吳 昊, 高 嵬

應(yīng)用研究

軍港碼頭智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

吳 昊1, 高 嵬2

（1. 中國海警局，北京 100089；2. 海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能決策支持技術(shù)構(gòu)建一種智能化的港口管理系統(tǒng)，旨在提升軍港運(yùn)營能力和管理水平。在構(gòu)建港灣礁石等靜態(tài)目標(biāo)的港口態(tài)勢圖的基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)管理港口內(nèi)貨物的物流信息，結(jié)合GPRS技術(shù)和艦艇位姿、港口環(huán)境監(jiān)測等傳感器，在態(tài)勢圖中對(duì)港口近海域內(nèi)艦艇的姿態(tài)方位、運(yùn)行軌跡等進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口環(huán)境的監(jiān)測和目標(biāo)監(jiān)控功能。進(jìn)一步利用智能決策支持系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口近海海域艦船的智能調(diào)度，不僅可以顯著提高軍港的運(yùn)營效率，也有利于提升反偵察能力和艦船的安全、高效快速機(jī)動(dòng)。

港口 智能監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 智能決策

0 引言

隨著國際貿(mào)易不斷發(fā)展、遠(yuǎn)航互訪日趨頻繁，大量軍用艦船下海服役、民用船舶投入使用[1-2]，港口資源的需求日益增大。近年來，我國不斷加快選址新建港口碼頭、擴(kuò)大現(xiàn)有港口容量的步伐，但依然難以跟上使用需求的增速。因此，有限港口資源的高效管理顯得越來越重要。

適宜建港的海岸線，或已建有港口，或已納入規(guī)劃，隨著大量民用港口的改擴(kuò)建，致使軍港與民用港口間的距離越來越近，港口附近海域經(jīng)常出現(xiàn)航道共用、交叉等情況，在此環(huán)境下，軍港的反偵察問題變得日趨復(fù)雜，艦艇的快速機(jī)動(dòng)也難以得到有效保證[3]。

智能化管理技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)為核心的信息化管理技術(shù)[4]，將其應(yīng)用于軍港碼頭管理，可通過視頻及雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化船舶調(diào)度，利于艦船的安全、高效快速機(jī)動(dòng)，也利于軍港的整體反偵察能力提升。

我國已是海運(yùn)大國，必將成為海洋強(qiáng)國，利用現(xiàn)代化技術(shù)引導(dǎo)規(guī)范海上交通、優(yōu)化配置有限資源是管理技術(shù)應(yīng)用的必然趨勢。軍港的智能化、信息化建設(shè)還處于起步摸索階段，本文主要是研究設(shè)計(jì)軍港智能監(jiān)控系統(tǒng)，同樣適用于民用港口碼頭管理。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

軍港碼頭智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)大型信息化集成系統(tǒng)，采用無線物聯(lián)網(wǎng)芯片、艦艇位姿速度傳感器、大數(shù)據(jù)、智能軌跡規(guī)劃、智能決策支持系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口近海海域、航道、港灣礁石和艦船的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并向港口管理人員呈現(xiàn)艦船航行綜合態(tài)勢[5]，提供指揮調(diào)度接口。港口監(jiān)控系統(tǒng)綜合態(tài)勢示意圖如圖1所示。系統(tǒng)總體功能主要分為三個(gè)方面，分別為港口環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)監(jiān)控和智能調(diào)度。

圖1 港口監(jiān)控系統(tǒng)綜合態(tài)勢示意圖

1）港口環(huán)境監(jiān)測

港口區(qū)域的海流及氣象信息對(duì)艦船航行指揮至關(guān)重要，因而，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)接收來自氣象部門發(fā)布的信息接口。同時(shí)，需對(duì)本地水域信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，包括使用水文傳感器采集海水溫度、鹽度，使用氣象傳感器采集氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度及能見度等。而后，系統(tǒng)對(duì)采集到的信息進(jìn)行智能分析，最終向指揮員預(yù)報(bào)天氣和海流情況，輔助形成決策指揮調(diào)度方案。

2）水域內(nèi)各目標(biāo)的監(jiān)控

一方面，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)可以接收海上交通管理中心發(fā)布的信息接口，港口外部事件對(duì)指揮調(diào)度存在顯著影響，是必須考慮的重要事項(xiàng)，有必要提前知曉此類事件并做出相關(guān)決策。另一方面，系統(tǒng)通過雷達(dá)、攝像和無線物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)港口區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信息進(jìn)行采集，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)、全面感知港口內(nèi)的艦船。

