曾科偉，劉作飛，蔣明貴，聞光華

(長江重慶航道局，重慶401147)

長江上游控制河段船舶識別及通行指揮技術探討

曾科偉，劉作飛，蔣明貴，聞光華

(長江重慶航道局，重慶401147)

摘要：通過對目前雷達、AIS、CCTV技術的介紹，分析了各自的優(yōu)缺點，針對長江上游控制河段可視距離較短，信號人員監(jiān)控和指揮船舶能力較弱的特點，提出了采用多傳感器處理技術，將雷達、AIS、CCTV系統(tǒng)產生的多個目標進行融合，可以充分發(fā)揮各系統(tǒng)的優(yōu)勢，起到在控制河段輔助通行指揮的作用。

關鍵詞：控制河段；船舶識別；多傳感器

由于長江上游航道條件不良，航道寬度、彎曲程度或流態(tài)不能滿足輪船安全對駛的要求，輪船只能單向通過，故設置信號臺實行通行指揮［1］。自20世紀初以來，航道部門先后設置了狐灘、青石洞、廣陽壩等多座信號臺，采用人工控制的方式指揮船舶上下通行，為保障船舶航行安全發(fā)揮了極其重要的作用，成為長江行輪的“保護神”。

近年來，隨著全球低碳經濟發(fā)展的趨勢，內河航運飛速發(fā)展，船舶標準化、大型化、高速化進程大幅提升，傳統(tǒng)的視覺航標已不能完全滿足船舶助航需求，信號臺以人工觀測、經驗判斷為主的指揮方式更是難以適應船舶高效通行的需求，通行指揮系統(tǒng)亟需新方法、新技術、新裝備提升其效能。

1　船舶監(jiān)控技術現狀

目前在水運行業(yè)中為實現船舶動態(tài)監(jiān)管常采用的幾個系統(tǒng)分別為［2-3］：

（1）雷達監(jiān)控系統(tǒng)：采用雷達技術對船舶的航行狀況進行高效、準確地監(jiān)管，是我國港口船舶管理中主要使用的一種技術手段。雷達監(jiān)控系統(tǒng)通過雷達掃描主動對雷達所覆蓋區(qū)域的船舶位置和航行狀況進行偵測。它的優(yōu)點是可以實現覆蓋水域船舶的主動偵測，獲取船舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快；缺點是無法獲取船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號，且雷達信號存在盲區(qū)。

（2）船舶自動識別系統(tǒng)（AIS系統(tǒng)）：是目前最為常用的船舶動態(tài)監(jiān)管手段，由岸基（基站）設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統(tǒng)和設備。AIS系統(tǒng)通過安裝在船上的AIS船臺發(fā)出船舶的相關位置、航速、航向等動態(tài)信息和船名、呼號等船舶靜態(tài)信息，由岸基AIS臺站接收船舶的AIS信息，實現對AIS船舶的跟蹤。它的優(yōu)點是全國沿海及長江已經全部覆蓋了AIS岸臺，AIS船舶發(fā)出的信息較全，包含了動態(tài)信息和靜態(tài)信息,且不需人工標示，覆蓋范圍廣。缺點是被動接收信號，且只有安裝有AIS船臺的船舶才能被監(jiān)控，且受通信網絡和是否開機的影響。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV系統(tǒng)）：是為加強水上交通安全管理，提高水上現場監(jiān)管和應急搜救指揮能力，建立以視頻攝錄為信息采集手段，計算機為數據處理終端，依托船舶管理部門內部信息網絡為主要傳輸通道的數字電視監(jiān)控系統(tǒng)。CCTV系統(tǒng)是一個直觀的現場監(jiān)管手段，可以通過CCTV系統(tǒng)直接了解現場船舶的航行狀況和船舶類型等信息。它的優(yōu)點是可以對現場情況一目了然，缺點是監(jiān)控距離比較短，而且除了有可能拍攝到船名以外，無法獲取準確的船舶動靜態(tài)信息。

以上系統(tǒng)相互獨立，各自在水運相關行業(yè)的船舶監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用。但各個系統(tǒng)在獨立運行的過程中由于其固有的缺點已經無法滿足船舶管理部門對船舶動態(tài)監(jiān)管越來越高的要求，多種船舶動態(tài)監(jiān)管手段的整合已勢在必行。

