水利樞紐船舶交通管理系統(tǒng)應(yīng)用
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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、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PRIDeVTS1000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、存在的問題及已進行的改進，分析雷達偶發(fā)無法校準、無線網(wǎng)橋穩(wěn)定性差、攝像機布設(shè)數(shù)量不足的問題并提出了優(yōu)化改進建議。
關(guān)鍵詞：向家壩；船舶交通管理；VTS；應(yīng)用；優(yōu)化
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承擔。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105km，航道等級為V級，其中從大壩上游界線標至下游鐵路大橋共約6公里的河段為樞紐水上管理區(qū)。向家壩升船機按Ⅵ級航道設(shè)計，代表船型為2×500t級一頂二駁船隊，同時兼顧1000t級單船，樞紐建成后上下游的航道條件得到極大改善，升船機自2018年5月試通航以來，過閘船舶數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。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，升船機配套建設(shè)了船舶交通管理（VesselTrafficService，簡稱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配套VTS系統(tǒng)（以下簡稱向家壩VTS系統(tǒng)）于2018年初完成建設(shè)并移交運行管理單位，主要由PRIDeVTS1000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PRIDeVTS1000子系統(tǒng)用于監(jiān)控船舶的雷達和AIS信號，CCTV子系統(tǒng)主要用于對航道進行圖像監(jiān)控，VHF子系統(tǒng)主要用于監(jiān)控人員與船舶之間進行即時通訊。系統(tǒng)主要設(shè)施設(shè)備包括4個基站、7處高清攝像機、1個服務(wù)器站和2個監(jiān)控站，其中基站與高清攝像機分布置在樞紐上下游沿岸岸坡和碼頭等處，服務(wù)器站位于升船機機房大廳專設(shè)機房內(nèi)，而2個監(jiān)控站分別位于升船機調(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、攝像機和監(jiān)控站進行連接。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)橋進行跨江信號傳輸。除此之外服務(wù)器站還與升船機調(diào)度系統(tǒng)有連接。
1.2基站與攝像機
基站主要用于掃描和處理船舶雷達信號，并接收船載AIS終端發(fā)射的信號，同時作為VHF通訊信號的收發(fā)站點，而高清攝像機主要用于在航道不同位置對船舶的實時圖像監(jiān)控。4個基站均配置有1套雷達設(shè)備及其工作站，雷達持續(xù)掃描探測江面船舶信號，工作站則用于對雷達進行校準等操作，并對雷達掃描信號進行初步處理，屏蔽掉岸坡反射信號等無關(guān)信號。基站1和基站3各配備有2套AIS收發(fā)信機和4套VHF收發(fā)信機，2套AIS收發(fā)信機可互為備用，4套VHF收發(fā)信機各負責1個頻道的通訊，分別為升船機調(diào)度專用頻道、海事通訊專用頻道、應(yīng)急救援頻道以及1個備用頻道。7個高清攝像機中有2個布置在基站3，另有2個分別各布置在基站1和基站4，余下3個攝像機單獨布置在樞紐下游大橋上、下游側(cè)和升船機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，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個獨立布置的攝像機通過光纖直接與服務(wù)器站連接。
1.3監(jiān)控站
位于升船機調(diào)控室的監(jiān)控站，主要用于升船機調(diào)控人員監(jiān)視船舶動向、查看船舶到錨情況以便對船舶進行過閘調(diào)度和計劃排檔；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個監(jiān)控站的主要設(shè)備基本相同，包括1個VTS工作站和1個VHF工作站，還配備有1套多臺顯示器拼接的圖像監(jiān)控大屏。VTS工作站安裝有PRIDeVTS1000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、AIS信號和監(jiān)控航道實時視頻圖像；VHF工作站上安裝有VHF客戶端軟件，主要用于與船方進行甚高頻即時通訊；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)器站位于升船機機房大廳內(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、甚高頻服務(wù)器，磁盤陣列，等主要設(shè)備，同時配有核心交換機、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、AIS信號，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視頻監(jiān)控畫面，硬盤錄像機用于存儲監(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，磁盤陣列用于存儲錄音文件。
2系統(tǒng)應(yīng)用情況介紹
2.1PRIDeVTS1000子系統(tǒng)應(yīng)用情況
