船舶交通管理系统在向家坝水利枢纽的应用

刘佳洋 黄仁辉 马麟

摘 要：介绍了向家坝水利枢纽船舶交通管理系统的基站、摄像机、服务器、监控站等主要设备设施的布设情况，介绍了PRIDe VTS 1000子系统、视频监控子系统和甚高频通讯子系的应用效果、存在的问题及已进行的改进，分析雷达偶发无法校准、无线网桥稳定性差、摄像机布设数量不足的问题并提出了优化改进建议。

关键词：向家坝;船舶交通管理;VTS;应用;优化

中图分类号：U66                 文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0060-03

向家坝水利枢纽位于云南省与四川省交界的金沙江下游河段，是一座以发电为主，兼顾防洪、通航和灌溉三大功能的综合型水利工程，其中通航功能由配套建设的全平衡式垂直升船机承担。枢纽所在金沙江河段为通航河段，通航里程上至新市镇，下至宜宾市，全长105km，航道等级为V级，其中从大坝上游界线标至下游铁路大桥共约6公里的河段为枢纽水上管理区。向家坝升船机按Ⅵ级航道设计，代表船型为2×500t级一顶二驳船队，同时兼顾1000t级单船，枢纽建成后上下游的航道条件得到极大改善，升船机自2018年5月试通航以来，过闸船舶数量呈现快速增长的趋势。另一方面，枢纽河段内港口、码头较多，船舶航行、停泊、作业频繁，与升船机过闸船舶航路交叉，也加大了枢纽河段水上交通的复杂性。为更好地监管和调度枢纽水上管理区内的船舶，升船机配套建设了船舶交通管理（Vessel Traffic Service，简称VTS[1]）系统。

1 系统设备布设情况介绍

1.1  系统设备总体布置

向家坝水利枢纽升船机配套VTS系统（以下简称向家坝VTS系统）于2018年初完成建设并移交运行管理单位，主要由PRIDe VTS 1000子系统、视频监控（CCTV）子系统和甚高频通讯（VHF）子系统三部分组成，其中PRIDe VTS 1000子系统用于监控船舶的雷达和AIS信号，CCTV子系统主要用于对航道进行图像监控，VHF子系统主要用于监控人员与船舶之间进行即时通讯。

系统主要设施设备包括4个基站、7处高清摄像机、1个服务器站和2个监控站，其中基站与高清摄像机分布置在枢纽上下游沿岸岸坡和码头等处，服务器站位于升船机机房大厅专设机房内，而2个监控站分别位于升船机调控室和枢纽联合指挥中心。如图1所示，服务器站作为整个系统的数据处理和通讯中心，主要通过光纤与各基站、摄像机和监控站进行连接。位于枢纽下游某码头的基站3与其它主要设备隔江布置难以敷设光纤，因而采用无线网桥进行跨江信号传输。除此之外服务器站还与升船机调度系统有连接。

1.2  基站与摄像机

基站主要用于扫描和处理船舶雷达信号，并接收船载AIS终端发射的信号，同时作为VHF通讯信号的收发站点，而高清摄像机主要用于在航道不同位置对船舶的实时图像监控。4个基站均配置有1套雷达设备及其工作站，雷达持续扫描探测江面船舶信号，工作站则用于对雷达进行校准等操作，并对雷达扫描信号进行初步处理，屏蔽掉岸坡反射信号等无关信号。基站1和基站3各配备有2套AIS收发信机和4套VHF收发信机，2套AIS收发信机可互为备用，4套VHF收发信机各负责1个频道的通讯，分别为升船机调度专用频道、海事通讯专用频道、应急救援频道以及1个备用频道。7个高清摄像机中有2个布置在基站3，另有2个分别各布置在基站1和基站4，余下3个摄像机单独布置在枢纽下游大桥上、下游侧和升船机下游引航道出口处的岸坡上。基站配备的各主要设备通过网线连接至基站交换机，除基站3外的其余基站经光纤收发器转换为光纤与服务器站连接，3个独立布置的摄像机通过光纤直接与服务器站连接。

