船舶交通管理系統(tǒng)工程建設(shè)方案研究

洪瀟瀟 中國交通通信信息中心 北京金交信息通信導(dǎo)航設(shè)計(jì)院

1.引言

船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic Service，VTS）在保障水上交通安全、維護(hù)良好通航秩序、提高港口運(yùn)營效率、保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境以及協(xié)調(diào)應(yīng)急搜救行動等方面發(fā)揮了重要作用。截至2021年4月，直屬海事系統(tǒng)已建成VTS中心44個，已建成雷達(dá)站247個；在建VTS中心10個，在建雷達(dá)站33個。從上世紀(jì)80年代開始，我國先后從國外引進(jìn)40余套VTS系統(tǒng)。近幾年，全國已建和在建的54個VTS中心已有24個采用國產(chǎn)化系統(tǒng)，占比44.44%，并呈逐步擴(kuò)大趨勢。本文對船舶交通管理系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)和選型分析，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)、管理、決策人員提供比選借鑒，進(jìn)而構(gòu)造更佳建設(shè)方案。

2.建設(shè)方案研究

2.1 雷達(dá)子系統(tǒng)

雷達(dá)主要是完成水上目標(biāo)的采集、處理及判定等功能。目前VTS中采用的雷達(dá)收發(fā)機(jī)主要有磁控管雷達(dá)收發(fā)機(jī)和固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)。固態(tài)雷達(dá)在原有脈沖調(diào)制雷達(dá)的基礎(chǔ)上，用微波晶體管等固態(tài)功率放大器替換磁控管來產(chǎn)生發(fā)射脈沖，并且采用脈沖壓縮、頻率和時間分集等技術(shù)來提高雷達(dá)收發(fā)機(jī)的技術(shù)性能，較磁控管收發(fā)機(jī)有著明顯的優(yōu)勢，具體如下：

①固態(tài)器件的應(yīng)用。固態(tài)微波功率放大器替換原脈沖調(diào)制雷達(dá)中的磁控管形成發(fā)射脈沖，典型峰值功率50W和80W，相比原先脈沖調(diào)制雷達(dá)KW級別的峰值功率，功耗大幅降低，大大降低電磁輻射。

②脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用：當(dāng)同一方位上兩個目標(biāo)回波信號間距在一個信號脈沖寬度內(nèi)時，這兩個回波信號由于形成同時散射，必然相連在一起而無法分辨，因此距離分辨單元為：脈沖寬度＊光速/2。脈沖調(diào)制雷達(dá)為提高檢測距離，必須使用寬發(fā)射脈沖，從而導(dǎo)致距離分辨力降低；隨著脈沖壓縮技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射寬頻帶的寬脈沖信號，并將回波信號壓縮處理成窄脈沖的雷達(dá)，獲得高距離分辨力。脈沖壓縮雷達(dá)能有效地解決常規(guī)脈沖雷達(dá)中增大探測距離與提高距離分辨力的矛盾。對于傳統(tǒng)磁控管收發(fā)機(jī)，針對不同探測距離，具有短脈沖（50-120ns）、中脈沖（120-300ns）、長脈沖（300-600ns）、超長脈沖（600-1000ns）四檔可供選擇。對于固態(tài)收發(fā)機(jī)，針對不同探測距離，也具有短（50-120ns）、中（120-300ns）、長脈沖（300ns-100us）三檔可供選擇，固態(tài)收發(fā)機(jī)采用脈沖壓縮技術(shù)，接收脈沖通過匹配壓縮處理后，接收脈沖長度仍保持在50-100ns范圍內(nèi)，從而雷達(dá)就能同時具有大的作用距離和高的距離分辨力。目前主流固態(tài)收發(fā)機(jī)產(chǎn)品脈沖壓縮比包括1500:1（terma5102）、600:1（terma 2202）和150:1（terma2201）。另外，固態(tài)接收機(jī)的動態(tài)范圍可以提高，有利于兼顧強(qiáng)弱回波信號。

③頻率分集和時間分集應(yīng)用：頻率分集用來克服頻率選擇性衰落，接收的不同頻率信號進(jìn)行疊加后，可有效降低目標(biāo)信號起伏造成的信號損失和丟目標(biāo)，提高雷達(dá)對目標(biāo)回波的檢測能力，增大雷達(dá)的檢測距離，同時也提高系統(tǒng)的抗干擾性，特別對電磁環(huán)境差、同頻干擾嚴(yán)重及抗雨雪雜波有一定作用。時間分集用來克服多路徑衰減，將同一信號相隔一定的時隙進(jìn)行多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔大于信道的相干時間（多普勒頻展的倒數(shù)），則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨(dú)立的幾個信號。磁控管雷達(dá)收發(fā)機(jī)和固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)技術(shù)性能對比見表1。

表1 磁控管雷達(dá)收發(fā)機(jī)和固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)技術(shù)性能對比

