基于船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的航道船流量分析系統(tǒng)和智能體聯(lián)動(dòng)機(jī)制

梅 魯 海

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 310053)

0 引 言

航運(yùn)、水利和環(huán)保等涉水系統(tǒng)等對(duì)信息化和智能化建設(shè)的需求在不斷提升，因?yàn)榇霸诤叫袝r(shí)是跨區(qū)域的，需要信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)跟著船舶的移動(dòng)而流轉(zhuǎn)，通過(guò)獲取航道的船舶流量情況，航運(yùn)管理部門能夠從宏觀和微觀上掌握特定水域內(nèi)水上交通的實(shí)際狀況、基本特征和一般規(guī)律，而現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)解決方案往往無(wú)法很好地滿足信息共享等技術(shù)要求，這也導(dǎo)致了一些安全隱患，影響運(yùn)輸效率。例如，以往的航運(yùn)信息化都是各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，交互接口不一致，大航道內(nèi)跨區(qū)域的數(shù)據(jù)共享和信息服務(wù)較難實(shí)現(xiàn)。此外，由于跨區(qū)域的航運(yùn)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和主體不同，后臺(tái)數(shù)據(jù)中心和信息服務(wù)系統(tǒng)不兼容，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一種“信息孤島”的現(xiàn)象，從而影響信息化系統(tǒng)的整體性能和效益。另外，傳統(tǒng)的航道船流量檢測(cè)一般采用視頻監(jiān)測(cè)方法，需要在航道的特定位置布置高清視頻探頭，通過(guò)捕捉實(shí)時(shí)的航道截面圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行圖形檢測(cè)來(lái)判斷過(guò)往船只和航行狀況，這種方法對(duì)于航道可見(jiàn)度和算法的依賴度較高，一旦航道可見(jiàn)度較差，當(dāng)出現(xiàn)兩船部分重疊時(shí)，很可能會(huì)被識(shí)別為同一船只，從而影響到船舶流量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

本文提出了一種基于船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的航道船流量分析系統(tǒng)和智能體聯(lián)動(dòng)機(jī)制，不需要在船舶上加裝裝置，通過(guò)將圖像采集與聲音檢測(cè)有機(jī)結(jié)合，船流量統(tǒng)計(jì)精確度高，船舶識(shí)別誤差小，對(duì)航道可見(jiàn)度和視頻算法的要求低。智能體聯(lián)動(dòng)機(jī)制綜合利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、分布式電子航道圖、數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)處理、傳輸和存儲(chǔ)檢索等新技術(shù)，有利于打造一種船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的自動(dòng)化和可視化決策支撐體系，并建立一種跨區(qū)域的管理部門之間的信息互通與共享的智能化業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)[1]。

1 船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的架構(gòu)和組成

本平臺(tái)的組織架構(gòu)由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層、支持層、功能層、數(shù)據(jù)管理層、人機(jī)交互層等組成，如圖1所示。平臺(tái)采用基于任務(wù)的軟件架構(gòu)，每個(gè)任務(wù)完成特定的系統(tǒng)功能，很多任務(wù)完成系列功能。平臺(tái)具有組態(tài)便捷、數(shù)據(jù)分析控件實(shí)用、數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式開(kāi)放、冗余可靠等優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展性和靈活性強(qiáng)[2]。平臺(tái)可以完成數(shù)據(jù)的采集與查詢、測(cè)量與統(tǒng)計(jì)、設(shè)備監(jiān)視與控制、信號(hào)報(bào)警與參數(shù)調(diào)節(jié)等工作。其中數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算、量程的轉(zhuǎn)換、執(zhí)行用戶腳本、濾波、歷史存儲(chǔ)、報(bào)警的檢查和事件的記錄等數(shù)據(jù)處理是多個(gè)機(jī)器上的服務(wù)器完成的，服務(wù)器之間可以進(jìn)行相互通信。

圖1 船聯(lián)網(wǎng)指揮調(diào)度平臺(tái)架構(gòu)

本船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的管理子系統(tǒng)包含了航道視頻監(jiān)控、AIS船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控、航道GIS地理信息、航道船流量分析、綜合監(jiān)管的射頻識(shí)別和LED的顯示與發(fā)布等子系統(tǒng)，如圖2所示。在大數(shù)據(jù)和虛擬復(fù)合場(chǎng)景技術(shù)的支持下，平臺(tái)將這些子系統(tǒng)和技術(shù)有機(jī)融合，構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和指揮調(diào)度系統(tǒng)，完成各個(gè)子系統(tǒng)之間的融合與信息聯(lián)動(dòng)，從而滿足管理部門對(duì)航道內(nèi)航行的船舶的全天候和全方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)管的需求。

