語(yǔ)音交互技術(shù)在VTS預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

呂新立，于世杰，董 瀚（唐山海事局，河北 唐山 063611）

一、引言

預(yù)警，英文為Early-Warning，是在災(zāi)害或?yàn)?zāi)難以及其他需要提防的危險(xiǎn)發(fā)生之前，根據(jù)以往總結(jié)的規(guī)律得到的可能性前兆，向有關(guān)部門或單位發(fā)出的緊急信號(hào)，報(bào)告危險(xiǎn)情況。

科學(xué)的判斷、預(yù)測(cè)水域中船舶的交通變化，采取信息發(fā)布、交通廣播等方式保障水域交通暢通，最大限度地保障船舶航行安全，提供良好的船舶預(yù)警信息服務(wù)，是信息時(shí)代背景下對(duì)智能化船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）提出的新要求。但是，隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，VTS值班員的監(jiān)控壓力也越來(lái)越大。

首先，VTS覆蓋區(qū)域通常面積較大、航行船舶較多、交通態(tài)勢(shì)較為復(fù)雜；其次，值班員配備數(shù)量有限、人員精力有限、人工監(jiān)控航行動(dòng)態(tài)存在一定的局限性；最后，雖然目前VTS系統(tǒng)能夠提供預(yù)警方面的信息，輔助人工監(jiān)控船舶交通，但是這些預(yù)警存在大量的重復(fù)報(bào)警、無(wú)效報(bào)警和漏報(bào)警，值班員需要反復(fù)核實(shí)，導(dǎo)致不僅沒(méi)有減輕值班員的工作負(fù)擔(dān)，反而增加了工作量。

基于上述原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套充分整合現(xiàn)有系統(tǒng)資源，引入智能語(yǔ)音轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提供精準(zhǔn)VTS人工智能語(yǔ)音預(yù)警信息服務(wù)的解決方案。通過(guò)分析船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)，深入探討如何實(shí)現(xiàn)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)智能語(yǔ)音提醒。

二、船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算

（一）首先需要根據(jù)ITU-R M.1371-4建議書(shū)的內(nèi)容[1]，對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）報(bào)文消息進(jìn)行解析[2]，提取船舶的動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息。

（二）根據(jù)獲取船舶位置的經(jīng)緯度信息，運(yùn)用平面射線法判斷船舶是否在VTS監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。

（三）對(duì)VTS轄區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)行距離計(jì)算[3]，判斷兩船是否有緊迫危險(xiǎn)，因?yàn)閮纱g如果距離過(guò)遠(yuǎn)，顯然是不存在這種危險(xiǎn)的，兩點(diǎn)的距離精確計(jì)算公式為：

設(shè)定A點(diǎn)1λ（緯度，經(jīng)度）和B點(diǎn)2λ（緯度，經(jīng)度）則其中 c osD=A1?A2+B1?B2+C

（四）如果兩船的距離在設(shè)定范圍之內(nèi)，那么就可以進(jìn)行船舶最近會(huì)遇距離（DCPA）和到達(dá)會(huì)遇距離的時(shí)間（TCPA）計(jì)算。

假設(shè)本船的航速為 0v，航向?yàn)镃0；目標(biāo)船的航速為tv，航向?yàn)镃t；目標(biāo)船相對(duì)于本船的方位角為B；目標(biāo)船與本船之間的距離為D。

1. 相對(duì)速度vr計(jì)算

其中：

2. 相對(duì)航向Cr計(jì)算

3. 相對(duì)舷角rQ的計(jì)算

4. DCPA和TCPA的計(jì)算

（五）為使計(jì)算更加的精確，應(yīng)重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，以防船舶信號(hào)錯(cuò)誤或者船舶在轉(zhuǎn)向過(guò)程中發(fā)生的偶發(fā)碰撞危險(xiǎn)。

（六）DCPA與TCPA值可以根據(jù)船舶交通流量確定，也可以根據(jù)船舶尺度確定，在此不再贅述。

三、碰撞預(yù)警信息的過(guò)濾

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警的精確性，達(dá)到或優(yōu)于人工判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息數(shù)量可控，必須對(duì)所有預(yù)警信息實(shí)行智能分析過(guò)濾，保證最終預(yù)警信息為有效信息。

