船舶交通管理系統(tǒng)在向家壩水利樞紐的應(yīng)用

劉佳洋 黃仁輝 馬麟

摘 要：介紹了向家壩水利樞紐船舶交通管理系統(tǒng)的基站、攝像機(jī)、服務(wù)器、監(jiān)控站等主要設(shè)備設(shè)施的布設(shè)情況，介紹了PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和甚高頻通訊子系的應(yīng)用效果、存在的問題及已進(jìn)行的改進(jìn)，分析雷達(dá)偶發(fā)無法校準(zhǔn)、無線網(wǎng)橋穩(wěn)定性差、攝像機(jī)布設(shè)數(shù)量不足的問題并提出了優(yōu)化改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：向家壩;船舶交通管理;VTS;應(yīng)用;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U66? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0060-03

向家壩水利樞紐位于云南省與四川省交界的金沙江下游河段，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、通航和灌溉三大功能的綜合型水利工程，其中通航功能由配套建設(shè)的全平衡式垂直升船機(jī)承擔(dān)。樞紐所在金沙江河段為通航河段，通航里程上至新市鎮(zhèn)，下至宜賓市，全長(zhǎng)105km，航道等級(jí)為V級(jí)，其中從大壩上游界線標(biāo)至下游鐵路大橋共約6公里的河段為樞紐水上管理區(qū)。向家壩升船機(jī)按Ⅵ級(jí)航道設(shè)計(jì)，代表船型為2×500t級(jí)一頂二駁船隊(duì)，同時(shí)兼顧1000t級(jí)單船，樞紐建成后上下游的航道條件得到極大改善，升船機(jī)自2018年5月試通航以來，過閘船舶數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。另一方面，樞紐河段內(nèi)港口、碼頭較多，船舶航行、停泊、作業(yè)頻繁，與升船機(jī)過閘船舶航路交叉，也加大了樞紐河段水上交通的復(fù)雜性。為更好地監(jiān)管和調(diào)度樞紐水上管理區(qū)內(nèi)的船舶，升船機(jī)配套建設(shè)了船舶交通管理（Vessel Traffic Service，簡(jiǎn)稱VTS[1]）系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)備布設(shè)情況介紹

1.1? 系統(tǒng)設(shè)備總體布置

向家壩水利樞紐升船機(jī)配套VTS系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱向家壩VTS系統(tǒng)）于2018年初完成建設(shè)并移交運(yùn)行管理單位，主要由PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控（CCTV）子系統(tǒng)和甚高頻通訊（VHF）子系統(tǒng)三部分組成，其中PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)用于監(jiān)控船舶的雷達(dá)和AIS信號(hào)，CCTV子系統(tǒng)主要用于對(duì)航道進(jìn)行圖像監(jiān)控，VHF子系統(tǒng)主要用于監(jiān)控人員與船舶之間進(jìn)行即時(shí)通訊。

系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備包括4個(gè)基站、7處高清攝像機(jī)、1個(gè)服務(wù)器站和2個(gè)監(jiān)控站，其中基站與高清攝像機(jī)分布置在樞紐上下游沿岸岸坡和碼頭等處，服務(wù)器站位于升船機(jī)機(jī)房大廳專設(shè)機(jī)房?jī)?nèi)，而2個(gè)監(jiān)控站分別位于升船機(jī)調(diào)控室和樞紐聯(lián)合指揮中心。如圖1所示，服務(wù)器站作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和通訊中心，主要通過光纖與各基站、攝像機(jī)和監(jiān)控站進(jìn)行連接。位于樞紐下游某碼頭的基站3與其它主要設(shè)備隔江布置難以敷設(shè)光纖，因而采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行跨江信號(hào)傳輸。除此之外服務(wù)器站還與升船機(jī)調(diào)度系統(tǒng)有連接。

1.2? 基站與攝像機(jī)

