控制河段智能通行指挥关键技术研究
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摘 要：长江上游控制河段航道水流湍急、通行断面狭窄弯曲，为保证过往船舶通行安全，船舶必须根据信号台通行指令有序通过。本文以长江重庆航道局辖区控制河段智能通行指挥系统建设研究为基础，详细介绍了控制河段智能通行指挥关键技术，并对智能通行指挥的进一步发展进行了展望。对控制河段通行信号智能指挥系统的建设具有指导意义。
关键词：控制河段；通行指挥；专家系统；AIS
中图分类号：U618 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2016）09-0038-03
随着长江干线兰家沱至鳊鱼溪数字航道工程的竣工验收，长江干线航道重庆段正式迈入数字化航道养护管理的新时代。控制河段智能通行指挥系统作为重庆段数字航道建设的重点工程之一，根据控制河段船舶通行指挥工作的实际需要，在充分利用航道信息资源的基础上，通过对控制河段范围内的船舶进行实时动态监控，根据通行规则和信号员经验对通行信号进行自动揭示和辅助指挥，实现通行信号的自动精确揭示和“点对点”指挥，有效提高信号台工作效能和船舶通过能力，从而降低船舶因等候通过而造成的经济成本。本文以长江重庆航道局辖区三角碛控制河段智能通行指挥系统开发和应用工作为基础，对系统的关键技术进行详细介绍，并对基于云计算、大数据和移动互联的智能通行指挥技术的下一步发展进行展望。
1 传统通行指挥模式
控制河段又称限制性河段，作为长江上游山区航道的一种特殊河段，具有弯曲、窄、险、通视条件差、船舶会让困难等特点，控制河段船舶通行效率和安全性是影响长江上游航道通航能力的重要因素。随着长江航道的不断建设发展，控制河段通行信号的揭示方式有了较大改进，实现了从人工拉绳提升到机械式揭示方式的转变。但通行信号指挥方式依旧保持了传统依靠人工t望、VHF联系等获知船舶位置、动态信息，然后依靠信号员的业务技能和指挥经验进行通行指挥的方式。该方式受人员技能素质、天气状况等因素影响较大，并且因船舶谎报船位而导致通行指挥过程较为被动，出现“下水等上水、下水调头”等情况，严重影响船舶安全和通航效率。特别是在当前长江航运快速发展、船舶大型化的趋势下，更加无法满足控制河段通行指挥的需求。
2 控制河段智能通行指挥系统简介
本系统综合利用人工智能、AIS、自动控制以及无线通信等技术，实时掌握船舶航行动态，通过开展基于航线匹配的控制河段船舶航行时间预测算法研究，并结合控制河段通行指挥规则和人工指挥经验等信息构建的拟人化的通行指挥决策系统，用于制定科学合理的通行指挥命令，实现通行信号的智能指挥和自动揭示。系统主要功能以下：
2.1 实现基于AIS和长江电子航道图的控制河段船舶动态监控
系统通过解析接收到的船舶AIS信息，构建船舶动、静态数据库，并在长江电子航道图上进行位置和航行状态的标注，准确掌握船舶的基本信息以及船舶位置、航向、航速等动态信息，实现对控制河段范围内的船舶状态信息的主动监控。
2.2 实现拟人化的通行指挥决策系统
在综合利用获取的船舶AIS实时信息、控制河段通行指挥规则以及信号员的通行指挥经验的基础上，构建信号智能辅助揭示专家系统。当系统监测到船舶到达预定范围时，即自动向信号员发出预警，并根据预设通行控制规则自动生成信号揭示指令，驱动信号揭示装置及VHF语音播报装置对该命令进行揭示，信号员亦可参考信号揭示指令进行信号揭示操作。
2.3 面向长江电子航道图的“点对点”指挥