固態(tài)雷達(dá)收發(fā)機(jī)較磁控管收發(fā)機(jī)有著明顯的優(yōu)勢，重點(diǎn)覆蓋水域可選用雙機(jī)熱備模式，一般覆蓋水域可選用單機(jī)配置模式，工程中需進(jìn)一步結(jié)合站點(diǎn)實(shí)際情況進(jìn)行綜合比選。

2.2 甚高頻通信子系統(tǒng)

甚高頻通信（Very High Frequency，VHF）是VTS向船舶提供信息服務(wù)、交通組織服務(wù)和助航服務(wù)等日常通信業(yè)務(wù)的主要手段。目前我國海事VHF通信多采用25W/50W電臺，船載VHF與各海事管理部門之間通過固定基站接入與電路交換結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)模擬話音通信，該種模式難以擴(kuò)展其他多媒體應(yīng)用，越來越難以適應(yīng)目前多元化的應(yīng)用需求。VHF通信系統(tǒng)應(yīng)采用成熟先進(jìn)技術(shù)VIOP交換系統(tǒng)建設(shè)方案，提升甚高頻通信系統(tǒng)的信息化程度。電路交換和VOIP交換對比見表2。

表2 電路交換和VOIP交換對比

2.3 數(shù)據(jù)綜合處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)綜合處理子系統(tǒng)的組成包括雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和多傳感器綜合處理系統(tǒng)兩部分。其中，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理設(shè)備對雷達(dá)采集信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行雜波處理、目標(biāo)檢測、錄取跟蹤、數(shù)據(jù)壓縮等。多傳感器數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備將來自各前端雷達(dá)數(shù)字視頻和跟蹤數(shù)據(jù)、AIS/BDS數(shù)據(jù)以及甚高頻測向數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合處理，實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)目標(biāo)的跟蹤、自動識別和交通形勢評估；并對雷達(dá)目標(biāo)、AIS/BDS目標(biāo)進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)判和警示、CCTV視頻聯(lián)動跟蹤等綜合處理。升級后的數(shù)據(jù)綜合處理子系統(tǒng)應(yīng)提升大數(shù)據(jù)處理能力：抽取、清洗和融合各類多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，降低虛警和漏警概率，提高監(jiān)管目標(biāo)方位識別精度、距離識別進(jìn)度、定位精度，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，通過機(jī)器學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)管目標(biāo)的智能化分析，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率和人性化的船舶交通管理。

目前VTS先進(jìn)產(chǎn)品能達(dá)到單臺多傳感器綜合處理器處理不少于20000個目標(biāo)，如需進(jìn)一步提升融合目標(biāo)處理容量，可在此基礎(chǔ)上通過建立分區(qū)處理機(jī)制，綜合運(yùn)用并行計(jì)算、航跡融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多核CPU或多機(jī)負(fù)載均衡的集群綜合處理。

2.4 交通顯示與控制子系統(tǒng)

交通顯示與控制子系統(tǒng)是VTS系統(tǒng)人機(jī)交互接口。國產(chǎn)VTS系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分類，元數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)封裝等技術(shù)，對庫表結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一設(shè)計(jì)，支持VTS和MIS共享共用一套數(shù)據(jù)，并建立C/S和B/S不同體系架構(gòu)的高效可靠通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)雙方信息高度共享，支持全過程一體化聯(lián)動操控。目前VTS中心指揮調(diào)度系統(tǒng)基本采用傳統(tǒng)方式搭建，采用傳統(tǒng)矩陣+KVM傳輸器+液晶屏+處理器組成的大屏顯示系統(tǒng)，設(shè)備繁多對接復(fù)雜，集中式架構(gòu)故障風(fēng)險(xiǎn)高，系統(tǒng)規(guī)模升級擴(kuò)展受到限制。應(yīng)升級改造為分布式顯示控制系統(tǒng)，其采用IP化完全分布式構(gòu)架，圖控及傳輸系統(tǒng)不依賴于服務(wù)器、工作站或者是變相安裝在電子計(jì)算機(jī)上的軟硬件；避免服務(wù)器出現(xiàn)宕機(jī)現(xiàn)象或者傳統(tǒng)物理機(jī)箱故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)；穩(wěn)定度更好，顯示、控制和傳輸高度融合，可實(shí)現(xiàn)跨樓層、跨區(qū)域大規(guī)模的信號互聯(lián)互通。

圖1 集群綜合處理示意圖

2.5 管理信息子系統(tǒng)

管理信息子系統(tǒng)（Management Information System，MIS）是對VTS所涉及的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、維護(hù)和使用的信息管理系統(tǒng)。MIS利用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與VTS船舶動態(tài)數(shù)據(jù)交互、網(wǎng)絡(luò)集成等技術(shù)，通過對VTS中相關(guān)業(yè)務(wù)的信息集成，延伸信息的流程。