3）智能決策

軍港近海航道管理的智能決策是指以提供信息輔助決策方式或全自動(dòng)方式指揮軍港近海艦船的有序航行，其主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是在詳細(xì)感知航行環(huán)境的前提下，利用智能決策系統(tǒng)做出路徑規(guī)劃，驅(qū)使艦船前往目的地的自動(dòng)導(dǎo)航及駕駛技術(shù)；二是對(duì)比知識(shí)庫自動(dòng)識(shí)別軍港內(nèi)艦船的航行是否符合規(guī)定，對(duì)于違規(guī)航行及偶然事故，產(chǎn)生警報(bào)并及時(shí)向指揮調(diào)度人員呈現(xiàn)，對(duì)于疑似偵查行為，允許操作人員或智能系統(tǒng)與可疑船舶進(jìn)行緊急通信，或控制無人機(jī)、無人艇進(jìn)行抵近偵察、喊話驅(qū)離。

2 主要技術(shù)組成

軍港碼頭智能監(jiān)控系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)包括三個(gè)方面，分別是基于RFID的智能物流技術(shù)、GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能化管理技術(shù)。

1）智能物流技術(shù)

研究利用智能物流技術(shù)對(duì)港口物流交通進(jìn)行統(tǒng)一高效管理，既能大幅度減少管理人員數(shù)量，降低運(yùn)營成本，也能促使各作業(yè)流程的密切協(xié)同，以及各類數(shù)據(jù)的整合共享，實(shí)現(xiàn)物流鏈的優(yōu)化配置，提升輔助決策的精準(zhǔn)性。

智能物流技術(shù)是指通過無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，將目標(biāo)信息接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、和管理[6-7]，適用于港口內(nèi)目標(biāo)的管理。通過在目標(biāo)上標(biāo)識(shí)RFID電子標(biāo)簽，重要目標(biāo)應(yīng)當(dāng)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行加密。目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)過程需配合港口的實(shí)際業(yè)務(wù)流程進(jìn)行處理，以確定電子標(biāo)簽及其識(shí)別器的安裝位置。

智能物流系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(Web Service, WS)技術(shù)集成，有效實(shí)現(xiàn)終端與WS之間的通信，實(shí)時(shí)地感知和采集港口作業(yè)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至岸基管理系統(tǒng)。

2）GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

利用RFID技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行簡單定位，但無法在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是對(duì)于艦船此類動(dòng)態(tài)目標(biāo)，因此，艦船需采用更為先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管理，即GPRS技術(shù)。艦船的實(shí)時(shí)位置是重要的國防信息，隨著國產(chǎn)化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及其制導(dǎo)芯片的廣泛應(yīng)用）的大規(guī)模使用，利用GPRS實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)眾多目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)已成為可能[8]。通過在所有艦艇上安裝GPRS定位芯片，并將各艦艇按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，在港口詳細(xì)地理信息的基礎(chǔ)上，再結(jié)合RFID和GPRS技術(shù)，即可形成港區(qū)整體態(tài)勢的電子監(jiān)控圖，進(jìn)一步利用視頻和雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行校正，確保向指揮調(diào)度人員顯示準(zhǔn)確實(shí)時(shí)結(jié)果。

GPRS物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)覆蓋主要是為了實(shí)現(xiàn)港口資源的實(shí)時(shí)監(jiān)控與集中管理。首先，各港口資源應(yīng)處于被監(jiān)控狀態(tài)，通過無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)和覆蓋，包括類型、體積等關(guān)鍵信息，例如：對(duì)所有艦艇長度吃水、姿態(tài)方位、運(yùn)行軌跡等進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并在港口視頻管理窗口中進(jìn)行集中展示。其次，指揮調(diào)度命令應(yīng)確保穩(wěn)定傳輸，智能化監(jiān)控過程中將產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)流，而港口基站建設(shè)環(huán)境比陸地更為復(fù)雜[9-10]，為了確保語音、視頻等數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)定傳輸，應(yīng)推進(jìn)5G基站的無死角覆蓋，為智能化監(jiān)控提供穩(wěn)定、快速的網(wǎng)絡(luò)支持。

為了確保目標(biāo)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)控，在無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增設(shè)海域視頻自動(dòng)校準(zhǔn)模型，兩套系統(tǒng)協(xié)同配合，對(duì)港口內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢。

3）智能化管理技術(shù)

智能化管理技術(shù)是智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，也是最為關(guān)鍵的技術(shù)，其核心內(nèi)容包括艦艇的自動(dòng)駕駛決策支持系統(tǒng)和自動(dòng)疏導(dǎo)航道支持決策系統(tǒng)的研制。

