唐皇，神和龍，孫霄峰，尹勇

(大連海事大學航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧大連　116026)

?

船舶交通服務(wù)模擬器中實時預(yù)警功能的實現(xiàn)

唐皇，神和龍，孫霄峰，尹勇

(大連海事大學航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧大連116026)

摘要：為在船舶交通服務(wù)模擬器中實現(xiàn)對港口監(jiān)控的模擬，提高船舶交通服務(wù)操作員的培訓效率，對真實的船舶交通服務(wù)中心進行仿真，采用計算船舶間最近會遇距離及最近會遇時間的方式建立數(shù)學模型，基于船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)處理，運用VC++編程語言完成系統(tǒng)開發(fā)。港口監(jiān)控中對轄區(qū)水域船舶的危險實現(xiàn)了實時預(yù)警。利用天津港真實AIS數(shù)據(jù)對系統(tǒng)功能進行測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準確識別轄區(qū)水域船舶的會遇態(tài)勢及遇險情況。

關(guān)鍵詞：VTS模擬器；港口監(jiān)控；仿真；VC++

目前，國內(nèi)的船舶交通服務(wù)(Vessel Traffic Service,VTS)操作員培訓大多采用真實設(shè)備，其優(yōu)點是能向受培訓者提供真實的VTS系統(tǒng)環(huán)境，使受培訓者感受到真實的VTS操作過程。但其缺點也同樣明顯，真實的VTS系統(tǒng)投資較大，一般教學單位難以接受，同時，這種基于真實的VTS系統(tǒng)的操作員現(xiàn)場培訓，還會影響VTS系統(tǒng)的正常管理[1]。因此，迫切需要研制出既能為VTS操作員培訓提供環(huán)境真實感，又不影響真實VTS系統(tǒng)的正常工作的全任務(wù)VTS模擬器。

VTS中港口監(jiān)控的功能主要是對轄區(qū)水域中船舶行為的跟蹤監(jiān)控及船舶危險的實時預(yù)警。目前，國內(nèi)外學者在船舶危險預(yù)警方面進行了很多研究。文獻[2-6]分別運用最近會遇距離(Distance to doscst point of approach,DCPA)和最近會遇時間(Time to doscst point of approach,TCPA)加權(quán)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等方法研究碰撞危險度；文獻[7-11]基于航跡跟蹤、復雜度建模等方法對船舶預(yù)警進行研究。考慮到算法的可行性及計算復雜度，本文采用計算DCPA、TCPA的方法進行實時預(yù)警。

國外已經(jīng)研制出了功能完備的VTS模擬器，典型代表有挪威的Congsberg[12]及英國的Transas[13]。在國內(nèi),文獻[14-18]對VTS模擬器也做過一些基礎(chǔ)研究。然而僅有上海吳淞VTS中心和浙江海事局建立了VTS模擬培訓中心，其他絕大部分VTS中心都沒有配備全任務(wù)VTS模擬器培訓系統(tǒng)[19]。為了打破國外在VTS模擬器技術(shù)上的壟斷，研制出一套符合國際公約要求、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全任務(wù)VTS模擬器設(shè)備迫在眉睫。因此，大連海事大學航海動態(tài)仿真和控制實驗室擬在實驗室現(xiàn)有航海模擬器的研究基礎(chǔ)上開發(fā)全任務(wù)VTS模擬器，本文中討論的預(yù)警功能實現(xiàn)為該VTS模擬器的子模塊。

1全任務(wù)VTS模擬器系統(tǒng)架構(gòu)

全任務(wù)VTS模擬器是在模擬真實VTS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融入船橋操作系統(tǒng)，旨在提高VTS操作員培訓效率，并打破國外產(chǎn)品在該領(lǐng)域的壟斷。具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

全任務(wù)VTS模擬器系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成，分別是教練員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、VTS操作員培訓端、船舶操縱模擬終端、交通流統(tǒng)計及模擬。本文的研究內(nèi)容主要是完成VTS操作員培訓端的功能實現(xiàn)，實現(xiàn)對VTS港口監(jiān)控的模擬。

圖1　全任務(wù)VTS模擬器系統(tǒng)架構(gòu)

2預(yù)警功能實現(xiàn)流程

2.1實時預(yù)警功能結(jié)構(gòu)

作為全任務(wù)VTS模擬器的子模塊，該預(yù)警功能承擔了VTS模擬器學員端的仿真任務(wù)，主要負責為VTS操作員培訓提供可視化界面。同時集成了數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理及信息顯示功能。該實時預(yù)警功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　實時預(yù)警功能結(jié)構(gòu)圖

功能實現(xiàn)主要由5個模塊構(gòu)成，分別是數(shù)據(jù)接收模塊、船舶信息顯示模塊、電子海圖模塊、報警提示模塊、信息處理模塊。采用VC++編程，利用MFC強大的兼容性，將電子海圖顯示模塊作為控件插入，在提高系統(tǒng)運行效率的同時，使程序結(jié)構(gòu)更加簡潔。通過對相關(guān)預(yù)警算法的研究，建立船舶間預(yù)警算法模型，實現(xiàn)準確地實時報警功能。

