大連海事大學(xué)航海學(xué)院 王起超 王笑琳 馬春超 周斌斌

內(nèi)河船舶智能航行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

大連海事大學(xué)航海學(xué)院 王起超 王笑琳 馬春超 周斌斌

為進(jìn)一步提高內(nèi)河船舶的智能化和信息化水平，定義面向內(nèi)河的船舶智能航行系統(tǒng)的概念，提出智能航行系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)船舶通導(dǎo)設(shè)備及岸基云服務(wù)平臺提供的信息支撐，設(shè)計(jì)12種智能預(yù)報(bào)警的類型、語音服務(wù)內(nèi)容和圖標(biāo)，介紹偏航及橋區(qū)等智能預(yù)報(bào)警的算法流程，并最終展示 語音、警報(bào)燈和圖標(biāo)3種形式的智能預(yù)報(bào)警顯示效果。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶航行全過程中的智能預(yù)報(bào)警功能。

智能航行系統(tǒng)；智能預(yù)報(bào)警；內(nèi)河船舶；語音服務(wù)內(nèi)容；圖標(biāo)設(shè)計(jì)

黨和國家高度重視內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展，2014年7月16日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃的批復(fù)》，原則同意珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃，這意味著珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展正式上升為國家戰(zhàn)略［1］。2011年1月，國務(wù)院提出要用10年左右的時(shí)間，建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系。要建設(shè)現(xiàn)代化內(nèi)河航運(yùn)體系，首先應(yīng)解決安全問題。內(nèi)河航行環(huán)境復(fù)雜多變，橋梁林立、河道彎曲、渡口眾多、水位漲落不定等［2］，給船舶的安全航行帶來很大的困擾，低智能化的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)已不能適應(yīng)內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展。

一、智能航行系統(tǒng)基本概念

智能航行系統(tǒng)是利用通導(dǎo)設(shè)備自動(dòng)地感知并獲取各種航行相關(guān)信息，并能實(shí)時(shí)地接受岸基云服務(wù)平臺提供的各種信息，通過數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，為船舶駕駛員不斷地提供各種預(yù)報(bào)警支持，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶安全航行的系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

在信息采集模塊中，一方面，船舶通導(dǎo)設(shè)備應(yīng)用VTS、AIS、RFID、CCTV、北斗衛(wèi)星等技術(shù)手段，形成多方位立體化的航運(yùn)要素信息感知體系，實(shí)現(xiàn)船舶對助航設(shè)施、礙航物等航行環(huán)境的智能感知；另一方面，將先進(jìn)的船岸一體化系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、云計(jì)算等技術(shù)綜合運(yùn)用于岸基云服務(wù)平臺，通過對交通設(shè)施、信息資源的實(shí)時(shí)采集、挖掘和處理，為智能預(yù)報(bào)警算法模塊提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的信息支撐，提高船舶航行的安全和效率，岸基云服務(wù)平臺功能流程見圖2。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 岸基云服務(wù)平臺功能流程

知識庫是由一般的基礎(chǔ)理論和原理（如航海學(xué)、輪機(jī)工程、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、大地測量學(xué)、地理信息系統(tǒng)等）以及直接和間接經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成，它是判定預(yù)報(bào)警類別的理論基礎(chǔ)。

規(guī)則庫主要是指《內(nèi)河避碰規(guī)則》。為加強(qiáng)我國內(nèi)河交通管理，維護(hù)船舶航行秩序，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，促進(jìn)水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸現(xiàn)代化，交通運(yùn)輸部制定了《內(nèi)河避碰規(guī)則》。在中華人民共和國境內(nèi)江河、湖泊、水庫、運(yùn)河等通航水域及其港口航行、停泊和作業(yè)的一切船舶、排筏均應(yīng)當(dāng)遵守本規(guī)則［3］。

物標(biāo)數(shù)據(jù)庫（空間及特征）主要用于存儲(chǔ)信息采集模塊提供的物標(biāo)數(shù)據(jù)，這些物標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能預(yù)報(bào)警的重要依據(jù)，分為三種類型：在電子航道圖中，各種航標(biāo)、沉船/暗礁等水下危險(xiǎn)物、臺風(fēng)是以“點(diǎn)物標(biāo)”的形式存在的；橋區(qū)、渡口、淺水區(qū)等區(qū)域的預(yù)警線是以“線物標(biāo)”的形式存在的；而施工作業(yè)區(qū)/軍事演習(xí)區(qū)、橋區(qū)、渡口、危險(xiǎn)區(qū)、航道等區(qū)域的報(bào)警面是以“面物標(biāo)”的形式存在的。

二、智能預(yù)報(bào)警的類型、語音服務(wù)內(nèi)容及圖標(biāo)集

首先建立12種內(nèi)河船舶智能預(yù)報(bào)警類型，并結(jié)合內(nèi)河的交通特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的語音服務(wù)內(nèi)容及圖標(biāo)集，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 智能預(yù)報(bào)警類型表

續(xù)表

三、智能預(yù)報(bào)警算法設(shè)計(jì)

智能預(yù)報(bào)警算法模塊由多個(gè)算法組成，以偏航報(bào)警算法及橋區(qū)預(yù)報(bào)警算法為例進(jìn)行介紹。

（一）偏航報(bào)警算法

為了充分利用內(nèi)河航道和減少船舶會(huì)遇幾率，航道采用分道通航制，所以將可航的深水安全航道分為上行區(qū)域和下行區(qū)域，船舶航行時(shí)嚴(yán)格按照上行和下行規(guī)定，在相應(yīng)的區(qū)域航行［4］。把上行和下行區(qū)域的所有航道面物標(biāo)組成一個(gè)航道面物標(biāo)集合，用于查詢、對比船舶的航向，以判斷船舶是否偏離航道或駛?cè)敕聪蚝降?。以西江為例，將起始港和目的港之間的內(nèi)河深水航道上行和下行區(qū)域分成若干個(gè)航道面物標(biāo)，如圖3所示。根據(jù)S-57數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這些航道面物標(biāo)有如下屬性［5］：