3 關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

1）決策支持系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成

兩種智能決策支持系統(tǒng)(Decision Support System, DSS)在網(wǎng)絡(luò)層面上可劃分為3個(gè)層次：1)直接面向使用者的應(yīng)用層，DSS進(jìn)行系統(tǒng)推理運(yùn)算，將可執(zhí)行方案及預(yù)期結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，用戶可通過人機(jī)接口進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)話，輸入指揮調(diào)度信息；2)由系統(tǒng)中各控制協(xié)調(diào)模塊組成的控制協(xié)調(diào)層，通過標(biāo)準(zhǔn)接口建立聯(lián)系；3)面向程序設(shè)計(jì)人員的基本架構(gòu)層，通過該層對(duì)各子模塊進(jìn)行具體的定義，包括軌跡算法設(shè)定、模塊間通信方式、觸發(fā)函數(shù)等[11]。由客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、模型庫和知識(shí)庫組成，具體如圖2所示。

圖2 智能決策系統(tǒng)的組成

其中客戶端是DSS的指揮調(diào)度人員與系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的人機(jī)交互接口，通過客戶端，用戶可以實(shí)時(shí)干涉軌跡規(guī)劃問題的求解。服務(wù)器是DSS分析問題并向用戶提供求解決策結(jié)果的部件，首先需要對(duì)用戶提出的問題進(jìn)行識(shí)別和分析，進(jìn)而構(gòu)造解決問題的方法模型，并提取所需的算法和數(shù)據(jù)，最后對(duì)問題進(jìn)行推算，在推算完成后制定決策方案并通過客戶端呈現(xiàn)給用戶。數(shù)據(jù)庫是用于存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)。模型庫用于存放各種模型。知識(shí)庫主要是管理有關(guān)決策問題領(lǐng)域的知識(shí)。

2）決策支持系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)模型

有限狀態(tài)機(jī)模型因?yàn)楹唵?、?zhí)行效率高，是無人駕駛領(lǐng)域目前最廣泛的行為決策模型[12-13]。因此，本研究中港口艦艇自動(dòng)駕駛決策支持系統(tǒng)和自動(dòng)疏導(dǎo)航道決策支持系統(tǒng)的研制均基于有限狀態(tài)機(jī)模型架構(gòu)，利用MATLAB/Simulink軟件的狀態(tài)機(jī)(Finite State Automata, FSA)編程語言構(gòu)建，使用有限的有向連通圖來描述不同的駕駛狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，從而根據(jù)狀態(tài)的遷移反應(yīng)式地生成執(zhí)行方案。

無人艇自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)流程如圖3所示，自動(dòng)疏導(dǎo)航道系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)流程如圖4所示。在有限狀態(tài)機(jī)模型中，無人艇根據(jù)當(dāng)前環(huán)境選擇停泊、換道、巡航等合適的駕駛行為。

圖3 無人艇自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)流程

決策支持系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型的軟件構(gòu)架可分為全局路徑規(guī)劃層（Route Planning, RP）、行為決策層（Behavioral Layer, BL）和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層（Motion Planning, MP）三個(gè)層次。其中，RP層是指在接收到設(shè)定目的地后，結(jié)合態(tài)勢圖信息，生成一條全局路徑，作為后續(xù)具體路徑規(guī)劃的參考；BL層是指執(zhí)行主體在接收到全局路徑后，結(jié)合環(huán)境感知信息做出行為決策（例如無人艇執(zhí)行切換航道或巡航命令）；最后，MP層根據(jù)具體的行為決策，規(guī)劃生成一條滿足特定約束條件的軌跡，并作為控制模塊的輸入決定最終執(zhí)行方案。

圖4 自動(dòng)疏導(dǎo)航道系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)流程

4 結(jié)語

充分利用有限的港口資源，是新時(shí)代港口管理的必然發(fā)展趨勢。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能決策技術(shù)等現(xiàn)代化手段建立智能化港口管理系統(tǒng)，不僅可以顯著提高軍港的運(yùn)營效率，也有利于提升反偵察能力和艦船的安全、高效快速機(jī)動(dòng)。本文提出了一種智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)說明了主要技術(shù)組成和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，包括智能物流技術(shù)、GPRS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能化管理技術(shù)。

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Overall design of intelligent monitoring system for military port and wharf

Wu Hao1, Gao Wei2

(1. China Coast Guard, Beijing 100089, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP277

A

1003-4862（2023）12-0020-04

2023-05-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51807197）

吳昊（1989-），男，工程師。研究方向：港口航道與近岸工程管理。E-mail：depin@163.com