1.3  监控站

位于升船机调控室的监控站，主要用于升船机调控人员监视船舶动向、查看船舶到锚情况以便对船舶进行过闸调度和计划排档;位于枢纽联合指挥中心的监控站，主要用于海事主管部门监控船舶是否有违规行为，并向船舶发送安全航行相关信息。2个监控站的主要设备基本相同，包括1个VTS工作站和1个VHF工作站，还配备有1套多台显示器拼接的图像监控大屏。VTS工作站安装有PRIDe VTS 1000子系统客户端软件和CCTV客户端软件，分别用于监控船舶雷达、AIS信号和监控航道实时视频图像;VHF工作站上安装有VHF客户端软件，主要用于与船方进行甚高频即时通讯;监控大屏由多块显示器拼接而成，用于显示CCTV视频监控画面。

1.4  服务器站

服务器站位于升船机机房大厅内，包含核心服务器、电子海图服务器、记录服务器、多源信息服务器、视频解码服务器、硬盘录像机、甚高频服务器，磁盘阵列，等主要设备，同时配有核心交换机、光纤收发器等网络通讯设备。其中核心服务器、电子海图服务器、记录服务器、多源信息服务器主要用于处理、整合、记录基站采集的雷达、AIS信号，以便在VTS客户端软件上供监控人员查看和操作;视频解码服务器用于在图像监控大屏上拼接摄像机视频监控画面，硬盘录像机用于存储监控视频文件;甚高频服务器用于整合各基站的各频道，以便在甚高频客户端软件上，磁盘阵列用于存储录音文件。

2系统应用情况介绍

2.1  PRIDe VTS 1000子系统应用情况

PRIDe VTS 1000子系统通过各基站采集船舶的雷达和AIS信号，由相关服务器整合、处理，最终在VTS工作站的客戶端软件上实现对船舶雷达、AIS信号的监控[2]。如图2所示，PRIDe VTS 1000客户端软件界面为枢纽水上管理区的电子江图，船舶的雷达扫描图像、AIS信号位置直观地显示其方位，并可查看船舶的航行轨迹，通过AIS信号可查看船名拼音、船舶尺寸、航速、航向等信息，对于同时识别了AIS和雷达信号的船舶，系统会将目标进行融合，以更准确监控船舶的方位和航行信息[3]。另外，系统配备有船舶AIS数据库，对于被系统识别的船舶，可显示中文名称等更丰富的信息。

通过PRIDe VTS 1000客户端软件，升船机调控人员可方便地查看船舶方位等信息，并可判断船舶是否已按调度指令航行和停靠，为下一步的船舶调度和设备操作提供依据。该子系统与CCTV监控系统相互配合，可全面的对船舶进行监控，在夜间视频监控画面无法看清时，该子系统的显得格外重要，联合指挥中心可监督船舶是否存在违规夜航。

PRIDe VTS 1000客户端软件具备“多功能区”功能，该功能在向家坝水利枢纽有两项应用。一是设置船舶自动到锚区，向家坝升船机在上游库区设置有锚地，在电子江图对应区域上设置一到到锚区域，当系统识到某船舶别进入到锚区后，将发送到锚信号到升船机通航调度系统，使得该船舶的状态自动变为已到锚，从而便于根据船舶的到锚顺序进行过闸排档。二是对浮标位置进行实时监测，枢纽水上管理区内航道上的专设船型浮标上装设具有AIS定位功能的网位移，这样便可在电子江图上显示浮标的实时位置，利用多功能区功能在电子江图上划定浮标的允许范围，并设置离开告警，当因水位变化导致浮标位置偏移过大而离开该区域后，将触发报警提醒调控人员及时对浮标进行检查调整。

2.2  图像监控子系统应用情况

CCTV子系统设置在枢纽水上管理区各处的共7个高清摄像机可实时采集航道图像监控画面，调空人员在VTS工作站可在查看各摄像机的监控画面，通过云台操作界面可对摄像机的方位、焦距等进行调整，图像监控大屏上可实现多监控画面同时显示或单一画面放大显示。CCTV子系统所使用的摄像机为星光级高清球机，监控画面清晰度高且能自动对焦，在气象条件满足的情况下能看清监控区域内船舶的船名、号灯号型以及甲板人员动态等。7个摄像机的布设位置较为合理，通过云台调整摄像机方向能监控到水上管理区各个角落。

系统移交之初CCTV子系统未配备储存设备，监控视频无法录像保存，后在服务器站增加了一套容量为4×4TB的硬盘录像机，可支持7个摄像头同时录像数据保存30天以上，为船舶事故画面回放等需求提供了支持。