基于上述情況，本文主要研究以長江電子航道圖、雷達、AIS、CCTV等系統(tǒng)為基礎，綜合各系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用多傳感器綜合處理技術將雷達、AIS和CCTV目標融合顯示于電子航道圖上，實現對船位信息的主動探測和動態(tài)掌握。同時CCTV系統(tǒng)通過夜視、紅外熱成像技術，提高視頻監(jiān)控效果，實現對控制河段船舶運行狀態(tài)的全面掌控。通過對多種數據源的綜合數據挖掘，統(tǒng)計分析出信號揭示指令作為信號員現場輔助決策依據；必要時，航道指揮中心可依據通行控制預案，結合各種動、靜態(tài)數據進行航道遠程指揮，進一步提高通行控制效率和信號指揮水平。

2　多傳感器綜合處理技術

上述提到的雷達、AIS、CCTV技術都是可以實現目標錄取跟蹤的信號源，每個傳感器（雷達、AIS、CCTV）提供一個目標的運動模型，多傳感器處理系統(tǒng)對多個運動模型進行對比匹配后，建立一個統(tǒng)一運動軌跡的過程稱為多傳感器目標融合［4－5］。目標融合算法將基于3套子系統(tǒng)所提供目標的如下參數進行對比：

（1）船舶經緯度位置；（2）航向；（3）航速；（4）船舶加速度；（5）船舶轉向率。

當一艘船舶在多個傳感系統(tǒng)中都有實時數據，系統(tǒng)操作人員可以獨立顯示其雷達原始視頻、雷達跟蹤目標、AIS目標、CCTV目標，也可以選擇融合為同一目標。通過多傳感器目標融合，船舶可以在CCTV系統(tǒng)的視頻畫面中實時顯示船名及其他相關信息。

3　布設原則與航行規(guī)則

在對控制河段的通行指揮系統(tǒng)設計布局時主要考慮了三種原則：第一，以雷達系統(tǒng)和AIS系統(tǒng)結合作為主要監(jiān)管手段，盡可能選擇在上指揮斷面的預告臺架設，重點保證上指揮斷面和進入槽口水域前的監(jiān)控覆蓋，盡可能覆蓋整個控制河段水域；第二，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為輔助監(jiān)控手段主要選擇在控制臺進行建設，重點解決控制河段內槽口水域船舶違章進出槽口的視頻取證；第三，充分利用現有信號臺的基礎資源，按照重點加強、局部調整的原則分層次進行布局，相鄰控制河段盡量做到信息的共享和綜合利用。

圖1　控制河段示意圖Fig.1Sketch of controlled river

如圖1所示，陰影部分為控制河段，在電子航道圖系統(tǒng)中分別設置上游預告線、上游控制斷面、上游界限、控制河段、下游界限，下游控制斷面、下游預告線7個要素，當船舶經過這7個要素時，系統(tǒng)可以自動識別。

控制河段的航行規(guī)則：

（1）上游下行船舶到達上游指揮斷面，通過高頻信號通知信號臺，請求放行。如果控制河段沒有船舶上行，原則上予以放行。上行船舶不得進入控制河段，準備進入控制河段的船舶需在下游指揮斷面停靠等待。

（2）下游上行船舶到達下指揮斷面，通過高頻信號通知信號臺，請求放行。如果下行沒有船舶進入，原則上予以放行。準備進入上指揮斷面的下行船舶在進入控制河段之前調頭等待。

（3）控制河段禁止對駛、并行、拖尾航行和調頭。

（4）控制河段禁止超吃水船舶航行。

（5）50 m以下船舶和800 HP以下船舶不受控制。

（6）違規(guī)進入控制河段為嚴重違章。

4　控制河段船舶動態(tài)監(jiān)控方式

控制河段船舶動態(tài)監(jiān)控通過AIS、雷達、視頻等監(jiān)控方式，實時獲取控制河段通行船舶動態(tài)信息，并基于GIS平臺展現給信號員，為信號員科學地進行通行控制提供科學支撐，船舶動態(tài)監(jiān)控主要實現以下功能：

（1）當有船舶進入上下指揮斷面時，系統(tǒng)自動提示報警，并根據通行指揮原則揭示信號；

（2）對尚未進入上指揮斷面的船舶誤報船位進行監(jiān)管；

（3）結合電子航道圖，實現控制河段通行指揮多級監(jiān)管。

信號員可根據控制河段具體情況預設規(guī)則，當船舶動態(tài)監(jiān)控模塊監(jiān)測到船舶駛入預定范圍（上下指揮斷面）時即自動向信號員發(fā)出預警提示，并根據預設規(guī)則自動生成信號揭示指令，信號員可參考信號揭示指令進行信號揭示操作。

系統(tǒng)實現對尚未進入上指揮斷面的船舶誤報船位的行為進行重點監(jiān)管，通過AIS和視頻監(jiān)控，可以跟蹤目標船舶的位置和動態(tài)，一定程度上減少因船舶誤報船位導致通行信號揭示不準確的情況發(fā)生。