基站主要用于掃描和處理船舶雷達(dá)信號(hào)，并接收船載AIS終端發(fā)射的信號(hào)，同時(shí)作為VHF通訊信號(hào)的收發(fā)站點(diǎn)，而高清攝像機(jī)主要用于在航道不同位置對(duì)船舶的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控。4個(gè)基站均配置有1套雷達(dá)設(shè)備及其工作站，雷達(dá)持續(xù)掃描探測(cè)江面船舶信號(hào)，工作站則用于對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)等操作，并對(duì)雷達(dá)掃描信號(hào)進(jìn)行初步處理，屏蔽掉岸坡反射信號(hào)等無關(guān)信號(hào)。基站1和基站3各配備有2套AIS收發(fā)信機(jī)和4套VHF收發(fā)信機(jī)，2套AIS收發(fā)信機(jī)可互為備用，4套VHF收發(fā)信機(jī)各負(fù)責(zé)1個(gè)頻道的通訊，分別為升船機(jī)調(diào)度專用頻道、海事通訊專用頻道、應(yīng)急救援頻道以及1個(gè)備用頻道。7個(gè)高清攝像機(jī)中有2個(gè)布置在基站3，另有2個(gè)分別各布置在基站1和基站4，余下3個(gè)攝像機(jī)單獨(dú)布置在樞紐下游大橋上、下游側(cè)和升船機(jī)下游引航道出口處的岸坡上?；九鋫涞母髦饕O(shè)備通過網(wǎng)線連接至基站交換機(jī)，除基站3外的其余基站經(jīng)光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換為光纖與服務(wù)器站連接，3個(gè)獨(dú)立布置的攝像機(jī)通過光纖直接與服務(wù)器站連接。

1.3? 監(jiān)控站

位于升船機(jī)調(diào)控室的監(jiān)控站，主要用于升船機(jī)調(diào)控人員監(jiān)視船舶動(dòng)向、查看船舶到錨情況以便對(duì)船舶進(jìn)行過閘調(diào)度和計(jì)劃排檔;位于樞紐聯(lián)合指揮中心的監(jiān)控站，主要用于海事主管部門監(jiān)控船舶是否有違規(guī)行為，并向船舶發(fā)送安全航行相關(guān)信息。2個(gè)監(jiān)控站的主要設(shè)備基本相同，包括1個(gè)VTS工作站和1個(gè)VHF工作站，還配備有1套多臺(tái)顯示器拼接的圖像監(jiān)控大屏。VTS工作站安裝有PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)客戶端軟件和CCTV客戶端軟件，分別用于監(jiān)控船舶雷達(dá)、AIS信號(hào)和監(jiān)控航道實(shí)時(shí)視頻圖像;VHF工作站上安裝有VHF客戶端軟件，主要用于與船方進(jìn)行甚高頻即時(shí)通訊;監(jiān)控大屏由多塊顯示器拼接而成，用于顯示CCTV視頻監(jiān)控畫面。

1.4? 服務(wù)器站

服務(wù)器站位于升船機(jī)機(jī)房大廳內(nèi)，包含核心服務(wù)器、電子海圖服務(wù)器、記錄服務(wù)器、多源信息服務(wù)器、視頻解碼服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)、甚高頻服務(wù)器，磁盤陣列，等主要設(shè)備，同時(shí)配有核心交換機(jī)、光纖收發(fā)器等網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。其中核心服務(wù)器、電子海圖服務(wù)器、記錄服務(wù)器、多源信息服務(wù)器主要用于處理、整合、記錄基站采集的雷達(dá)、AIS信號(hào)，以便在VTS客戶端軟件上供監(jiān)控人員查看和操作;視頻解碼服務(wù)器用于在圖像監(jiān)控大屏上拼接攝像機(jī)視頻監(jiān)控畫面，硬盤錄像機(jī)用于存儲(chǔ)監(jiān)控視頻文件;甚高頻服務(wù)器用于整合各基站的各頻道，以便在甚高頻客戶端軟件上，磁盤陣列用于存儲(chǔ)錄音文件。

2系統(tǒng)應(yīng)用情況介紹

2.1? PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)應(yīng)用情況

PRIDe VTS 1000子系統(tǒng)通過各基站采集船舶的雷達(dá)和AIS信號(hào)，由相關(guān)服務(wù)器整合、處理，最終在VTS工作站的客戶端軟件上實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶雷達(dá)、AIS信號(hào)的監(jiān)控[2]。如圖2所示，PRIDe VTS 1000客戶端軟件界面為樞紐水上管理區(qū)的電子江圖，船舶的雷達(dá)掃描圖像、AIS信號(hào)位置直觀地顯示其方位，并可查看船舶的航行軌跡，通過AIS信號(hào)可查看船名拼音、船舶尺寸、航速、航向等信息，對(duì)于同時(shí)識(shí)別了AIS和雷達(dá)信號(hào)的船舶，系統(tǒng)會(huì)將目標(biāo)進(jìn)行融合，以更準(zhǔn)確監(jiān)控船舶的方位和航行信息[3]。另外，系統(tǒng)配備有船舶AIS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于被系統(tǒng)識(shí)別的船舶，可顯示中文名稱等更豐富的信息。

