楊品福

(長江航道局 規(guī)劃基建處，湖北 武漢430010)

內(nèi)河水運具有運能大、占地少、能耗低等優(yōu)勢，特別是長江干線已成為世界上運量最大、運輸最繁忙的通航河流，對促進流域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。然而，在長江上游分布有大小幾十個控制河段，這些航段中大都水深流急、狹窄、灘多，對船舶安全航行構(gòu)成威脅。

助航系統(tǒng)是幫助內(nèi)河船舶安全、經(jīng)濟和便利航行而設(shè)置的重要航道通航輔助設(shè)施，包括視覺航標(biāo)、無線電航標(biāo)以及控制河段信號臺等［1－2］。

傳統(tǒng)的助航系統(tǒng)主要采用視覺航標(biāo)、懸掛通行信號標(biāo)志牌等方法控制船舶航行。沿江經(jīng)濟的高速發(fā)展，帶來了水運的空前繁榮，航行在內(nèi)河的船舶密度、船型及營運組織形式發(fā)生了很大變化，在霧天、夜晚能見度低等復(fù)雜通航環(huán)境條件下，對助航設(shè)施提出了新的要求［3－4］。筆者主要研究內(nèi)河航道助航智能化的關(guān)鍵技術(shù)，提出了內(nèi)河航道智能助航系統(tǒng)研制與應(yīng)用的技術(shù)路線，從內(nèi)河航道助航系統(tǒng)設(shè)計方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用等層次上對系統(tǒng)開展了深入研究，研究結(jié)果對提高內(nèi)河航道服務(wù)品質(zhì)，提升內(nèi)河航道通過能力具有一定的作用。

1 內(nèi)河航道AIS 關(guān)鍵技術(shù)研究

船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)是一種工作在甚高頻(VHF)頻段雙固定頻點的窄帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)。它由船舶終端、助航設(shè)備終端、基站和搜救飛機等組成，是一種新型的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電子信息顯示技術(shù)等于一體的數(shù)字助航系統(tǒng)。AIS 通過VHF 頻道將船位、船速、航向及航向變化率等船舶動態(tài)信息及船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態(tài)信息向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近海面所有船舶的動靜態(tài)資訊，實現(xiàn)船舶之間的實時通信，會遇船舶可以據(jù)此采取必要避讓行動，對船舶之間的有效避碰，保障航行安全有很大幫助［5－6］。

AIS 系統(tǒng)中的每一個節(jié)點，都具有雙向的通信能力，從而為應(yīng)用拓展提供了極大的方便。以AIS 為基礎(chǔ)的多種技術(shù)結(jié)合，已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。其中，以AIS 與雷達、ARPA(automatic radar plotting aids)技術(shù)的結(jié)合，最為引人關(guān)注［7］。但是，由于控制河段地形環(huán)境的特殊性，AIS 技術(shù)在助航系統(tǒng)應(yīng)用中存在許多問題。如內(nèi)河環(huán)境的AIS 通信鏈路的可靠性不高、缺少內(nèi)河AIS 基站布設(shè)的評價手段、內(nèi)河AIS 船臺功能單一等。

通過現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)市區(qū)的非法無線電信號會對AIS 鏈路產(chǎn)生嚴重影響，不利于AIS 基站等設(shè)施的布設(shè)，但是長江中上游控制河段大多數(shù)位于鬧市范圍內(nèi)。試驗中還發(fā)現(xiàn)，同樣是162 MHz附近的干擾信號下降到一定程度時，這類干擾對AIS 鏈路無影響。因此，為適應(yīng)內(nèi)河控制河段鬧市、山區(qū)等特殊地理環(huán)境，在設(shè)計用于內(nèi)河AIS 終端設(shè)備過程中，應(yīng)加強抗干擾及功率自適應(yīng)方面的考慮。AIS 干擾噪聲分析及改進后的產(chǎn)品實物圖如圖1 所示。

