海上智能交通指挥系统结构研究

第13卷 第1期 中 国 水 运 Vol.13 No.1 2013年 1月 China Water Transport January 2013

收稿日期：2012-08-20

作者简介：刘文远（1968-），男，燕山大学经济管理学院教授，博士生导师，研究方向为信息资源规划、物流与供应链

管理、海上交通与口岸管理。

基金项目：河北省科学技术研究与发展计划软科学研究项目《河北省煤炭港口供应链管理模式及物流信息化综合服务体系

研究》（12457203D-8）

海上智能交通指挥系统结构研究

刘文远1

，李志强1,2

，陈红梅1

（1燕山大学 经济管理学院，河北 秦皇岛 066004；2曹妃甸海事处，河北 唐山 063200）

摘 要：海上智能交通指挥系统是目前港口扩建、航道改造等海上交通工程规划和可行性论证最为重要的手段，是交通流信息整合、海上监控与预警、应急指挥与通航管理等海事交通指挥智能化的基础。海上智能交通指挥系统在海事管理与监管中起着至关重要的作用，直接影响着海上交通的有效管理。文中通过对海上智能交通指挥系统的功能研究，完成系统结构构建，应用关联规则技术、电子海图技术、位置融合技术等，实现辖区海域的数据整合、海图展示、船舶动态监管、在泊船舶核查、数据统计分析与决策支持等主要功能。 关键词：海上智能交通；关联规则；智能控制

中图分类号：U491 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2013）01-0095-03

随着港口物流任务日益繁重、海上交通量持续增加，交通智能化的要求日益迫切，智能交通在港口运营与海上安全管理中逐步得到应用，并且高度协同、全智能、全过程交通服务已经成为海上交通管理的关键。在海上智能交通管理中，较为典型的应用包括电子数据交换（EDI）、船舶交通管理系统（VTS）、船载自动识别系统（AIS）等，但系统间“信息孤岛”及协同性问题极大地影响着港口运作与海上交通指挥，因此，构建集智能交通、海上应急指挥、海上移动执法于一体的海上智能交通指挥系统，是海事管理技术发展重点，同时为海上交通、港口及临港产业发展提供重要支撑与保障[1]。

一、问题的提出

1．海上智能交通指挥系统的含义

海上智能交通指挥系统的建设主体为海事部门，旨在对辖区水域水上交通安全和防止船舶污染等实施统一管理，强调通航环境的治理与水域畅通的保障。

海上智能交通指挥系统与港口紧密衔接，是海上交通管理与港口服务的智能化提升与延伸，该系统将船舶管理、应急指挥、通航管理等子系统惊醒有机衔接与协调配合，是海事监管和执法能力充分发挥的前提条件。该系统强调在电子海图引擎的支持下，生成辖区港口的二维海图，并采集VTS 和AIS 的船舶数据，将船舶数据展示到二维海图上，进而指挥船舶进港、停泊、出港等一系列动态交通，同时实现船舶数据的智能统计与分析、航道与港口资源的合理配置等[2]。

2．海上交通管理存在问题分析

国际国内贸易的发展促使港口货物吞吐量不断增加、进出港船舶变多、海事业务繁忙，而VTS、AIS 等监控手段已无法完全地适应需求，导致各种问题的产生，主要表现为：“信息孤岛”问题，由于各业务系统间相互孤立，业务人员很难获取其他业务部门信息，如调度人员对于船舶违章处理信息的及时获取和处理等；协同化问题，由于海事信息化建

设缺乏统一协调，各单位信息化建设层次不一致、起点水平多样，导致信息化建设和整体服务水平较弱，阻碍港口通航能力的可持续发展；信息发布问题，与海事相关的港航单位、外出作业人员、执法人员等利用自助手段查询的信息，一般不能统一，使得各单位间交通基础信息无法及时共享或对外发布，影响工作效率并存在大量通航安全隐患。

综合上述存在的问题，当前海上交通管理中明显电子化、智能化不足，且亟需信息整合与协同管理，因此，建立海上智能交通指挥系统极具现实意义。

二、系统总体设计

海上智能交通指挥系统以畅通海上运输、保障海上安全为主线，围绕海事内部管理人员、口岸单位、相关企业、社会公众以及行政相对人等的实际需求，实现数据的有效整合、船舶的实施监管以及智能分析、决策与预警，系统整体设计思路如图1

所示。

图1 海上智能交通指挥系统整体设计图 海上智能交通指挥系统接入方式呈多样化，融合传统的Web 接入方式，及适应于当前移动办公的Wap 接入、短信接入、统一呼叫中心等[3]。