信號員結合通行信號提示，根據現場實際情況揭示通行信號，系統(tǒng)能夠統(tǒng)計出信號輔助提示的準確率，并能夠通過算法的不斷調整來提高信號輔助揭示的準確率。

5　試點工程情況

根據以上的系統(tǒng)研究，選擇銅鑼峽控制河段蓮花背信號臺進行試點工程建設，該控制河段是川江河段最具有代表典型意義的，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［6］。且該河段離市區(qū)最近，選擇該處具有很好的示范推廣效應。

銅鑼峽控制河段通行指揮系統(tǒng)控制區(qū)域情況如圖2所示。

圖2　蓮花背信號臺控制區(qū)域Fig.2Controlled region by Lianhuabei Signal Station

目前該信號臺仍停留在人工瞭望、VHF電話聯系等方式獲取上下水船舶船位信息，然后憑借信號員業(yè)務水平和經驗揭示通行信號。當船舶到達鳴笛標時，通過VHF聯系信號臺，信號員通過望遠鏡確認船舶到達，然后根據航道情況揭示信號，未被允許通行的船舶在鳴笛標和界限標之間穩(wěn)船，等待信號員進一步指示。采用此種方式，通行指揮受信號員業(yè)務能力、心情、心理狀態(tài)等多因素影響，且信號員難以主動掌握船舶準確位置，尤其是在天氣狀況不良的狀況下（如大霧），容易被上水船舶虛報位置所欺瞞，容易影響信號揭示準確性，不能有效保證上、下水船舶順利通行，易引發(fā)船舶交通安全事故。

通過蓮花背信號臺及其指揮的控制河段進行試點，得出如下結論：

（1）安置雷達系統(tǒng)，可識別船的間隔為3～5 m，大大縮短了船舶識別距離；

（2）雷達的掃描頻率為2.8 s，可以準確地跟蹤行進中的船舶；

（3）通過雷達目標錄取跟蹤技術，大大提高了雷達的識別精度；

（4）根據觀察，蓮花背水域下水船速一般在10～20 km/h,上水船在5～6 km/h。下水時每個信號間隔船移動距離為80～160 m，如果有信號丟失,丟失1個信號，則船的移動距離為160～320 m，以此類推；

（5）內河船舶基本上安裝的為AIS CLASS B的船臺，該船臺在長江狹窄水道和急彎水道信號丟失嚴重，因此AIS信號不宜作為控制河段的船舶信號源，但可以為雷達融合提供船舶數據；

（6）通過在控制河段的信號臺、預告臺建設雷達、AIS和CCTV聯動監(jiān)控系統(tǒng)，利用多傳感器綜合處理融合技術，可以發(fā)揮各個系統(tǒng)優(yōu)勢，彌補不足，很好地起到船舶識別和輔助通行指揮的作用。

參考文獻：

［1］JTJ287-200,內河航道維護技術規(guī)范［S］.

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［3］羅素云.AIS與雷達目標位置數據融合方法的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.

［4］黃娜.基于雷達和紅外傳感器的多傳感器數據融合研究［D］.吉林：吉林大學，2007.

［5］王剛，張志禹.多傳感器數據融合的研究現狀［J］.電測與儀表,2006（2）:1-4. WANG G,ZHANG Z Y.The Current Status of the Multi?sensor Data Fusion［J］.Electrical Measurement&Instrumentation，2006（2）:1-4.

［6］陳曉云,羅宏,楊勝發(fā),等.三峽工程庫尾航道演變規(guī)律研究［R］.武漢:長江航道局,2010.

Biography：ZENG Ke?wei（1979-），male，engineer.

中圖分類號：U 661.73

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0563-04

收稿日期：2013-12-06；修回日期：2014-01-10

基金項目：交通運輸部科技項目（基金編號2011328350 1490）

作者簡介：曾科偉（1979-），男，重慶市人，工程師，主要從事航道與航標方面的工作。

Technical discussion on ship identification and ship command in controlled river in upper Yangtze River

ZENG Ke?wei，LIU Zuo?fei，JIANG Ming?gui，WEN Guang?hua
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau，Chongqing 401147，China）

Abstract:According to the introduction of radar，AIS and CCTV，the advantages and disadvantages of each technical system were analyzed.Aiming at the short visual range in controlled river in upper Yangtze River and the weak capacity of monitoring and command，a new technology using the multi?sensor to fuse the multiple objects gen?erated by radar，AIS and CCTV system was proposed.It can make good use of each system，and it also plays an im?portant part in ship command in controlled river.

Key words:controlled river;ship identification;multi?sensor