名稱：深水航道部分；物標(biāo)類：DWRTPT［41］

屬性：狀況STATUS 屬性值：14（公共的） 區(qū)別于顯示類

交通流TRAFIC 屬性值：【1】上行 【2】下行

圖3 航道數(shù)據(jù)組織示意圖

當(dāng)船舶航行時(shí)，遍歷所航行區(qū)域的航道面物標(biāo)，獲取航道面物標(biāo)集合。如果航道面物標(biāo)集合為空，則表明船舶已經(jīng)偏離深水航道，進(jìn)入淺水危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行“偏離航道報(bào)警”。如果航道面物標(biāo)集合不為空，則獲取航道面物標(biāo)的交通流屬性，與船舶的航行方向進(jìn)行比較，如果取值一致，則表明船舶航行于正確的航道上，不進(jìn)行報(bào)警；如果航道面物標(biāo)的交通流屬性與船舶航向不一致，則表明船舶已經(jīng)偏航到反向航道上，進(jìn)行“反向航道報(bào)警”。對于偏航到淺水區(qū)域或駛?cè)敕聪蚝降赖拇埃悄芎叫邢到y(tǒng)應(yīng)發(fā)出聲音報(bào)警，并在屏幕上顯示報(bào)警圖標(biāo)，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施，以避免事故發(fā)生，具體報(bào)警算法流程見圖4。

圖4 偏航報(bào)警算法流程圖

（二）橋區(qū)預(yù)報(bào)警算法

在電子航道圖中，增加預(yù)警線物標(biāo)和報(bào)警面物標(biāo)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)橋區(qū)預(yù)報(bào)警功能。以廣西貴港郁江大橋?yàn)槔?，如圖5所示，以橋墩連線為中心線，在橋梁的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)預(yù)警線物標(biāo)和一個(gè)報(bào)警面物標(biāo)，其中，紅色的區(qū)域標(biāo)志為上行區(qū)域，而黃色的區(qū)域標(biāo)志為下行區(qū)域。根據(jù)S-57數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)警線物標(biāo)和報(bào)警面物標(biāo)具有其自身獨(dú)特的屬性，便于區(qū)分物標(biāo)，具體屬性如下［5］：

1. 報(bào)警面物標(biāo)

名稱：橋區(qū)航道；物標(biāo)類：FAIRWY［51］

屬性：狀況STATUS 屬性值：9（強(qiáng)制性的） 區(qū)別于顯示類

交通流TRAFIC 屬性值：【1】上行 【2】下行

2. 預(yù)警線物標(biāo)

名稱：距離標(biāo)志；物標(biāo)類：DISMAR［44］

屬性：距離標(biāo)志類CATDIS 屬性值：2（桿形可視標(biāo)志）

交通流TRAFIC 屬性值：【1】上行 【2】下行

圖5 橋區(qū)數(shù)據(jù)組織示意圖

船舶航行過程中，判斷船舶與橋梁的距離是否小于預(yù)警設(shè)定值，如果距離大于預(yù)警設(shè)定值，則沒有危險(xiǎn)；否則，則判斷船舶航向與橋區(qū)預(yù)警線物標(biāo)的交通流是否一致。如果不一致，說明船舶已駛離橋區(qū)，不需要進(jìn)行預(yù)報(bào)警；如果一致，則把船舶看成一點(diǎn)，遍歷包含船舶所在位置的所有面物標(biāo)，獲取面物標(biāo)集合。根據(jù)面物標(biāo)的屬性判斷面物標(biāo)集合中是否包含橋區(qū)報(bào)警面物標(biāo)，如果不包含，智能航行系統(tǒng)則進(jìn)行橋區(qū)預(yù)警，提醒駕駛員前方有大橋；如果包含，就進(jìn)行橋區(qū)報(bào)警，發(fā)出聲音報(bào)警信號，提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛，避免發(fā)生撞橋事故，具體報(bào)警算法流程見圖6。

圖6 橋區(qū)預(yù)報(bào)警算法流程圖

四、智能航行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Structured Query Language（SQL）Server 2005、軟件開發(fā)工具Visual C++，初步實(shí)現(xiàn)西江航運(yùn)干線南寧至貴港航段（總長度273.0 km）的智能航行系統(tǒng)的開發(fā)，利用船舶自身通導(dǎo)設(shè)備和岸基云服務(wù)平臺來感知獲取航行相關(guān)信息，通過數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，為船舶駕駛員不斷地提供各種預(yù)報(bào)警支持，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶安全航行，航標(biāo)異常報(bào)警、船閘預(yù)警及渡口區(qū)報(bào)警的運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行界面

應(yīng)用智能航行系統(tǒng)可以更好地對內(nèi)河水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過為船舶駕駛員不斷地提供各種預(yù)報(bào)警支持，及時(shí)對內(nèi)河水域的水上交通事故進(jìn)行預(yù)判斷，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］編輯部.《珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》獲批跨省區(qū)流域經(jīng)濟(jì)合作開啟新模式［J］.財(cái)經(jīng)界，2014（8）：94-96.

［2］程細(xì)得.內(nèi)河船舶操縱及避碰決策優(yōu)化研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［3］丁繼民，楊建國.船舶避碰與信號［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2010.

［4］陳瑩.長江智能航運(yùn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連海事大學(xué)，2008.

［5］周程熹，趙德鵬，周曾磐，等.IHO數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（S-57篇）［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，1999.

交通運(yùn)輸部長江黃金水道綜合信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究（802070）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（3132014309）