圖1 AIS 干擾噪聲分析及改進后的產(chǎn)品實物圖

2 內(nèi)河控制河段雷達船舶識別裝置

雷達船舶信息識別裝置采用雷達技術(shù)可對船舶的航行狀況進行高效、準(zhǔn)確地識別，是港口、橋區(qū)等重要繁忙區(qū)域船舶監(jiān)管的主要手段。雷達船舶識別裝置通過雷達掃描對雷達覆蓋區(qū)域的船舶位置和航行狀況進行偵測［8］。它的優(yōu)點是可以實現(xiàn)覆蓋水域船舶的主動偵測而獲取船舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快、受霧天和夜晚等低能見度條件干擾較小。但是僅通過雷達信號無法獲取船舶如船名、呼號等靜態(tài)信息，且在地處控制河段的山區(qū)雷達信號易受干擾，給雷達信號的數(shù)字識別增加難度。在內(nèi)河控制河段智能助航系統(tǒng)設(shè)計中，綜合利用AIS、雷達、紅外視頻等多種手段獲取數(shù)據(jù)，對信號進行融合處理。主要融合處理方法如下:①雷達目標(biāo)與AIS 目標(biāo)數(shù)據(jù)的融合，通過GPS(global positioning system)時間同步，多次比較雷達跟蹤數(shù)據(jù)和AIS 目標(biāo)數(shù)據(jù)，在經(jīng)緯度位置與GPS 時間戳都比較相近的情況下，自動進行融合;②多個雷達目標(biāo)數(shù)據(jù)融合，通過GPS 時間同步，多次比較來自不同雷達的跟蹤數(shù)據(jù)，在經(jīng)緯度位置與GPS 時間戳都比較相近的情況下，自動進行融合;③雷達數(shù)字視頻與電子海圖疊加顯示，客戶端在接收到一條掃描線的雷達數(shù)據(jù)后，采用墨卡托投影公式算出雷達掃描線的顯示坐標(biāo)，在海圖顯示窗口內(nèi)添加一個雷達數(shù)字視頻圖層，并以高速的像素級處理方式進行疊加顯示;④雷達目標(biāo)電子海圖顯示，結(jié)合雷達目標(biāo)的位置、航向、速度等物理參數(shù)和AIS 數(shù)據(jù)中的船名、業(yè)主、任務(wù)等更加詳細的個體信息，在電子海圖上顯示所管理水域內(nèi)的處于作業(yè)、靠泊或航行狀態(tài)的船只;⑤預(yù)警區(qū)域報警，在電子海圖平臺上，操作人員可設(shè)定任意形狀的預(yù)警區(qū)域，系統(tǒng)自動對雷達目標(biāo)數(shù)據(jù)進行評估，確定重點監(jiān)視目標(biāo)，判斷船舶是否駛進禁航區(qū)或警戒線，當(dāng)有船舶越過警戒線或進入警戒區(qū)時，系統(tǒng)能夠自動報警。

雷達信息采集通信協(xié)議是后續(xù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸與服務(wù)模塊軟件實現(xiàn)的依據(jù)。系統(tǒng)整體采用的是C/S 結(jié)構(gòu)，使用TCP/IP 傳輸協(xié)議，雷達信息采集器作為客戶端連接系統(tǒng)。

3 內(nèi)河電子航道圖引擎研制關(guān)鍵技術(shù)

電子海圖是描述海域地理信息和航海信息的數(shù)字化產(chǎn)品，是數(shù)字海圖的一種。其內(nèi)容以海域要素為主，詳細表示航行障礙物、助航設(shè)施、港口設(shè)施和水流等要素，陸地著重表示沿海的航行目標(biāo)和主要地物地貌。

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)是指符合有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的船用電子海圖系統(tǒng)。它以計算機為核心連接定位、測深、雷達、AIS 等設(shè)備，以電子海圖為基礎(chǔ)，綜合反映船舶行駛狀態(tài)，為船舶駕駛?cè)藛T提供各種信息查詢、量算和航海記錄，是一種專題地理信息系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外水上運輸界使用的電子海圖是按照S－57 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電子航海圖(ENC)，S－57全稱為國際海道測量組織(IHO)第57 號特殊出版物《數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)被IHO 在S－52《電子海圖顯示與信息系統(tǒng)海圖內(nèi)容與顯示規(guī)范》中規(guī)定為用于國際間數(shù)字海圖交換的官方海圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。從嚴格意義上講，它僅是一個數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式是一個順序讀取的文件格式，不可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索，因此，常規(guī)的GIS 顯示產(chǎn)品(如ARC GIS 等)不適合應(yīng)用于電子海圖顯示系統(tǒng)。在筆者研制的系統(tǒng)中，應(yīng)用了自主開發(fā)的基于S－57 標(biāo)準(zhǔn)的電子航道圖引擎。