升級后的MIS系統(tǒng)應(yīng)具備大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用功能：①數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，綜合利用系統(tǒng)掌握的船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、接入的二級數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)、船舶動態(tài)數(shù)據(jù)、航行計(jì)劃、雷達(dá)航跡、AIS航跡等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船舶交通流量統(tǒng)計(jì)、違章統(tǒng)計(jì)、事故統(tǒng)計(jì)、重點(diǎn)船舶統(tǒng)計(jì)、錨地船舶統(tǒng)計(jì)、錨地拋錨超時統(tǒng)計(jì)、值班統(tǒng)計(jì)、進(jìn)出轄區(qū)統(tǒng)計(jì)等，并支持統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可視化，包括報(bào)表、直方圖、餅圖、曲線圖、熱力圖等，支持統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的打印輸出。②數(shù)據(jù)分析方面，能夠接入港口、航運(yùn)單位的船舶數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)、船運(yùn)數(shù)據(jù)、貨物數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)對轄區(qū)水域的航運(yùn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成重點(diǎn)貨物（油、礦、煤等）的物流分析和相關(guān)指數(shù)分析。③數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，利用統(tǒng)計(jì)、分析的各類數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合氣象信息、交通態(tài)勢、通航環(huán)境、管控措施等，對水上安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動態(tài)評估，對轄區(qū)水域船舶提供安全預(yù)警提醒。

省級聯(lián)網(wǎng)的VTS-MIS系統(tǒng)邏輯架構(gòu)可參考圖2，在省局建設(shè)VTSMIS數(shù)據(jù)共享交換中心，收集各分支局VTS中心匯聚報(bào)出的標(biāo)準(zhǔn)化后的船舶位置、軌跡、航次、狀態(tài)等數(shù)據(jù)。在各分支局VTS中心建設(shè)VTS-MIS數(shù)據(jù)緩存庫和共享協(xié)同數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)將VTS-MIS系統(tǒng)中的船舶位置、軌跡、航次、狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、解析、清洗等處理，存入新建的VTS緩存數(shù)據(jù)庫中，再通過數(shù)據(jù)同步功能，將其同步接入省局VTS-MIS數(shù)據(jù)共享交換中心，并提供給二級數(shù)據(jù)中心。同時，根據(jù)各分支機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求，將二級數(shù)據(jù)中心共享數(shù)據(jù)庫部分內(nèi)容向下同步到各分支局的共享協(xié)同數(shù)據(jù)庫。

圖2 數(shù)據(jù)共享交互系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

2.6 記錄與重放子系統(tǒng)

記錄重放子系統(tǒng)記錄雷達(dá)數(shù)字視頻、跟蹤數(shù)據(jù)、AIS/BDS數(shù)據(jù)和甚高頻話音、系統(tǒng)操作/狀態(tài)等信息，各數(shù)據(jù)之間要求實(shí)時同步。傳統(tǒng)集中式存儲包括DAS直連存儲、NAS/SAN集中存儲。其中DAS存儲與計(jì)算直連故靈活性較差；集中存儲設(shè)備類型豐富，通過IP/FC/FCOE網(wǎng)絡(luò)直連，具備一定的擴(kuò)展性，但受控制器能力限制，擴(kuò)展能力有限，設(shè)備到壽命更換數(shù)據(jù)遷移耗時耗力。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化不斷進(jìn)步，分布式存儲應(yīng)運(yùn)而生，長期大規(guī)模應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，追求擴(kuò)展性和低成本，并在逐步構(gòu)建企業(yè)級存儲能力。針對本系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可引入MongoDB數(shù)據(jù)庫或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫HBase（Hadoop Database），其中MongoDB是介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的產(chǎn)品，具備敏捷性、可伸縮性、擴(kuò)展性、高性能等特點(diǎn)，集群至少由主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)和仲裁節(jié)點(diǎn)3臺服務(wù)器組成，同時可在每臺節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)均衡分布。利用HBase可以在廉價(jià)的X86服務(wù)器上搭建起大規(guī)模存儲集群，HBase具備高可靠、高性能、面向列和可伸縮特性，并結(jié)合虛擬時鐘技術(shù)和雙線程、雙緩沖的協(xié)同控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多元異類記錄數(shù)據(jù)的按需組合、同步重放。

3.國產(chǎn)船舶交通管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和海事機(jī)構(gòu)智能化需求越來越高，國內(nèi)VTS廠家經(jīng)過長期需求調(diào)研、集中研討、開發(fā)與試運(yùn)行，不斷地完善國產(chǎn)船舶交通管理系統(tǒng)功能，其關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用包括水上目標(biāo)智能感知與識別、立體動態(tài)交通態(tài)勢展示、電子化智能值班、通航異常動態(tài)分析與智能告警、應(yīng)急事件智能化流程定制與處置、電子巡航一鍵化生成與執(zhí)行等。

4.結(jié)束語

船舶交通管理系統(tǒng)工程建設(shè)方案至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員、項(xiàng)目管理及項(xiàng)目決策人員應(yīng)在滿足管理、使用需求的基礎(chǔ)上結(jié)合新技術(shù)不斷完善建設(shè)方案。力爭在現(xiàn)有VTS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，大幅提升系統(tǒng)檢測、數(shù)據(jù)分析與處理能力，提升數(shù)據(jù)分析、交換和信息共享能力，讓交管工作更智能，進(jìn)一步提升海事管理精細(xì)化水平和提高突發(fā)事件應(yīng)急保障能力。