（一）智能屏蔽拖輪與拖輪或拖輪與商船之間的碰撞預(yù)警提醒

拖輪在作業(yè)期間，會(huì)經(jīng)常與其他船舶接近，但是這種接近是屬于正常的無(wú)危險(xiǎn)的接近，并且拖輪機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，碰撞危險(xiǎn)系數(shù)比較低，因此可以將此類預(yù)警屏蔽。屏蔽的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是自動(dòng)識(shí)別的方式，從AIS靜態(tài)信息中獲取船舶類型信息，根據(jù)船舶類型判斷船舶是否為拖輪；二是列舉方式，一般對(duì)港口型VTS來(lái)說(shuō)，港作拖輪的數(shù)量是有限的，可以將拖輪的信息列舉出來(lái)。拖輪碰撞提醒的屏蔽屬于雙方屏蔽，即凡是涉及到拖輪的碰撞危險(xiǎn)信息都將被屏蔽。

（二）智能屏蔽漁船與漁船之間的碰撞提醒

漁船數(shù)量多，經(jīng)常集中作業(yè)，相互之間的交通態(tài)勢(shì)復(fù)雜，漁船之間正常進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候會(huì)有接近發(fā)生，所以必須將漁船之間的碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行屏蔽，防止這種提醒對(duì)其他預(yù)警信息的干擾。

（三）屏蔽兩艘船之間的重復(fù)提醒

相同兩艘船之間的碰撞危險(xiǎn)通常會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，如果碰撞危險(xiǎn)沒(méi)有解除，系統(tǒng)仍然在進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的VTS技術(shù)會(huì)將預(yù)警反復(fù)地提供給用戶，造成嚴(yán)重的信息干擾，所以相同兩船之間的碰撞危險(xiǎn)提醒只提供一次即可。

（四）屏蔽商船進(jìn)入漁船密集區(qū)的提醒

當(dāng)一艘普通商船進(jìn)入到一片漁船密集區(qū)的時(shí)候，有可能對(duì)一艘商船和多艘漁船之間預(yù)警上百次，所以必須控制同一艘商船在一段時(shí)間內(nèi)與漁船的預(yù)警數(shù)量，避免商船進(jìn)入漁船密集區(qū)的反復(fù)預(yù)警。

（五）屏蔽港池或者油田區(qū)域的提醒

港池或者油田作業(yè)區(qū)域，船舶靠泊作業(yè)頻繁，船舶之間的距離非常接近，通過(guò)對(duì)特定區(qū)域的屏蔽，保證這些正常作業(yè)情況不被預(yù)警，減少對(duì)真正危險(xiǎn)的預(yù)警的干擾。

四、語(yǔ)音的合成與發(fā)送

預(yù)警信息過(guò)濾后，即可以生成預(yù)警提醒信息，預(yù)警信息應(yīng)該簡(jiǎn)潔高效，盡量使用航海標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)，包含的提醒信息應(yīng)該盡量準(zhǔn)確。

（一）預(yù)警信息

應(yīng)該包括以下5項(xiàng)內(nèi)容：一是兩船的船名；二是兩船的呼號(hào)；三是兩船的距離；四是兩船的相對(duì)方位；五是兩船的船舶種類。

（二）語(yǔ)音合成

TTS（Text-To-Speech）是指文本語(yǔ)音的簡(jiǎn)稱，即通過(guò)TTS引擎把文本轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音輸出。微軟TTS語(yǔ)音引擎提供了Windows Speech SDK開(kāi)發(fā)包供編程者使用。Windows Speech SDK包含語(yǔ)音合成（SS）引擎和語(yǔ)音識(shí)別（SR）引擎兩種，SS引擎用于將文字轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音輸出。SR可以使用不同的語(yǔ)音庫(kù)，優(yōu)化發(fā)音以便最大程度的接近真人發(fā)音，利用TTS可以將預(yù)警信息直接轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音。另外，可以將預(yù)警信息合成為兩種語(yǔ)音，對(duì)于本國(guó)船舶，可以合成為本國(guó)語(yǔ)言的語(yǔ)音，但是在合成之前必須對(duì)船舶的國(guó)籍進(jìn)行判斷。對(duì)于外國(guó)籍船舶可以合成為英語(yǔ)或者其他相應(yīng)國(guó)籍的語(yǔ)言。同時(shí)，對(duì)于預(yù)警信息，比如呼號(hào)，應(yīng)該盡可能的優(yōu)化，以便符合航海標(biāo)準(zhǔn)英語(yǔ)的發(fā)音。