系统通过“点对点”指挥信息推送端口向长江电子航道图系统数据中心数据库推送控制河段通行信号、船舶通行实时状态信息、通行顺序队列等信息，从而实时更新控制河段船舶通行数据、控制河段通行信息等，使电子航道图船载终端能够实时显示当前控制河段通行信号、通行指挥信息、本船通行指令和预计等待时间等信息，实现“点对点”的通行信号推送和指挥，使船舶可以根据电子航道图船载终端提供的信息直观清楚地获知控制河段的通行信号和通行指挥信息，并按指挥信息安全通过控制河段。
2.4 信号旗、VHF语音和电子航道图三位一体的信号自动（手动）揭示
当系统监测到船舶驶入控制河段指挥断面时即自动向信号员发出提示，并根据通行指挥决策专家系统自动生成信号揭示指令。自动（手动）揭示的通行命令能分别向长江电子航道图、信号揭示及控制系统和VHF电台推送及通行信号。
2.5 信号台连台（控制台和预告台）的信号同步控制
当船舶航行至三角碛控制河段指挥断面时，鹅公岩控制台（主控端）将根据通行信号智能决策系统自动生成科学合理的信号揭示指令，并将该命令通过网络发送至舀鱼背预告台（简称“预告台”），控制预告台信号旗升降从而实现连台通行信号的同步揭示；同时，预告台（被控端）将预告台信号旗（灯）的当前状态实时反馈至控制台，以实现控制台对预告台信号状态的实时监控。
2.6 远程监控
主控端（控制台）将船舶通行状况和通行指挥命令通过网络实时发送到被控端（预告台）的同时也发送到各监控端，监控端可以通过电子航道地图和音、视频信息查看整个控制河段的概况，实时了解和掌握辖区内所有控制河段船舶航行与指挥情况，通行指挥记录查询以及历史通信信息再现等功能。
3 系统关键技术
3.1 智能通行指挥
船舶通行指挥建议信息是指系统根据航向、当前位置、到达信号揭示区域时间、通行指挥规则以及人工指挥经验等信息通过算法综合计算后对船舶的通行序列进行科学排序，流程如图1所示。
Step 1：接收船舶AIS信息，根据报文规则对其进行解码校正处理，提取控制河段内需要指挥的所有船舶信息（系统将根据预设规则判定是否为特殊船舶，如客渡船、工作船舶等，如果是特殊船舶，将不对其进行处理）；
Step 2：若为需指挥船舶，根据主航迹线与船舶对地航向内积判定船舶航向（上水、下水）；
Step 3：根据经纬度信息确定所在位置（控制河段上游，上等候区，控制河段，下等候区，控制河段下游），在电子航道图上绘制出船舶图标，以不同颜色区分船舶不同状态，并判定是否到达关键点位置；
Step 4：根据船舶航速、航向、位置等信息预测船舶的速度，通过算法计算已到达指挥关键点的上、下水船舶到达控制河段上界限标的时间；
Step 5：按时间从短到长的原则并结合地理位置对需指挥船舶进行排序；
Step 8：当已经揭示信号的船舶驶出控制河段后，系统将对下一个通行信号进行揭示，指挥其它船舶通行。
3.2 通行排序
系统通过获取监控区域内的船舶AIS信息，实时计算上下水船舶到达上界限标的时间，进一步根据控制河段船舶通行指挥规则，根据上下水、到达时间等对船舶的通行顺序进行动态排序，在船舶到达鸣笛标时根据顺序队列进行相应的信号揭示。信号员可以查看通行顺序列表指挥船舶的顺序、预计到达最近界限标时间、预计等待时间、预计通过时间；系统可将这些信息推送到长江电子航道图系统，使长江电子航道图船舶终端能进行显示和播报。
3.3 船位实时预测
智能指挥系统根据船舶报告的AIS数据来确定船舶的位置，制定通行策略，指挥船舶有序通行。正常行驶过程中，B类AIS设备报告的信息时间间隔通常是30s。存在AIS提供的船位稍滞后于实际船位的问题，造成电子航道图显示的船位与实际船位不一致，影响系统可视化显示效果，采用通过改进卡尔曼滤波算法对船位实时预测，并在关键位置（如三角碛控制河段通航区）2s更新船位，其他位置5s更新船位，从而保证控制河段智能辅助指挥系统信号揭示的准确性和可靠性。
