呂新立，于世杰，董 瀚（唐山海事局，河北 唐山 063611）

一、引言

預(yù)警，英文為Early-Warning，是在災(zāi)害或?yàn)?zāi)難以及其他需要提防的危險發(fā)生之前，根據(jù)以往總結(jié)的規(guī)律得到的可能性前兆，向有關(guān)部門或單位發(fā)出的緊急信號，報告危險情況。

科學(xué)的判斷、預(yù)測水域中船舶的交通變化，采取信息發(fā)布、交通廣播等方式保障水域交通暢通，最大限度地保障船舶航行安全，提供良好的船舶預(yù)警信息服務(wù)，是信息時代背景下對智能化船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）提出的新要求。但是，隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，VTS值班員的監(jiān)控壓力也越來越大。

首先，VTS覆蓋區(qū)域通常面積較大、航行船舶較多、交通態(tài)勢較為復(fù)雜；其次，值班員配備數(shù)量有限、人員精力有限、人工監(jiān)控航行動態(tài)存在一定的局限性；最后，雖然目前VTS系統(tǒng)能夠提供預(yù)警方面的信息，輔助人工監(jiān)控船舶交通，但是這些預(yù)警存在大量的重復(fù)報警、無效報警和漏報警，值班員需要反復(fù)核實(shí)，導(dǎo)致不僅沒有減輕值班員的工作負(fù)擔(dān)，反而增加了工作量。

基于上述原因，我們設(shè)計了一套充分整合現(xiàn)有系統(tǒng)資源，引入智能語音轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動提供精準(zhǔn)VTS人工智能語音預(yù)警信息服務(wù)的解決方案。通過分析船舶碰撞風(fēng)險，深入探討如何實(shí)現(xiàn)船舶碰撞風(fēng)險智能語音提醒。

二、船舶碰撞風(fēng)險的計算

（一）首先需要根據(jù)ITU-R M.1371-4建議書的內(nèi)容[1]，對船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）報文消息進(jìn)行解析[2]，提取船舶的動態(tài)信息和靜態(tài)信息。

（二）根據(jù)獲取船舶位置的經(jīng)緯度信息，運(yùn)用平面射線法判斷船舶是否在VTS監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。

（三）對VTS轄區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)行距離計算[3]，判斷兩船是否有緊迫危險，因?yàn)閮纱g如果距離過遠(yuǎn)，顯然是不存在這種危險的，兩點(diǎn)的距離精確計算公式為：

設(shè)定A點(diǎn)1λ（緯度，經(jīng)度）和B點(diǎn)2λ（緯度，經(jīng)度）則其中 c osD=A1?A2+B1?B2+C

（四）如果兩船的距離在設(shè)定范圍之內(nèi)，那么就可以進(jìn)行船舶最近會遇距離（DCPA）和到達(dá)會遇距離的時間（TCPA）計算。

假設(shè)本船的航速為 0v，航向?yàn)镃0；目標(biāo)船的航速為tv，航向?yàn)镃t；目標(biāo)船相對于本船的方位角為B；目標(biāo)船與本船之間的距離為D。

1. 相對速度vr計算

其中：

2. 相對航向Cr計算

3. 相對舷角rQ的計算

4. DCPA和TCPA的計算

（五）為使計算更加的精確，應(yīng)重復(fù)上述過程進(jìn)行計算，以防船舶信號錯誤或者船舶在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生的偶發(fā)碰撞危險。

（六）DCPA與TCPA值可以根據(jù)船舶交通流量確定，也可以根據(jù)船舶尺度確定，在此不再贅述。

三、碰撞預(yù)警信息的過濾

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警的精確性，達(dá)到或優(yōu)于人工判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息數(shù)量可控，必須對所有預(yù)警信息實(shí)行智能分析過濾，保證最終預(yù)警信息為有效信息。