圖2 船聯(lián)網(wǎng)指揮調(diào)度平臺(tái)子系統(tǒng)組成

航道視頻監(jiān)控、AIS動(dòng)態(tài)監(jiān)控、航道交通流量分析、航道GIS和射頻識(shí)別等系統(tǒng)在航運(yùn)行業(yè)的船舶監(jiān)控中一直各自發(fā)揮著重要作用，但因?yàn)楦鱾€(gè)系統(tǒng)的獨(dú)自缺陷，已經(jīng)無(wú)法跟上快速發(fā)展的船聯(lián)網(wǎng)指揮調(diào)度更高的要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)克服了單一系統(tǒng)的不足，打通了視頻監(jiān)控、AIS、流量分析、GIS和射頻識(shí)別等多系統(tǒng)之間的壁壘，采用面向服務(wù)的一種架構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合[3]。為了滿足應(yīng)急指揮和電子警察的輔助決策需要，平臺(tái)建立了通航環(huán)境、執(zhí)法力量和船舶歷史等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以完成數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)和事故分析，查詢、統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果可以用電子海圖的形式展現(xiàn)出來(lái)。

2 航道船流量分析系統(tǒng)

本船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的航道船流量分析系統(tǒng)由水下聲音傳感器、傳輸單元、處理單元和圖像采集單元等組成。水下聲音傳感器設(shè)置在航道河床上，并垂直于航道延伸方向設(shè)置，相鄰兩個(gè)水下聲音傳感器之間的距離為航道標(biāo)準(zhǔn)寬度的一半，保證在船只駛過(guò)水下聲音傳感器對(duì)應(yīng)河段時(shí)，至少有三個(gè)水下聲音傳感器能夠檢測(cè)到該船只產(chǎn)生的噪音，同時(shí)保證在這三個(gè)水下聲音傳感器中位于中間的水下聲音傳感器檢測(cè)到的噪音最大，還能夠減小相鄰船只對(duì)于這三個(gè)水下聲音傳感器檢測(cè)噪音的影響。圖像采集單元設(shè)置在水下聲音傳感器所處位置的上游和下游，圖像采集單元之間的航道段為圖像采集單元監(jiān)控區(qū)間，圖像采集單元監(jiān)控區(qū)間的長(zhǎng)度為該航道級(jí)別對(duì)應(yīng)船只最長(zhǎng)長(zhǎng)度的1.5倍，例如該航道為五級(jí)航道，則圖像采集單元監(jiān)控區(qū)間長(zhǎng)度為允許在五級(jí)航道內(nèi)航行的船只的最長(zhǎng)長(zhǎng)度的1.5倍。圖像采集單元與水下聲音傳感器均通過(guò)傳輸單元與處理單元相連[4]。

本實(shí)施例還提供一種航道船流量分析方法，如圖3所示。

圖3 航道船流量分析方法

(1) 水下聲音傳感器檢測(cè)船舶噪聲，并通過(guò)傳輸單元傳輸給處理單元。

(2) 處理單元將所有水下聲音傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形圖。

(3) 處理單元截取前一段時(shí)間內(nèi)的波形圖作為檢測(cè)波形，檢測(cè)波形的起始時(shí)間為圖像采集單元檢測(cè)到有船駛?cè)氲綀D像采集單元監(jiān)控區(qū)間的時(shí)間點(diǎn)，檢測(cè)波形的終止時(shí)間為圖像采集單元檢測(cè)到所有船駛出圖像采集單元監(jiān)控區(qū)間的時(shí)間點(diǎn)。

(4) 選擇檢測(cè)波形中若干個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的選擇。統(tǒng)計(jì)船開(kāi)始駛?cè)氲綀D像采集單元監(jiān)控區(qū)間至所有船駛出圖像采集單元監(jiān)控區(qū)間所用的時(shí)間t；將時(shí)間t平均劃分為n個(gè)時(shí)間段，n=b+c，b為選擇的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)，c為忽略的時(shí)間段；在第d個(gè)時(shí)間段到第e個(gè)時(shí)間段的每一個(gè)時(shí)間段中隨機(jī)選取一個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，d=1+c/2，e=n-c/2。在確定檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)后，截取這幾個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)每個(gè)水下聲音傳感器檢測(cè)到的船舶噪聲。

(5) 以水下聲音傳感器排序?yàn)闄M坐標(biāo)，以船舶噪聲為縱坐標(biāo)，給每個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)建立曲線圖。