2.2數(shù)據(jù)處理流程

通過對數(shù)據(jù)的接收及處理，系統(tǒng)實現(xiàn)了船舶信息的集中顯示、船舶報警信息提示及處理功能。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示及處理3部分組成。

1)數(shù)據(jù)接收

進入系統(tǒng)后，可以直接訪問數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要查詢獲取數(shù)據(jù)，也可以由VTS模擬器系統(tǒng)中的服務(wù)器定時向本模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)主要是AIS數(shù)據(jù)，包括船舶的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)的同時，還需要對數(shù)據(jù)進行清洗，即去除其中錯誤的數(shù)據(jù)。將清洗后的正確數(shù)據(jù)存盤，進入數(shù)據(jù)處理階段。

圖3　數(shù)據(jù)處理流程圖

2)數(shù)據(jù)處理

存盤后的數(shù)據(jù)主要用于3個方面：①船舶信息顯示模塊，將提取出的信息直接顯示在船舶列表中，如圖4所示。由于船舶的MMSI(Maritime Mobile Service Identity)編號具有唯一性，故將MMSI編號作為船舶列表查詢的主鍵。②電子海圖顯示模塊，電子海圖的功能主要是將數(shù)據(jù)可視化，用三角符號表示船舶所在位置，并配備海圖縮放等操作菜單。③報警計算，分別是碰撞預(yù)警、碰撞報警、區(qū)域報警、目標丟失、走錨報警和定線航行，判斷是否存在報警情況，如果存在則加入報警提示。

3)結(jié)果顯示及處理

對數(shù)據(jù)處理階段產(chǎn)生的報警信息進行報警提示，在彈出的對話框中可以看到相關(guān)報警信息，并根據(jù)不同的報警情況彈出不同的對話框。雙擊船舶列表中的船舶信息，可以在電子海圖中定位到該船舶所在位置。報警信息經(jīng)處理后，該條報警會被取消顯示。結(jié)果顯示及處理如圖5所示。

圖4　船舶信息顯示界面

圖5　電子海圖顯示與操作界面

3預(yù)警功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括報警算法模型建立及電子海圖的顯示與操作。

3.1報警算法模型

為了提高程序運行效率，采用多線程編程，建立一個獨立線程用于報警算法的實時計算。

1)碰撞預(yù)警。提取出每艘船舶的AIS數(shù)據(jù)，計算每艘船舶與其他船舶間的DCPA及TCPA。將所得DCPA及TCPA與設(shè)定的DCPA、TCPA閾值進行比較，如果滿足條件，則將該報警信息加入報警顯示列表。此方法可以人為設(shè)置DCPA及TCPA閾值，比較靈活。

2)碰撞報警。監(jiān)測船舶間是否發(fā)生碰撞。采用船舶碰撞預(yù)警計算的相同算法，當兩艘船的DCPA為0時，則認為該兩艘船舶已經(jīng)發(fā)生碰撞，將船舶信息加入報警顯示列表。

3)區(qū)域報警。需要事先設(shè)定監(jiān)控區(qū)域，提取船舶位置信息進行區(qū)域檢測。當有船舶進入到監(jiān)控區(qū)域構(gòu)成的多邊形中，則產(chǎn)生報警信息，將該船舶信息加入報警顯示列表。此方法涉及到數(shù)據(jù)與電子海圖間的交互，由于電子海圖采用控件插入方式，需要通過自定義消息完成數(shù)據(jù)與電子海圖顯示的交互，見圖6。

4)目標丟失。當數(shù)據(jù)存盤后，會產(chǎn)生一個船舶列表，記錄該列表中所有船舶的MMSI編號。當程序定時更新時，即接收到新的數(shù)據(jù)，則會產(chǎn)生一個新的船舶列表，通過比較這兩個列表中的船舶MMSI編號，可以提取出缺失的船舶信息，并返回該船舶的MMSI編號。在電子海圖中將該船舶標記為丟失，如圖7所示。

圖6　區(qū)域報警模型

圖7　目標丟失報警模型

5)走錨報警。在接收到的數(shù)據(jù)中，可以提取出船舶的航行狀態(tài)。篩選出航行狀態(tài)為錨泊的船舶，并記錄該船舶船位，在下一個系統(tǒng)更新時刻，計算出該船舶船位的變化量，如果超過設(shè)定的閾值，則發(fā)出走錨報警，如圖8所示。

圖8　走錨報警模型

6)定線航行。需要提前設(shè)定監(jiān)控區(qū)域，并設(shè)定船舶在該區(qū)域內(nèi)遵守的規(guī)則,如船舶的最大航速、最小航速、最大偏航角及最大橫移距離等。如果有船舶在此區(qū)域內(nèi)違反規(guī)則，則會發(fā)出報警提示，見圖9。