（一）智能屏蔽拖輪與拖輪或拖輪與商船之間的碰撞預(yù)警提醒

拖輪在作業(yè)期間，會經(jīng)常與其他船舶接近，但是這種接近是屬于正常的無危險的接近，并且拖輪機(jī)動能力強(qiáng)，碰撞危險系數(shù)比較低，因此可以將此類預(yù)警屏蔽。屏蔽的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是自動識別的方式，從AIS靜態(tài)信息中獲取船舶類型信息，根據(jù)船舶類型判斷船舶是否為拖輪；二是列舉方式，一般對港口型VTS來說，港作拖輪的數(shù)量是有限的，可以將拖輪的信息列舉出來。拖輪碰撞提醒的屏蔽屬于雙方屏蔽，即凡是涉及到拖輪的碰撞危險信息都將被屏蔽。

（二）智能屏蔽漁船與漁船之間的碰撞提醒

漁船數(shù)量多，經(jīng)常集中作業(yè)，相互之間的交通態(tài)勢復(fù)雜，漁船之間正常進(jìn)行作業(yè)的時候會有接近發(fā)生，所以必須將漁船之間的碰撞危險進(jìn)行屏蔽，防止這種提醒對其他預(yù)警信息的干擾。

（三）屏蔽兩艘船之間的重復(fù)提醒

相同兩艘船之間的碰撞危險通常會持續(xù)一段時間，如果碰撞危險沒有解除，系統(tǒng)仍然在進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的VTS技術(shù)會將預(yù)警反復(fù)地提供給用戶，造成嚴(yán)重的信息干擾，所以相同兩船之間的碰撞危險提醒只提供一次即可。

（四）屏蔽商船進(jìn)入漁船密集區(qū)的提醒

當(dāng)一艘普通商船進(jìn)入到一片漁船密集區(qū)的時候，有可能對一艘商船和多艘漁船之間預(yù)警上百次，所以必須控制同一艘商船在一段時間內(nèi)與漁船的預(yù)警數(shù)量，避免商船進(jìn)入漁船密集區(qū)的反復(fù)預(yù)警。

（五）屏蔽港池或者油田區(qū)域的提醒

港池或者油田作業(yè)區(qū)域，船舶靠泊作業(yè)頻繁，船舶之間的距離非常接近，通過對特定區(qū)域的屏蔽，保證這些正常作業(yè)情況不被預(yù)警，減少對真正危險的預(yù)警的干擾。

四、語音的合成與發(fā)送

預(yù)警信息過濾后，即可以生成預(yù)警提醒信息，預(yù)警信息應(yīng)該簡潔高效，盡量使用航海標(biāo)準(zhǔn)用語，包含的提醒信息應(yīng)該盡量準(zhǔn)確。

（一）預(yù)警信息

應(yīng)該包括以下5項(xiàng)內(nèi)容：一是兩船的船名；二是兩船的呼號；三是兩船的距離；四是兩船的相對方位；五是兩船的船舶種類。

（二）語音合成

TTS（Text-To-Speech）是指文本語音的簡稱，即通過TTS引擎把文本轉(zhuǎn)化為語音輸出。微軟TTS語音引擎提供了Windows Speech SDK開發(fā)包供編程者使用。Windows Speech SDK包含語音合成（SS）引擎和語音識別（SR）引擎兩種，SS引擎用于將文字轉(zhuǎn)換成語音輸出。SR可以使用不同的語音庫，優(yōu)化發(fā)音以便最大程度的接近真人發(fā)音，利用TTS可以將預(yù)警信息直接轉(zhuǎn)換為語音。另外，可以將預(yù)警信息合成為兩種語音，對于本國船舶，可以合成為本國語言的語音，但是在合成之前必須對船舶的國籍進(jìn)行判斷。對于外國籍船舶可以合成為英語或者其他相應(yīng)國籍的語言。同時，對于預(yù)警信息，比如呼號，應(yīng)該盡可能的優(yōu)化，以便符合航海標(biāo)準(zhǔn)英語的發(fā)音。