圖4 噪聲集合建立和差分向量運(yùn)算

首先建立船舶噪聲集合V=[v1,v2,v3,v4,…,vi,]，i為水下聲音傳感器個(gè)數(shù)，同時(shí)表示水下聲音傳感器的排序號(hào)，本實(shí)施例中以位于航道水流流向?yàn)檎较虻淖筮叺牡谝粋€(gè)水下聲音傳感器為起始水下聲音傳感器，排序號(hào)為1。

計(jì)算差分向量：

D1(n)=V(n+1)-V(n)n∈1,2,…,i-1

(1)

進(jìn)行取符號(hào)運(yùn)算，形成新的集合V1：

(2)

從尾部開(kāi)始遍歷集合V1，生成新的集合V2，遍歷規(guī)則如下：

計(jì)算集合V2的差分向量：

D2(j)=V2(j+1)-V2(j)j∈1,2,…,k-1

(3)

最終得到的船舶流量數(shù)sum即為該航道船舶的總流量，基于本實(shí)施例系統(tǒng)及方法，可以檢測(cè)航道日船流量、周船流量、月船流量等數(shù)據(jù)，便于航運(yùn)管理部門對(duì)航道進(jìn)行管理。

本平臺(tái)的航道船流量檢測(cè)不需要安裝昂貴的岸基基站設(shè)施和在船舶上加裝特定的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，也不需要布設(shè)大量視頻監(jiān)測(cè)探頭，檢測(cè)成本低；圖像采集單元僅檢測(cè)是否有船只駛?cè)牒婉偝?，?duì)于航道可見(jiàn)度和視頻算法的要求低，船舶識(shí)別誤差??；聲音檢測(cè)波形時(shí)間點(diǎn)選擇和船舶噪聲集合的差分向量運(yùn)算精確，船流量統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確；圖像采集與聲音檢測(cè)有機(jī)結(jié)合，船流量檢測(cè)的精準(zhǔn)度更高[5]。

3 船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)的智能體聯(lián)動(dòng)機(jī)制

本平臺(tái)的航運(yùn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供現(xiàn)場(chǎng)的航運(yùn)相關(guān)的視頻圖像，AIS系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供船舶的航向航速信息以及船舶的位置數(shù)據(jù)，為了完成視頻監(jiān)控與AIS之間的控制信息的聯(lián)動(dòng)以及船舶的自動(dòng)跟蹤，可以由聯(lián)動(dòng)追蹤算法組件反饋信息給智能控制單元，然后由智能控制單元去精確控制攝像機(jī)的云臺(tái)以及鏡頭的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)船舶的位置信息和航向航速信息，視頻監(jiān)控與AIS的數(shù)據(jù)融合和聯(lián)動(dòng)可以自動(dòng)選取攝像機(jī)，準(zhǔn)確跟蹤行駛中的船舶。此外，激光與AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)的融合聯(lián)動(dòng)也可以解決移動(dòng)目標(biāo)的重復(fù)和錯(cuò)誤識(shí)別定位問(wèn)題。

本平臺(tái)還借助激光三維船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，配合AIS、圖像識(shí)別、RFID等船舶身份識(shí)別技術(shù)，以及數(shù)據(jù)集成和交換技術(shù)、借助數(shù)字虛擬和虛擬復(fù)合場(chǎng)景技術(shù)，依據(jù)大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行對(duì)特定船舶的綜合身份識(shí)別，可以取證判斷船舶是否超載，還有對(duì)?；返臋z查、對(duì)船舶動(dòng)態(tài)分布、欠逃費(fèi)船舶、AIS和RFID的裝機(jī)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等[6]。

平臺(tái)中的VTS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式和工作內(nèi)容可以等效看作一種“信息智能體”的工作組。為了對(duì)自身的行為進(jìn)行組織與分類，根據(jù)輸入響應(yīng)消息的類型，每個(gè)工作組都設(shè)有消息-行為映射表。智能體工作組是通過(guò)消息-行為的映射表去維護(hù)這種消息-行為的規(guī)則性。從自身的多種行為中，可以集中找到相應(yīng)正確的行為，然后做出執(zhí)行動(dòng)作，這里所有的行為產(chǎn)生的唯一依據(jù)是輸入消息的觸發(fā)動(dòng)作。智能體工作組可以通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境，然后通過(guò)控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解，并通過(guò)執(zhí)行器來(lái)控制監(jiān)控環(huán)境內(nèi)的任何對(duì)象和事物。