圖9　定線航行報警模型

3.2電子海圖顯示與操作

為了解決傳統(tǒng)電子海圖計算復雜、顯示效率低等問題，本系統(tǒng)利用插入控件的方式，將電子海圖嵌入系統(tǒng)中，該控件來源于大連海事大學航海動態(tài)仿真實驗室。此方法可以大幅提高電子海圖顯示效率，使程序更加簡潔、高效。

4平臺測試結(jié)果

為了驗證預(yù)警功能模塊的準確性和實用性，采用天津港真實AIS數(shù)據(jù)進行測試，測試結(jié)果如圖10、11所示。

圖10　碰撞預(yù)警信息提示

圖11　區(qū)域報警信息提示

通過測試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)平臺可以實現(xiàn)準確的港口監(jiān)控預(yù)警功能，系統(tǒng)界面美觀，簡捷易用。

5結(jié)語

本文通過對全任務(wù)VTS模擬器操作員培訓端的設(shè)計與實現(xiàn)，完成了VTS港口監(jiān)控的模擬。此功能模塊實現(xiàn)的交互式操作員培訓，既能給受訓人員提供環(huán)境真實感，又不影響真實VTS系統(tǒng)的正常工作。該模擬器系統(tǒng)的研發(fā)不僅可以有效提高VTS操作員培訓效果，還可以作為真實VTS系統(tǒng)中預(yù)警算法的測試平臺。

參考文獻：

[1]李蕊.VTS模擬系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學,2003.

[2]KEARON J. Computer programs for collision avoidance and traffic keeping[C]//Proceedings of Conference on Mathematical Aspects on Marine Traffic. London:Academic Press,1977:37-43.

[3]IMAZU H, KOYAMA T. Determination of times of collision avoidance[J].The Journal of Japan Institute of Navigation, 1984, 70(2):30-37.

[4]蔡烽,劉光明.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶碰撞危險度計算[J].海軍大連艦艇學院學報,1998,21(2)：17-19.

[5]INAISHI M. Building method and application of neural network system for navigation[C]//Lateral Symposium of Sino-Japanese Navigation Institute. Japan:Navigation：日本航海學會誌,1993:39-46.

[6]鄭中義.船舶自動避碰決策系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學,2000.

[7]MAIER H R. Neural networks for the prediction and forecasting of water resources variables: a review of modeling issues and applications[J].Environment Modeling and Softwares,2000,15(1):101-124.

[8]DOSSO S E. Bayesian acoustic source track prediction in an uncertain ocean environment[J].Oceanic Engineering,2010,35(4):811-820.

[9]徐婷婷.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶航跡實時預(yù)測[J].大連海事大學學報,2012,38(1):9-11.

[10]文元橋,黃亞敏.水上交通流結(jié)構(gòu)復雜度建模[J].中國航海,2014,37(2):62-68.

[11]楊君蘭.交匯水域船舶沖突概率計算模型研究[J].武漢理工大學學報,2013,35(2):78-82.

[12]KONGSBERG.VTS-vessel traffic servicessimulator[EB/OL].[2015-09-05].http://www.km.kongsberg.com.

[13]TRANSAS.VTS simulator[EB/OL].[2015-09-05].http://www.transas.com.

[14]李蕊,閆秋娜,韓鳳.VTS模擬培訓系統(tǒng)[J].世界海運,2005,28(3):53-54．

[15]劉德振.VTS信息模擬器中船舶運動模型的研究[D].大連:大連海事大學,2010．

[16]劉敏.VTS模擬器中雷達跟蹤模型檢驗系統(tǒng)[D].大連:大連海事大學,2011．

[17]李曉松.VTS模擬器中交通流模型的研究[D].大連:大連海事大學,2012．

[18]王勝正,張英英,黃玉貴,等.VTS與船舶操縱綜合模擬器構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)[J].上海海事大學學報,2014,35(2):1-5．

[19]石世云,王勝正.我國開展VTS模擬器培訓的現(xiàn)狀及前景[J].航海技術(shù),2015(1):61-63．

(責任編輯：郎偉鋒)

Realization of Real-Time and Early-Warning Function in Vessel Traffic Service Simulator

TANGHuang,SHENHelong,SUNXiaofeng,YINYong

(LaboratoryofMarineSimulationandControl,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

Abstract:In order to achieve the simulation of port monitor in vessel traffic service(VTS) simulator and improve the training efficiency of VTS operators, the simulation of the VTS center was developed by using the mathematical model to calculate the distance and time of the closest point of approach. Automatic identification system data and the VC++ programming technology were also used in the system development. The function of real-time early-warning for the ships in jurisdiction waters was realized. System test was carried out by using the real data of Tianjin Port, with satisfactory results. The system can accurately identify approaching vessels and dangerous conditions in the covered waters.

Key words:VTS simulator; port monitor; simulation; VC++

中圖分類號：U666.158

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0074-07

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.014

作者簡介：唐皇(1991—),男,重慶合川人,碩士研究生,主要研究方向為交通信息工程及控制,E-mail:475891172@qq.com.

基金項目：國家863項目(2015AA016404)

收稿日期：2015-11-20