在基于S－57 標(biāo)準(zhǔn)的電子航道圖引擎開發(fā)過程中，提出了長江電子航道圖動態(tài)更新機制，解決了電子航道圖標(biāo)繪及實時更新、船位快速更新等技術(shù)，提出了基于電子航道圖信息的三維航道曲面構(gòu)建方法，研制了長江電子航道圖開發(fā)引擎，解決了長江電子航道圖應(yīng)用核心技術(shù)問題。

4 內(nèi)河控制河段多功能航標(biāo)裝置

航標(biāo)燈是為保證船舶在夜間安全航行而安裝在某些航標(biāo)上的一類交通信號燈。它在夜間發(fā)出規(guī)定的燈光顏色和閃光頻率，達到規(guī)定的照射角度和能見距離。航標(biāo)燈有固定燈標(biāo)、燈浮標(biāo)、燈船和燈塔4 種。固定燈標(biāo)、燈浮標(biāo)和燈船是作導(dǎo)航和警告用的信標(biāo)，燈塔在海上晝夜發(fā)出可識信號，供船舶測定位置和向船舶提供危險警告［9－10］。航標(biāo)燈多使用蓄電池、太陽能電池作電源，較大型燈塔則采用柴油發(fā)電機組作為主電源。

航標(biāo)主要功能是在夜間為過往船只提供定位參考信號，其工作是否正常直接影響船舶安全航行［11］。然而，傳統(tǒng)航標(biāo)燈工作狀態(tài)主要依賴人工巡查，存在檢查不及時等問題。同時，航標(biāo)地處航道重要位置，可利用其作為載體，實時采集水流、水深和水位等信息。

多功能航標(biāo)設(shè)計的思想是不間斷監(jiān)測航標(biāo)燈工作狀態(tài)、水流、水深、水位、電池剩余容量和浮標(biāo)船所處位置等信息，并實時傳送至岸上監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心還可以遠程控制航標(biāo)燈的開關(guān)。多功能航標(biāo)終端不影響航標(biāo)燈和太陽能電池的工作，當(dāng)多功能航標(biāo)終端出現(xiàn)故障時，航標(biāo)燈仍能獨立工作，并保持原有燈質(zhì)功能。

對于浮標(biāo)，研究中設(shè)計了傾斜報警和撞擊報警功能。由于浮標(biāo)撞擊情況比較復(fù)雜，采用撞擊報警等級可調(diào)的方式。浮標(biāo)船上供電主要依靠太陽能蓄電池，電池容量有限，因此要求系統(tǒng)具有低功耗特點。為降低設(shè)備功耗，系統(tǒng)設(shè)計中采用最低功耗特點的睡眠機制。正常情況下，只做一般的定期數(shù)據(jù)上傳，但在系統(tǒng)有告警發(fā)生或管理中心下達控制命令時，喚醒系統(tǒng)，即無論終端處于何種工作狀態(tài)，終端射頻模塊接收后立即激活主系統(tǒng)工作，實現(xiàn)實時的觸發(fā)功能。

在控制河段多功能航標(biāo)設(shè)計中，其主要功能可歸納為如下幾點:

(1)遙測功能。實時檢測浮標(biāo)經(jīng)緯度位置信息，撞擊加速度、蓄電池輸出電壓、工作電壓和電流、太陽能充電電壓和電流。遙測航標(biāo)燈工作狀態(tài)(運行/關(guān)閉/熄滅)、燈質(zhì)信息(預(yù)設(shè)燈質(zhì)/當(dāng)前燈質(zhì))、日光值、日光閾值(可以修改)，以及工作電流。遙測多功能航標(biāo)的溫度、濕度、大氣壓強、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、水流和水深等航道水文氣象信息，為航道監(jiān)管提供實時信息服務(wù)。