為了聯(lián)盟智能體協(xié)同完成平臺(tái)的整體任務(wù)，平臺(tái)的多個(gè)信息智能體工作組是組成一種信息聯(lián)盟智能體的形式。這里，這些信息聯(lián)盟智能體之間遵守的通信規(guī)范包括通信協(xié)議、通信范式與通信語(yǔ)言三種形式。通信協(xié)議包括網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，通信范式包括共享全局內(nèi)存規(guī)范和消息傳遞規(guī)范，通信語(yǔ)言負(fù)責(zé)承擔(dān)信息聯(lián)盟智能體之間傳輸?shù)挠行訹7]。為保證多個(gè)信息智能體之間的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的工作，根據(jù)獨(dú)占式與共享協(xié)調(diào)策略，必須進(jìn)行權(quán)限申請(qǐng)，這樣可以保證合理使用內(nèi)存緩沖區(qū)、設(shè)備訪問(wèn)接口和網(wǎng)絡(luò)資源等共享公共資源，也能避免產(chǎn)生共享沖突事件。

信息聯(lián)盟智能體具有很強(qiáng)的感知事件、實(shí)時(shí)性交互、執(zhí)行規(guī)劃以及聯(lián)動(dòng)的能力，其中，實(shí)時(shí)性交互和智能體聯(lián)動(dòng)的流程如圖5所示。監(jiān)控智能體與通信智能體共同組成了一種信息智能體的聯(lián)盟形式。在實(shí)時(shí)性交互和智能體聯(lián)動(dòng)的過(guò)程中，每個(gè)智能體是根據(jù)消息觸發(fā)機(jī)制，通過(guò)感知其他智能體送來(lái)的消息事件，主動(dòng)去執(zhí)行相應(yīng)規(guī)劃，從而完成信息通信。船聯(lián)網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)先由通信智能體的感知器去接收外部的實(shí)時(shí)信息，然后執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)劃，再將新的消息傳給聯(lián)盟智能體。聯(lián)盟智能體則立即執(zhí)行新的規(guī)劃，給監(jiān)控智能體傳送信息，然后，監(jiān)控智能體則對(duì)指揮調(diào)度平臺(tái)的監(jiān)控界面進(jìn)行一種刷新的動(dòng)作，平臺(tái)管理員可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些特定的控制動(dòng)作和操作[8]。

圖5 船聯(lián)網(wǎng)指揮調(diào)度平臺(tái)聯(lián)盟智能體之間的實(shí)時(shí)交互和聯(lián)動(dòng)

平臺(tái)是按照消息觸發(fā)的異步通信方式，實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟智能體之間的消息事件的信息傳輸行為。按照智能體的事先預(yù)定的規(guī)劃和程序，信息聯(lián)盟智能體之間的消息響應(yīng)全部是通過(guò)自主判定的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，聯(lián)盟智能體發(fā)送消息后，不必要一直等待著接收消息的智能體的響應(yīng)[9]。

信息聯(lián)盟智能體的聯(lián)動(dòng)可以加強(qiáng)船聯(lián)網(wǎng)信息域中的數(shù)據(jù)融合，有效完成信息域到物理域的映射。聯(lián)盟智能體可以在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，借助時(shí)空數(shù)據(jù)集，準(zhǔn)確還原真實(shí)物理空間中的對(duì)象或事件的狀態(tài)和變遷，從而幫助航運(yùn)管理者分析已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的事件，并對(duì)未來(lái)的變化趨勢(shì)有所預(yù)測(cè)。為了更全面和準(zhǔn)確地響應(yīng)船聯(lián)網(wǎng)信息域中的對(duì)象或事件，聯(lián)盟智能體的數(shù)據(jù)融合和實(shí)時(shí)交互可以通過(guò)對(duì)不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，完成對(duì)數(shù)據(jù)中的沖突、冗余和缺失等現(xiàn)象的過(guò)濾、修復(fù)和重建。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了及時(shí)、準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)和管理船聯(lián)網(wǎng)跨區(qū)域的內(nèi)河航道、船閘及行駛的船舶，建立一個(gè)指揮調(diào)度與服務(wù)支持體系，需要建立一個(gè)智能的數(shù)據(jù)采集和感知體系、智能的指揮調(diào)度體系和航務(wù)管理體系。本調(diào)度平臺(tái)的航道船流量分析系統(tǒng)對(duì)圖像和船舶噪聲集合的運(yùn)算精確，檢測(cè)準(zhǔn)度高。信息智能體具有對(duì)環(huán)境的感知、識(shí)別以及彼此之間的信息交換能力，智能體聯(lián)動(dòng)可以加強(qiáng)數(shù)據(jù)融合，準(zhǔn)確還原事件的狀態(tài)，并預(yù)測(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)，大大提高智能航運(yùn)和數(shù)字航道數(shù)據(jù)的可呈現(xiàn)性，并可以組織和管理通航環(huán)境的海量數(shù)據(jù)，然后將這些海量數(shù)據(jù)有效轉(zhuǎn)化為知識(shí)，為航道和船舶的管理者提供決策的參考。