進一步利用視頻和雷達系統進行校正，確保向指揮調度人員顯示準確實時結果。

GPRS物聯網信號覆蓋主要是為了實現港口資源的實時監控與集中管理。首先，各港口資源應處于被監控狀態，通過無線物聯網技術對各目標進行標識和覆蓋，包括類型、體積等關鍵信息，例如：對所有艦艇長度吃水、姿態方位、運行軌跡等進行標識，并在港口視頻管理窗口中進行集中展示。其次，指揮調度命令應確保穩定傳輸，智能化監控過程中將產生龐大的數據流，而港口基站建設環境比陸地更為復雜[9-10]，為了確保語音、視頻等數據的高效穩定傳輸，應推進5G基站的無死角覆蓋，為智能化監控提供穩定、快速的網絡支持。

為了確保目標的穩定、準確監控，在無線物聯網技術的基礎上，增設海域視頻自動校準模型，兩套系統協同配合，對港口內目標進行監視，可以實現系統自檢。

3）智能化管理技術

智能化管理技術是智能監控系統的重要組成部分，也是最為關鍵的技術，其核心內容包括艦艇的自動駕駛決策支持系統和自動疏導航道支持決策系統的研制。

3 關鍵技術的研究與實現

1）決策支持系統的網絡組成

兩種智能決策支持系統(Decision Support System, DSS)在網絡層面上可劃分為3個層次：1)直接面向使用者的應用層，DSS進行系統推理運算，將可執行方案及預期結果呈現給用戶，用戶可通過人機接口進行系統對話，輸入指揮調度信息；2)由系統中各控制協調模塊組成的控制協調層，通過標準接口建立聯系；3)面向程序設計人員的基本架構層，通過該層對各子模塊進行具體的定義，包括軌跡算法設定、模塊間通信方式、觸發函數等[11]。由客戶端、服務器、數據庫、模型庫和知識庫組成，具體如圖2所示。

圖2 智能決策系統的組成

其中客戶端是DSS的指揮調度人員與系統進行信息交流的人機交互接口，通過客戶端，用戶可以實時干涉軌跡規劃問題的求解。服務器是DSS分析問題并向用戶提供求解決策結果的部件，首先需要對用戶提出的問題進行識別和分析，進而構造解決問題的方法模型，并提取所需的算法和數據，最后對問題進行推算，在推算完成后制定決策方案并通過客戶端呈現給用戶。數據庫是用于存放系統數據。模型庫用于存放各種模型。知識庫主要是管理有關決策問題領域的知識。

2）決策支持系統的狀態機模型

有限狀態機模型因為簡單、執行效率高，是無人駕駛領域目前最廣泛的行為決策模型[12-13]。因此，本研究中港口艦艇自動駕駛決策支持系統和自動疏導航道決策支持系統的研制均基于有限狀態機模型架構，利用MATLAB/Simulink軟件的狀態機(Finite State Automata, FSA)編程語言構建，使用有限的有向連通圖來描述不同的駕駛狀態以及狀態之間的轉移關系，從而根據狀態的遷移反應式地生成執行方案。

無人艇自動駕駛決策系統的狀態機流程如圖3所示，自動疏導航道系統的狀態機流程如圖4所示。在有限狀態機模型中，無人艇根據當前環境選擇停泊、換道、巡航等合適的駕駛行為。

圖3 無人艇自動駕駛決策系統的狀態機流程

決策支持系統狀態機模型的軟件構架可分為全局路徑規劃層（Route Planning, RP）、行為決策層（Behavioral Layer, BL）和運動規劃層（Motion Planning, MP）三個層次。其中，RP層是指在接收到設定目的地后，結合態勢圖信息，生成一條全局路徑，作為后續具體路徑規劃的參考；BL層是指執行主體在接收到全局路徑后，結合環境感知信息做出行為決策（例如無人艇執行切換航道或巡航命令）；最后，MP層根據具體的行為決策，規劃生成一條滿足特定約束條件的軌跡，并作為控制模塊的輸入決定最終執行方案。

圖4 自動疏導航道系統的狀態機流程

4 結語

充分利用有限的港口資源，是新時代港口管理的必然發展趨勢。利用物聯網技術、智能決策技術等現代化手段建立智能化港口管理系統，不僅可以顯著提高軍港的運營效率，也有利于提升反偵察能力和艦船的安全、高效快速機動。本文提出了一種智能監控系統總體設計方案，重點說明了主要技術組成和關鍵技術的實現方法，包括智能物流技術、GPRS物聯網技術和智能化管理技術。

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Overall design of intelligent monitoring system for military port and wharf

Wu Hao1, Gao Wei2

(1. China Coast Guard, Beijing 100089, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP277

A

1003-4862（2023）12-0020-04

2023-05-18

國家自然科學基金項目（51807197）

吳昊（1989-），男，工程師。研究方向：港口航道與近岸工程管理。E-mail：depin@163.com