PRIDeVTS1000子系統(tǒng)通過各基站采集船舶的雷達和AIS信號，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現(xiàn)對船舶雷達、AIS信號的監(jiān)控[2]。如圖2所示，PRIDeVTS1000客戶端軟件界面為樞紐水上管理區(qū)的電子江圖，船舶的雷達掃描圖像、AIS信號位置直觀地顯示其方位，并可查看船舶的航行軌跡，通過AIS信號可查看船名拼音、船舶尺寸、航速、航向等信息，對于同時識別了AIS和雷達信號的船舶，系統(tǒng)會將目標進行融合，以更準確監(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，對于被系統(tǒng)識別的船舶，可顯示中文名稱等更豐富的信息。通過PRIDeVTS1000客戶端軟件，升船機調(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?？?，為下一步的船舶調(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，可全面的對船舶進行監(jiān)控，在夜間視頻監(jiān)控畫面無法看清時，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。PRIDeVTS1000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應(yīng)用。一是設(shè)置船舶自動到錨區(qū)，向家壩升船機在上游庫區(qū)設(shè)置有錨地，在電子江圖對應(yīng)區(qū)域上設(shè)置一到到錨區(qū)域，當系統(tǒng)識到某船舶別進入到錨區(qū)后，將發(fā)送到錨信號到升船機通航調(diào)度系統(tǒng)，使得該船舶的狀態(tài)自動變?yōu)橐训藉^，從而便于根據(jù)船舶的到錨順序進行過閘排檔。二是對浮標位置進行實時監(jiān)測，樞紐水上管理區(qū)內(nèi)航道上的專設(shè)船型浮標上裝設(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的實時位置，利用多功能區(qū)功能在電子江圖上劃定浮標的允許范圍，并設(shè)置離開告警，當因水位變化導(dǎo)致浮標位置偏移過大而離開該區(qū)域后，將觸發(fā)報警提醒調(diào)控人員及時對浮標進行檢查調(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個高清攝像機可實時采集航道圖像監(jiān)控畫面，調(diào)空人員在VTS工作站可在查看各攝像機的監(jiān)控畫面，通過云臺操作界面可對攝像機的方位、焦距等進行調(diào)整，圖像監(jiān)控大屏上可實現(xiàn)多監(jiān)控畫面同時顯示或單一畫面放大顯示。CCTV子系統(tǒng)所使用的攝像機為星光級高清球機，監(jiān)控畫面清晰度高且能自動對焦，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、號燈號型以及甲板人員動態(tài)等。7個攝像機的布設(shè)位置較為合理，通過云臺調(diào)整攝像機方向能監(jiān)控到水上管理區(qū)各個角落。系統(tǒng)移交之初CCTV子系統(tǒng)未配備儲存設(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，可支持7個攝像頭同時錄像數(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個頻道的共8臺VHF收發(fā)信機已確保甚高頻通訊信號對管理區(qū)的全覆蓋。在VHF工作站上可對各收發(fā)信機進行綜合管理，包括通過特定的收發(fā)信機進行通訊、對部分或全部收發(fā)信機進行監(jiān)聽錄音、回放錄音文件等，其中錄音回放功能對事故取證等有重要作用。實際使用中，若同時通過兩個基站同一個頻道的收發(fā)信機進行通訊，會出現(xiàn)信號重疊導(dǎo)致通訊雙發(fā)均無法聽清對方通話內(nèi)容的情況，因此一般選擇距通訊船舶較近的收發(fā)信機進行通訊，而將另一個基站的對應(yīng)頻道靜音。
3遺留問題及優(yōu)化建議
3.1雷達無法校準問題
PRIDeVTS1000客戶端軟件偶有出現(xiàn)個別雷達無法連接的情況，檢查雷達天線轉(zhuǎn)動正常，但基站工作站上雷達控制程序顯示雷達一直處于“校準中”狀態(tài)，重啟雷達也無法解決。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)的雷達信號轉(zhuǎn)換模塊受潮濕所致。該模塊用于將雷達同軸電纜信號線轉(zhuǎn)換為網(wǎng)線信號再與工作站連接，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，而信號轉(zhuǎn)換模塊的電路板也未進行防水防潮處理。建議對信號轉(zhuǎn)換模塊進行防水防潮處理，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)橋與江對岸的基站1連接。實際使用中，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)雷達無法連接、監(jiān)控畫面卡頓、VHF無法通訊等問題。基站4目前已通過單獨敷設(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，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)手段增強跨江連接的無線網(wǎng)橋信號的穩(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攝像機布設(shè)數(shù)量不足問題
CCTV子系統(tǒng)的7個攝像機雖然布設(shè)位置較為合理，但布設(shè)數(shù)量略顯不足，來帶了兩個方面的問題。一是同一監(jiān)控點的監(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臺攝像機，如果將攝像機監(jiān)控方向?qū)式鼔紊嫌蝹?cè)，則不能同時監(jiān)控近壩下游側(cè)；二是雖然使用的星光級球機清晰度夠高，但因攝像機布設(shè)較為稀疏，難免出現(xiàn)某些監(jiān)控區(qū)域距所有攝像機均較遠的情況，在能見度不高的天氣下，難以對這些區(qū)域的船舶進行清晰地監(jiān)控。建議增加基站1等關(guān)鍵位置的攝像機數(shù)量，實現(xiàn)多方位同時監(jiān)控，同時增加攝像機的沿樞紐河段的布設(shè)密度，以增強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，對船舶的AIS信號、雷達信號、圖像信息進行綜合實時監(jiān)控，使升船機調(diào)控人員與海事主管部門能夠及時掌握船舶方位、航向、航速等信息，并通過甚高頻通訊系統(tǒng)向船舶下達調(diào)度指令和提供安全航行所需信息，對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)投運以來設(shè)備運行基本穩(wěn)定，建議后續(xù)采取技術(shù)手段解決雷達無法自動校準、無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不高等問題，同時增加攝像機布設(shè)數(shù)量以提高對航道的圖像監(jiān)控效果。
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作者：劉佳洋 黃仁輝 馬麟 單位：中國長江電力股份有限公司向家壩水力發(fā)電廠