(2)遙控功能。通過監(jiān)控軟件可遠程實施多功能航標(biāo)終端的遙控功能，每條遙控設(shè)置指令都有獨立的編號和嚴格的應(yīng)答機制，系統(tǒng)自動記錄操作人、操作時間、操控內(nèi)容和結(jié)果。操作遙控設(shè)置功能包括:航標(biāo)船正確位置定位，漂移報警距離設(shè)置，工作模式設(shè)置(休眠、省電、輪巡、報警模式)，航標(biāo)燈的工作參數(shù)設(shè)置，以及航標(biāo)燈的強制開關(guān)遠程操作等。

(3)實時報警功能。系統(tǒng)設(shè)計中，將數(shù)據(jù)采集、報警判斷、工作模式轉(zhuǎn)換等功能在航標(biāo)終端上完成，提高了報警的主動性。航標(biāo)終端始終處于運行狀態(tài)中，當(dāng)發(fā)生欠壓、過壓、充電異常、漂移、燈質(zhì)錯誤、狀態(tài)錯誤(白天燈亮或晚上燈滅)、碰撞、能見度過低、水深不足、水流過快等異常情況時，終端設(shè)備主動上傳報警信息，實現(xiàn)航標(biāo)實時報警功能。

(4)現(xiàn)場維護功能?；鶎雍綐?biāo)維護工作人員在航標(biāo)站船上通過現(xiàn)場多功能航標(biāo)終端監(jiān)控器可以對本站所管轄的航標(biāo)實現(xiàn)以上遙測遙控功能，實現(xiàn)轄區(qū)航標(biāo)的數(shù)據(jù)查詢和圖文統(tǒng)計分析。航標(biāo)維護人員到達現(xiàn)場還可以通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口用便攜電腦直接對多功能航標(biāo)終端進行檢驗，調(diào)測多功能航標(biāo)的實時和歷史數(shù)據(jù)，完成遙控設(shè)置操作，實現(xiàn)航標(biāo)的現(xiàn)場維護。多功能航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及安裝實物如圖2 所示。

圖2 多功能航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及安裝實物圖

5 內(nèi)河控制河段助航示范系統(tǒng)設(shè)計

為推廣內(nèi)河控制河段助航關(guān)鍵技術(shù)研究成果的應(yīng)用，筆者選擇了長江重慶某信號臺及其指揮的控制河道進行智能助航系統(tǒng)的示范試點。該信號臺及其指揮的控制河道具有典型意義，其位于市區(qū)，且匯集了川江航道彎、窄、淺、險特征;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、灘險密布、霧大瘴濃，航行條件比較惡劣，其界面截圖如圖3 所示。系統(tǒng)設(shè)計建立了雷達系統(tǒng)、AIS 系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控(CCTV)系統(tǒng)、多功能航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)和水位測量系統(tǒng)等。通過與航道業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合，在統(tǒng)一電子航道圖界面上顯示控制航道水域的助航信息，如雷達、AIS、CCTV、航標(biāo)工作狀態(tài)和水文氣象等數(shù)字航道信息，方便管理人員直觀了解控制航道的全方位實時情況，提高監(jiān)管效率;系統(tǒng)還可以對歷史數(shù)據(jù)進行回放，真實還原事件現(xiàn)場;通過對多種數(shù)據(jù)源的綜合統(tǒng)計分析，為緊急狀態(tài)下輔助決策提供支持，提高航道應(yīng)急指揮水平。

圖3 示范系統(tǒng)地理位置及軟件界面截圖

整個系統(tǒng)由監(jiān)控服務(wù)器、航標(biāo)遙測遙控終端、水深遙測遙報終端、AIS 船臺、雷達系統(tǒng)、CCTV 系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體框架如圖4 所示。