通過PRIDe VTS 1000客戶端軟件，升船機(jī)調(diào)控人員可方便地查看船舶方位等信息，并可判斷船舶是否已按調(diào)度指令航行和?？浚瑸橄乱徊降拇罢{(diào)度和設(shè)備操作提供依據(jù)。該子系統(tǒng)與CCTV監(jiān)控系統(tǒng)相互配合，可全面的對(duì)船舶進(jìn)行監(jiān)控，在夜間視頻監(jiān)控畫面無法看清時(shí)，該子系統(tǒng)的顯得格外重要，聯(lián)合指揮中心可監(jiān)督船舶是否存在違規(guī)夜航。

PRIDe VTS 1000客戶端軟件具備“多功能區(qū)”功能，該功能在向家壩水利樞紐有兩項(xiàng)應(yīng)用。一是設(shè)置船舶自動(dòng)到錨區(qū)，向家壩升船機(jī)在上游庫(kù)區(qū)設(shè)置有錨地，在電子江圖對(duì)應(yīng)區(qū)域上設(shè)置一到到錨區(qū)域，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)到某船舶別進(jìn)入到錨區(qū)后，將發(fā)送到錨信號(hào)到升船機(jī)通航調(diào)度系統(tǒng)，使得該船舶的狀態(tài)自動(dòng)變?yōu)橐训藉^，從而便于根據(jù)船舶的到錨順序進(jìn)行過閘排檔。二是對(duì)浮標(biāo)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，樞紐水上管理區(qū)內(nèi)航道上的專設(shè)船型浮標(biāo)上裝設(shè)具有AIS定位功能的網(wǎng)位移，這樣便可在電子江圖上顯示浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置，利用多功能區(qū)功能在電子江圖上劃定浮標(biāo)的允許范圍，并設(shè)置離開告警，當(dāng)因水位變化導(dǎo)致浮標(biāo)位置偏移過大而離開該區(qū)域后，將觸發(fā)報(bào)警提醒調(diào)控人員及時(shí)對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行檢查調(diào)整。

2.2? 圖像監(jiān)控子系統(tǒng)應(yīng)用情況

CCTV子系統(tǒng)設(shè)置在樞紐水上管理區(qū)各處的共7個(gè)高清攝像機(jī)可實(shí)時(shí)采集航道圖像監(jiān)控畫面，調(diào)空人員在VTS工作站可在查看各攝像機(jī)的監(jiān)控畫面，通過云臺(tái)操作界面可對(duì)攝像機(jī)的方位、焦距等進(jìn)行調(diào)整，圖像監(jiān)控大屏上可實(shí)現(xiàn)多監(jiān)控畫面同時(shí)顯示或單一畫面放大顯示。CCTV子系統(tǒng)所使用的攝像機(jī)為星光級(jí)高清球機(jī)，監(jiān)控畫面清晰度高且能自動(dòng)對(duì)焦，在氣象條件滿足的情況下能看清監(jiān)控區(qū)域內(nèi)船舶的船名、號(hào)燈號(hào)型以及甲板人員動(dòng)態(tài)等。7個(gè)攝像機(jī)的布設(shè)位置較為合理，通過云臺(tái)調(diào)整攝像機(jī)方向能監(jiān)控到水上管理區(qū)各個(gè)角落。

系統(tǒng)移交之初CCTV子系統(tǒng)未配備儲(chǔ)存設(shè)備，監(jiān)控視頻無法錄像保存，后在服務(wù)器站增加了一套容量為4×4TB的硬盤錄像機(jī)，可支持7個(gè)攝像頭同時(shí)錄像數(shù)據(jù)保存30天以上，為船舶事故畫面回放等需求提供了支持。

2.3? 甚高頻通訊子系統(tǒng)應(yīng)用情況

樞紐水上管理區(qū)范圍較大，在基站1和基站3的分別布設(shè)的4個(gè)頻道的共8臺(tái)VHF收發(fā)信機(jī)已確保甚高頻通訊信號(hào)對(duì)管理區(qū)的全覆蓋。在VHF工作站上可對(duì)各收發(fā)信機(jī)進(jìn)行綜合管理，包括通過特定的收發(fā)信機(jī)進(jìn)行通訊、對(duì)部分或全部收發(fā)信機(jī)進(jìn)行監(jiān)聽錄音、回放錄音文件等，其中錄音回放功能對(duì)事故取證等有重要作用。

實(shí)際使用中，若同時(shí)通過兩個(gè)基站同一個(gè)頻道的收發(fā)信機(jī)進(jìn)行通訊，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)重疊導(dǎo)致通訊雙發(fā)均無法聽清對(duì)方通話內(nèi)容的情況，因此一般選擇距通訊船舶較近的收發(fā)信機(jī)進(jìn)行通訊，而將另一個(gè)基站的對(duì)應(yīng)頻道靜音。