2.3  甚高频通讯子系统应用情况

枢纽水上管理区范围较大，在基站1和基站3的分别布设的4个频道的共8台VHF收发信机已确保甚高频通讯信号对管理区的全覆蓋。在VHF工作站上可对各收发信机进行综合管理，包括通过特定的收发信机进行通讯、对部分或全部收发信机进行监听录音、回放录音文件等，其中录音回放功能对事故取证等有重要作用。

实际使用中，若同时通过两个基站同一个频道的收发信机进行通讯，会出现信号重叠导致通讯双发均无法听清对方通话内容的情况，因此一般选择距通讯船舶较近的收发信机进行通讯，而将另一个基站的对应频道静音。

3 遗留问题及优化建议

3.1  雷达无法校准问题

PRIDe VTS 1000客户端软件偶有出现个别雷达无法连接的情况，检查雷达天线转动正常，但基站工作站上雷达控制程序显示雷达一直处于“校准中”状态，重启雷达也无法解决。持续观察发现该故障多出现在湿度较大的阴雨天气，连续数日的晴朗天气后故障能自动消除，经排查发现该问题是由位于室外小型电控箱内的雷达信号转换模块受潮湿所致。该模块用于将雷达同轴电缆信号线转换为网线信号再与工作站连接，室外电控箱虽能挡雨但有透气孔，因此箱内湿度受环境影响较大，而信号转换模块的电路板也未进行防水防潮处理。

建议对信号转换模块进行防水防潮处理，并改用密封效果好的电控箱，或将该模块移至基站室内。

3.2  无线网桥稳定性差问题

向家坝VTS系统移交之初，除前述基站3通过无线网桥与基站2连接外，基站4同样通过无线网桥与江对岸的基站1连接。实际使用中，跨江连接的无线网桥在雨天和江面水雾较大的情况下稳定性不高，常出现雷达无法连接、监控画面卡顿、VHF无法通讯等问题。基站4目前已通过单独敷设光纤与服务器站连接解决了该问题，但基站3因位置偏远，敷设光纤施工存在一定难度，因此暂维持原状。

建议将无线设备换型或通过其它技术手段增强跨江连接的无线网桥信号的稳定性，或设法敷设光纤将基站3直接与服务器站连接[4]。

3.3  摄像机布设数量不足问题

CCTV子系统的7个摄像机虽然布设位置较为合理，但布设数量略显不足，来带了两个方面的问题。一是同一监控点的监控方向容易出现顾此失彼的情况，例如大坝左岸近岸区域仅在岸坡较高位置的基站1布设了1台摄像机，如果将摄像机监控方向对准近坝上游侧，则不能同时监控近坝下游侧;二是虽然使用的星光级球机清晰度够高，但因摄像机布设较为稀疏，难免出现某些监控区域距所有摄像机均较远的情况，在能见度不高的天气下，难以对这些区域的船舶进行清晰地监控。

建议增加基站1等关键位置的摄像机数量，实现多方位同时监控，同时增加摄像机的沿枢纽河段的布设密度，以增强低能见度天气下的监控效果。

4 结论

向家坝VTS系统利用在枢纽河段岸坡、码头布置的基站和高清摄像机，对船舶的AIS信号、雷达信号、图像信息进行综合实时监控，使升船机调控人员与海事主管部门能够及时掌握船舶方位、航向、航速等信息，并通过甚高频通讯系统向船舶下达调度指令和提供安全航行所需信息，对保障船舶在枢纽水上管理区内的航行安全起到了重要作用。该系统投运以来设备运行基本稳定，建议后续采取技术手段解决雷达无法自动校准、无线网络稳定性不高等问题，同时增加摄像机布设数量以提高对航道的图像监控效果。

参考文献：

[1]陈泽亮， 刘沁悦. 浅谈VTS运行维护的问题及对策[J]. 珠江水运， 2019， （11）： 89-90.

[2]陈珺， 常化德. 船舶交通管理系统（VTS）概况及进展[J]. 中国水运， 2019， 19（9）： 37-38.

[3]李春光， 冯嵘， 余啸野， 张志玮， 孙一， 邢侃. 自动识别系统（AIS）在交通管理系统（VTS）中的应用[J]. 天津航海， 2017， （1）： 44-46.

[4]陈泽亮， 刘沁悦. 长江海事局VTS运行维护存在的问题及对策[J]. 中国水运， 2017， 38（12）： 22-23.