（三）語(yǔ)音發(fā)送

語(yǔ)音合成以后，需控制甚高頻進(jìn)行發(fā)送，可以設(shè)定在甚高頻的多個(gè)頻道上進(jìn)行發(fā)送，保證聲音可以傳輸?shù)疆?dāng)事船舶。為了避免對(duì)正常通話的干擾，應(yīng)該對(duì)甚高頻的通話狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。在甚高頻存在通話的時(shí)候，可以根據(jù)用戶設(shè)置來(lái)避免對(duì)正常通話的干擾?？梢圆捎肧TC15W408AS單片機(jī)作為主控，通過(guò)比較器檢測(cè)聲音信號(hào)判斷高頻是否占用，串口協(xié)議與軟件進(jìn)行通信。在與甚高頻的接口上，可用音頻輸入接口（AUX）與AUX麥克按鍵控制（PTT）音頻信號(hào)注入，也可以模擬麥克與PTT的方式注入音頻，并對(duì)阻抗匹配做了優(yōu)化，保證播發(fā)音質(zhì)，同時(shí)提高了硬件與各品牌甚高頻的兼容性。

甚高頻控制，在需要進(jìn)行甚高頻播發(fā)的時(shí)候，利用單片機(jī)進(jìn)行串口通信，發(fā)送控制信號(hào)給甚高頻主機(jī)，控制甚高頻收發(fā)機(jī)工作，同時(shí)發(fā)送已經(jīng)合成的語(yǔ)音信號(hào)，播發(fā)完畢時(shí)，發(fā)送釋放甚高頻的信號(hào)，完成播發(fā)。

五、碰撞危險(xiǎn)的顯示及解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)

采用S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖顯示船舶碰撞危險(xiǎn)，為了讓預(yù)警信息一目了然地提供給值班員，建議采用屏蔽正常船舶的方式，單獨(dú)突出顯示碰撞危險(xiǎn)船舶，顯示內(nèi)容包括船舶的航向、船名、位置等信息。解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 解決方案實(shí)施的總體結(jié)構(gòu)

六、實(shí)際應(yīng)用效果

截至2019年12月31日，系統(tǒng)在唐山海事局轄區(qū)共發(fā)出船舶進(jìn)入禁航區(qū)提醒14 081次，船舶碰撞提醒133 505次，播發(fā)預(yù)警廣播7 000余次。2017年12月至2020年6月，系統(tǒng)在北海海事局轄區(qū)共發(fā)出禁航區(qū)提醒38 012次，船舶碰撞提醒34 641次，報(bào)告提醒10 049次。通過(guò)船舶監(jiān)控智能語(yǔ)音提醒系統(tǒng)建設(shè)，能有效減少海上人命和財(cái)產(chǎn)損失，讓航行更安全、海洋更清潔。

七、社會(huì)效益

從2017年至今，系統(tǒng)已經(jīng)在河北秦皇島、京唐港、曹妃甸、滄州，廣西北海、欽州、防城港，廣東廣州，福建福州、泉州等多家VTS中心實(shí)地安裝使用，累計(jì)銷售16臺(tái)/套，新增直接經(jīng)濟(jì)效益500余萬(wàn)元，按現(xiàn)有安裝情況，預(yù)計(jì)今后每年可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益100萬(wàn)元。本項(xiàng)目成果可在各分支機(jī)構(gòu)交管中心安裝使用，每臺(tái)/套約30萬(wàn)元，以每個(gè)交管中心平均3個(gè)值班臺(tái)，每個(gè)直屬局平均4個(gè)分支局計(jì)算，全國(guó)目前共有15個(gè)直屬海事局，全部安裝的費(fèi)用約為5 400萬(wàn)。

海上事故無(wú)小事，事故會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)損失、嚴(yán)重的海上污染甚至造成大量人員傷亡，船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)預(yù)警對(duì)事故事前預(yù)防、事后發(fā)現(xiàn)及船舶違法行為自動(dòng)識(shí)別等都具有重要意義，通過(guò)船舶監(jiān)控智能語(yǔ)音提醒系統(tǒng)建設(shè)，能夠有效降低海上船舶航行風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

八、結(jié)語(yǔ)

隨著語(yǔ)音交互技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，在航海預(yù)警中應(yīng)用人性化的語(yǔ)音預(yù)警是必然的發(fā)展趨勢(shì)。語(yǔ)音交互技術(shù)應(yīng)用在VTS系統(tǒng)中，不僅可以極大地提升VTS信息服務(wù)能力，還能輔助VTS值班人員值班，減輕值班人員工作壓力、減少事故發(fā)生，保障航行安全、維護(hù)水域清潔，所以加強(qiáng)語(yǔ)音交互技術(shù)在航?；蛘遃TS系統(tǒng)中的應(yīng)用是十分必要的。