3 遺留問題及優(yōu)化建議

3.1? 雷達(dá)無法校準(zhǔn)問題

PRIDe VTS 1000客戶端軟件偶有出現(xiàn)個(gè)別雷達(dá)無法連接的情況，檢查雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)正常，但基站工作站上雷達(dá)控制程序顯示雷達(dá)一直處于“校準(zhǔn)中”狀態(tài)，重啟雷達(dá)也無法解決。持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)該故障多出現(xiàn)在濕度較大的陰雨天氣，連續(xù)數(shù)日的晴朗天氣后故障能自動(dòng)消除，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)該問題是由位于室外小型電控箱內(nèi)的雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊受潮濕所致。該模塊用于將雷達(dá)同軸電纜信號(hào)線轉(zhuǎn)換為網(wǎng)線信號(hào)再與工作站連接，室外電控箱雖能擋雨但有透氣孔，因此箱內(nèi)濕度受環(huán)境影響較大，而信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的電路板也未進(jìn)行防水防潮處理。

建議對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行防水防潮處理，并改用密封效果好的電控箱，或?qū)⒃撃K移至基站室內(nèi)。

3.2? 無線網(wǎng)橋穩(wěn)定性差問題

向家壩VTS系統(tǒng)移交之初，除前述基站3通過無線網(wǎng)橋與基站2連接外，基站4同樣通過無線網(wǎng)橋與江對(duì)岸的基站1連接。實(shí)際使用中，跨江連接的無線網(wǎng)橋在雨天和江面水霧較大的情況下穩(wěn)定性不高，常出現(xiàn)雷達(dá)無法連接、監(jiān)控畫面卡頓、VHF無法通訊等問題?；?目前已通過單獨(dú)敷設(shè)光纖與服務(wù)器站連接解決了該問題，但基站3因位置偏遠(yuǎn)，敷設(shè)光纖施工存在一定難度，因此暫維持原狀。

建議將無線設(shè)備換型或通過其它技術(shù)手段增強(qiáng)跨江連接的無線網(wǎng)橋信號(hào)的穩(wěn)定性，或設(shè)法敷設(shè)光纖將基站3直接與服務(wù)器站連接[4]。

3.3? 攝像機(jī)布設(shè)數(shù)量不足問題

CCTV子系統(tǒng)的7個(gè)攝像機(jī)雖然布設(shè)位置較為合理，但布設(shè)數(shù)量略顯不足，來帶了兩個(gè)方面的問題。一是同一監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控方向容易出現(xiàn)顧此失彼的情況，例如大壩左岸近岸區(qū)域僅在岸坡較高位置的基站1布設(shè)了1臺(tái)攝像機(jī)，如果將攝像機(jī)監(jiān)控方向?qū)?zhǔn)近壩上游側(cè)，則不能同時(shí)監(jiān)控近壩下游側(cè);二是雖然使用的星光級(jí)球機(jī)清晰度夠高，但因攝像機(jī)布設(shè)較為稀疏，難免出現(xiàn)某些監(jiān)控區(qū)域距所有攝像機(jī)均較遠(yuǎn)的情況，在能見度不高的天氣下，難以對(duì)這些區(qū)域的船舶進(jìn)行清晰地監(jiān)控。

建議增加基站1等關(guān)鍵位置的攝像機(jī)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)多方位同時(shí)監(jiān)控，同時(shí)增加攝像機(jī)的沿樞紐河段的布設(shè)密度，以增強(qiáng)低能見度天氣下的監(jiān)控效果。

4 結(jié)論

向家壩VTS系統(tǒng)利用在樞紐河段岸坡、碼頭布置的基站和高清攝像機(jī)，對(duì)船舶的AIS信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、圖像信息進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控，使升船機(jī)調(diào)控人員與海事主管部門能夠及時(shí)掌握船舶方位、航向、航速等信息，并通過甚高頻通訊系統(tǒng)向船舶下達(dá)調(diào)度指令和提供安全航行所需信息，對(duì)保障船舶在樞紐水上管理區(qū)內(nèi)的航行安全起到了重要作用。該系統(tǒng)投運(yùn)以來設(shè)備運(yùn)行基本穩(wěn)定，建議后續(xù)采取技術(shù)手段解決雷達(dá)無法自動(dòng)校準(zhǔn)、無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不高等問題，同時(shí)增加攝像機(jī)布設(shè)數(shù)量以提高對(duì)航道的圖像監(jiān)控效果。

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