3.4 船舶通行时间预测
准确预测船舶到达控制河段上界限标时间是系统进行正确信号揭示和指挥的关键。由于AIS普遍存在的延时性问题，加之不同时期、不同航段水流速度不同，不同水位、不同航段船舶航行速度不同，不同船舶航行线路也不尽相同，单纯依靠简单的主航迹线除以船舶实时航速的测算方法无法准确预测船舶到达的时间。因此，本文提出了一种基于航线匹配的船舶航行时间预测方法。
通过船舶AIS获取其在控制河段航行的动静态信息并存入系统数据库，构建该控制河段通行船舶历史航线信息数据库，动静态信息主要包括当前时间、MMSI、航行方向、当前位置、当地水位、船舶航行速度、航行水道、流速和船型等。当检测到船舶到达监测区域时，首先通过历史航线数据库查询是否有该船舶的历史航线记录，如果存在，则通过AIS获取当前船舶的航行状态信息，并与该船舶的历史航线数据进行匹配，筛选出最接近的历史航线，计算船舶通过控制河段的时间，并将其作为该船到达预定目标点的预测时间。如果通过搜索在数据库中没有发现该船的历史航行数据，那么就搜索相同或相似船舶是否存在符合匹配条件的航行数据，如果找到就将其作为该船的历史航线数据与当前航行状态信息进行匹配，从中选取最接近该船真实航行状态的线路，并计算其驶离控制河段的时间，作为该船到达预定目标点的预测时间；如果仍未找到符合匹配条件的数据，那么就利用航道主航迹线来计算船舶通过控制河段的时间，将其作为该船到达预定目标点的预测时间。
在筛选最佳历史航行轨迹的过程中，如果仅存在一条满足匹配条件的航行数据，那么就将其作为该船本次的通行预定航线；如果存在多条符合匹配条件的航线数据，那么就将航线进行分段，形成若干个关键航点，根据本次船舶航行状态从中匹配符合条件的各航点经纬度、速度等数据，从而选取一条最佳的航线作为该船本次的通行预定航线。
3.5 连台信号同步控制
在某些连台（控制台和预告台）指挥的控制河段，当控制台（主控端）自动/手动发送揭示命令，在向本台的信号揭示及控制系统发送命令的同时，还通过网络向预告台（被控端）发送，被控端的信号揭示及控制系统根据指令完成相同通行信号的揭示。系统基于Winsock技术，利用 TCP/IP协议实现了控制台和预告台之间通行信号的同步控制。
3.6 面向长江电子航道图的信号揭示
系统将已经确定的控制河段通行信号和各船舶通行指令生成信号台通行信息和船舶通行队列，通过打包方式将数据文件推送到长江电子航道图系统服务器，服务器根据获取的信息对控制河段通行信息进行更新显示。长江电子航道图通过接收和解析信号台推送的船舶通行动态、通行顺序队列、通行信号指令，可以在电子航道图船载终端上实时显示当前控制河段的通行信息，本船通行顺序位置、预计等待时间等信息（如图3所示），船舶根据船载终端实时更新显示的信息可以清楚地了解当前控制河段的通行信号以及船舶队列信息，并安全通行。
4 总结与展望
论文对控制河段智能通行指挥系统中通行信号揭示、船舶通行时间预测、连台信号同步控制和面向长江电子航道图的信号揭示等关键技术进行了详细阐述。本系统可有效提高信号台指挥的自动化、信息化水平，增强控制河段船舶通行的主动监控能力，降低信号员工作强度，提高通行指挥效率和船舶通行安全，提升航道对外服务能力和水平。
进一步的工作将通过群智感知、基于位置服务（LBS）、移动互联网络、云计算、大数据等技术解决“信号揭示手段单一”和“船舶感知手段单一”等问题，开发基于移动互联的控制河段通行信号揭示和助航服务，主动为通行船舶提供更加丰富和准确的船舶动态信息，提高控制河段智能通行指挥系统的主动服务和精细化指挥能力，实现控制河段的互联网+。