圖4 示范系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控服務(wù)器負責(zé)航標(biāo)遙測遙控終端、水深遙測遙報終端、AIS 船臺等各種信息收集、雷達數(shù)據(jù)處理，以及控制河段視頻數(shù)據(jù)采集等;可通過圖形化人機界面，監(jiān)視、查詢和分析設(shè)備運行信息;監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，并可以為上級監(jiān)測系統(tǒng)提供航道設(shè)備運行信息。

客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢，顯示航標(biāo)、航道和工作船舶等信息。

智能航道監(jiān)控平臺負責(zé)整合監(jiān)控服務(wù)器中的各種數(shù)據(jù)資源，包括航標(biāo)數(shù)據(jù)、航道水深數(shù)據(jù)和船舶數(shù)據(jù)等。

航標(biāo)遙測遙控終端是航標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集平臺，負責(zé)采集、控制并發(fā)送航標(biāo)設(shè)備的運行參數(shù)，執(zhí)行監(jiān)控服務(wù)器下達的遙控指令。

水深遙測遙報終端負責(zé)采集并發(fā)送水深數(shù)據(jù)，執(zhí)行監(jiān)控服務(wù)器下達的遙控指令。

航道維護工作船AIS 船臺為船舶提供導(dǎo)航和避碰服務(wù)，并實時廣播船舶的航行信息。

通信系統(tǒng)由ZigBee 岸基、AIS 岸基以及光纖網(wǎng)絡(luò)組成，負責(zé)傳輸航標(biāo)運行參數(shù)及控制航標(biāo)指令數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)視覺航標(biāo)無法完全滿足內(nèi)河船舶助航需求，控制河段船舶指揮效率有待提升等問題，結(jié)合助航系統(tǒng)的新內(nèi)涵，筆者討論了以內(nèi)河航道助航系統(tǒng)的科學(xué)布設(shè)、創(chuàng)新設(shè)計以及智能應(yīng)用為目標(biāo)，提出了內(nèi)河航道智能助航系統(tǒng)研制與應(yīng)用的技術(shù)路線，研究了內(nèi)河航道助航系統(tǒng)設(shè)計方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、裝備開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，同時，介紹了內(nèi)河控制河段智能助航系統(tǒng)功能設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用結(jié)果表明，筆者提出的關(guān)鍵技術(shù)能夠滿足復(fù)雜地形環(huán)境的控制河段通航數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，取得了較好的應(yīng)用效果。

［1］ 黃錦標(biāo). 內(nèi)河海事監(jiān)管模式探索［J］. 世界海運，2010(10):147－150.

［2］ PAKE J H. Establishment of aids to navigation management and information center［C］//XVth IALA Conference.［S.l.］:［s.n.］，2002:276－282.

［3］ 中華人民共和國交通運輸部.航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2010:32－98.

［4］ 艾廷華，王洪.電子航道圖與航標(biāo)遙測監(jiān)控系統(tǒng)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2008，33(4):347－351.

［5］ 魏武財，鄭佳春，何小兵. 基于AIS 的航標(biāo)助航信息服務(wù)系統(tǒng)［J］. 集美大學(xué)學(xué)報，2011，16(3):107－111.

［6］ 袁安存，張淑芳. 通用船載自動識別系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2005:76－103.

［7］ TETREAULT B J. Use of the automatic identification system(AIS)for maritime domain awareness［C］//Proceedings of Mrs/IEEE Digital Object Identifier.［S.l.］:［s.n.］，2005:6－13.

［8］ RICKETT B. A vision of future applications for an automotive radar network［C］//The 1st International Workshop on Intelligent Transportation (WIT 2004).Hamburg:［s.n.］，2004:23－24.

［9］ 鄭佳春.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電子航標(biāo)系統(tǒng)研究［J］.中國航海，2008，31(3):214－217.

［10］吳允平，陳聰慧，李旺彪，等.嵌入式航標(biāo)遙測監(jiān)控終端的研制［J］.微計算機應(yīng)用，2008，29(12):83－86.

［11］張杏谷，魏武財，彭國鈞，等.電子航標(biāo)服務(wù)信息系統(tǒng)(E－ANSI)的研究［J］.中國航海，2007(3):22－25.