（三）語音發(fā)送

語音合成以后，需控制甚高頻進(jìn)行發(fā)送，可以設(shè)定在甚高頻的多個頻道上進(jìn)行發(fā)送，保證聲音可以傳輸?shù)疆?dāng)事船舶。為了避免對正常通話的干擾，應(yīng)該對甚高頻的通話狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)聽。在甚高頻存在通話的時候，可以根據(jù)用戶設(shè)置來避免對正常通話的干擾。可以采用STC15W408AS單片機(jī)作為主控，通過比較器檢測聲音信號判斷高頻是否占用，串口協(xié)議與軟件進(jìn)行通信。在與甚高頻的接口上，可用音頻輸入接口（AUX）與AUX麥克按鍵控制（PTT）音頻信號注入，也可以模擬麥克與PTT的方式注入音頻，并對阻抗匹配做了優(yōu)化，保證播發(fā)音質(zhì)，同時提高了硬件與各品牌甚高頻的兼容性。

甚高頻控制，在需要進(jìn)行甚高頻播發(fā)的時候，利用單片機(jī)進(jìn)行串口通信，發(fā)送控制信號給甚高頻主機(jī)，控制甚高頻收發(fā)機(jī)工作，同時發(fā)送已經(jīng)合成的語音信號，播發(fā)完畢時，發(fā)送釋放甚高頻的信號，完成播發(fā)。

五、碰撞危險的顯示及解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)

采用S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖顯示船舶碰撞危險，為了讓預(yù)警信息一目了然地提供給值班員，建議采用屏蔽正常船舶的方式，單獨(dú)突出顯示碰撞危險船舶，顯示內(nèi)容包括船舶的航向、船名、位置等信息。解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)

六、實(shí)際應(yīng)用效果

截至2019年12月31日，系統(tǒng)在唐山海事局轄區(qū)共發(fā)出船舶進(jìn)入禁航區(qū)提醒14 081次，船舶碰撞提醒133 505次，播發(fā)預(yù)警廣播7 000余次。2017年12月至2020年6月，系統(tǒng)在北海海事局轄區(qū)共發(fā)出禁航區(qū)提醒38 012次，船舶碰撞提醒34 641次，報告提醒10 049次。通過船舶監(jiān)控智能語音提醒系統(tǒng)建設(shè)，能有效減少海上人命和財產(chǎn)損失，讓航行更安全、海洋更清潔。

七、社會效益

從2017年至今，系統(tǒng)已經(jīng)在河北秦皇島、京唐港、曹妃甸、滄州，廣西北海、欽州、防城港，廣東廣州，福建福州、泉州等多家VTS中心實(shí)地安裝使用，累計銷售16臺/套，新增直接經(jīng)濟(jì)效益500余萬元，按現(xiàn)有安裝情況，預(yù)計今后每年可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益100萬元。本項(xiàng)目成果可在各分支機(jī)構(gòu)交管中心安裝使用，每臺/套約30萬元，以每個交管中心平均3個值班臺，每個直屬局平均4個分支局計算，全國目前共有15個直屬海事局，全部安裝的費(fèi)用約為5 400萬。

海上事故無小事，事故會造成重大財產(chǎn)損失、嚴(yán)重的海上污染甚至造成大量人員傷亡，船舶航行風(fēng)險的及時預(yù)警對事故事前預(yù)防、事后發(fā)現(xiàn)及船舶違法行為自動識別等都具有重要意義，通過船舶監(jiān)控智能語音提醒系統(tǒng)建設(shè)，能夠有效降低海上船舶航行風(fēng)險系數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的間接經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

八、結(jié)語

隨著語音交互技術(shù)發(fā)展越來越快，在航海預(yù)警中應(yīng)用人性化的語音預(yù)警是必然的發(fā)展趨勢。語音交互技術(shù)應(yīng)用在VTS系統(tǒng)中，不僅可以極大地提升VTS信息服務(wù)能力，還能輔助VTS值班人員值班，減輕值班人員工作壓力、減少事故發(fā)生，保障航行安全、維護(hù)水域清潔，所以加強(qiáng)語音交互技術(shù)在航?；蛘遃TS系統(tǒng)中的應(yīng)用是十分必要的。