海上智能交通指挥系统旨在实现海事各类业务数据整

96 中 国 水 运 第13卷

合、电子海图系统展现、船舶动态监管、在泊船舶核查、数

据记录、查询与统计、海上预警与应急等功能，系统实施是

一个循序渐进的过程，将充分考虑到现有VTS、AIS等系统

整合，在标准体系支持下，实现综合性智能指挥平台的展现。

三、系统功能构成

基于电子海图技术的海上智能交通系统，主要是对海事

部门辖区内基础地理、船舶动态、航道交通、港口资源等设

施，及其他相关的信息进行数字化建设，建立辖区空间属性

数据库（包括码头、航道、锚地、船舶、在港业务等），实现

辖区基础数据的查询显示，水域及相关专题数据的查询统计、

辖区船舶动态、业务数据的快速，直观检索、应急搜救资源

和搜救决策的辅助支持，从而实现港区内信息的智能统计和

查询，并提供信息服务、交通指挥管理，船舶监控等功能。

具体功能结构如图2所示。

图2 海上智能交通指挥系统功能图

1．数据整合

海上智能交通指挥系统的数据整合涵盖VTS、AIS数据

融合，基础数据采集、数据交换等。

在VTS、AIS的数据整合中，通过VTS与AIS获取实

时船舶数据，将数据通过匹配进行统一整合，以保证精确、

全面、丰富的船舶数据；在基础数据采集中，作为智能交通

分析的支撑，通过相关业务系统导入，方便数据查询、统计、

挖掘、支持搜救工作等。主要数据来源由船舶数据、通航环

境数据、靠离泊条件、水文气象等构成；在数据交换中，主

要与海事的业务综合管理系统通过中间件进行数据交换，实

现船舶动态信息与静态信息的获取与使用。

2．电子海图展示

海上智能交通指挥系统引入电子海图，主要实现船舶以

及通航要素的图形化显示，海图中的船舶功能操作以及船舶

类型的划分。

在船舶以及通航要素的图形化显示中，通过系统自行研

发的海图引擎，实时显示辖区内海图及通航要素，实现海图

放大缩小、定位、要素查询等功能，同时可控制各图层的显

示和隐藏；在船舶功能操作中，用于控制船舶的状态改变，

并根据当前条件决定是否允许船舶状态改变，对于不同状态

下的船舶可操作的功能不同；在船舶类型区分中，对不同类

型的船舶在不同的动态下以不同的显示方式进行区分，实现

船舶类型、动态计划船舶、重点跟踪船舶等的有效区分。

3．动态监管与智能交通组织

船舶的动态监管是对进入辖区的所有船舶在各时段各位

置的所有动态进行监管。主要功能包括：船舶24h确报、动

态计划申报、动态计划智能排序与分发、船舶计划动态及执

行、引航员工作时间动态监管、拖轮动态监管。

关于智能交通组织，主要作用在于减少人员工作量，实

现数字化与电子化，智能分析AIS、VTS信息、选定船舶锚

位、记录船舶锚链入水情况、动态计划排序过程、以及对特

殊船舶驶入特殊区域进行智能提示。

4．船舶核查与决策支持

决策支持功能基于电子海图平台与搜救资源数据库，实

现海上搜救、应急指挥信息的综合模块，可快速查询、高效、

准确和动态的海上施救目标定位和监控，初步实现应急反应

预案的自荐启动和搜救方案的择优选择，主要包括：建立搜

救资源库、预警分布、应急处置，实现数据统计功能。

四、关键技术实现

1．海上交通流分析算法

利用基于关联规则的Apriori算法能够有效实现海上交

通流的分析，该算法基于事务数据库，识别出大于或等于用

户所指定的最小支持度阈值的频繁项集，并在置信度大于等

于用户指定的最小置信度阈值的基本原则指导下，通过应用

频繁项目集产生所期望的关联规则[4]。

该算法主要用于找出数据之间关系的最优规则，分析过

程中以支持度和置信度作为衡量制定，判定关联规则的可靠

程度与合理性。在海上智能交通指挥系统中，运用关联规则

对海量历史数据进行挖掘，辅助决策。基于关联规则的

Apriori算法的流程图如图3所示。

图3 Apriori算法流程

2．电子海图技术

海上智能交通指挥系统中的电子海图显示，具备新型船

舶导航功能与辅助决策功能。能够进行自动航线设计、航向

航迹监测、自动存储本船航迹、历史航程重新演示、航行自

动警报等。现阶段电子海图的显示规范、性能标准、数据标

准等已经确立起来，便于该技术的普及与合法化。系统通过

电子海图技术引用，同雷达碰壁系统、高精度定位系统、船

舶通信系统等进行集成，控制船舶最优航行路径的选择[5]。

3．位置融合技术

位置级融合强调在传感器的测量点迹或观测报告、以及

传感器的状态估计上进行融合，涵盖空间与时间的融合，属

于跟踪级融合。在多传感器跟踪系统中，主要有集中式、分

布式、混合式和多级式，对于这四种典型结构，进行信息融

合的任务包括：航迹与航迹的关联或点迹—航迹互联；航迹

融合或目标状态的估计等[6]。

需要注意的是，数据关联是多传感器多目标跟踪中最关

键最困难的部分，把来自多传感器的观测与传感器各自的观

测对象联系起来，首先必须根据外推航迹和传感器误差计算

确认，并用于减少可能的互连的数目，然后使用多种可能的

方法之一完成关联。（下转第119页）

第1期 陈梦影等：浅析西北口水电站微机自动化改造的必要性 119

4．加快水电站控制调节过程

西北口水电站1、2号机组主、辅设备大多采用手动控

制，自动化程度低，控制调节过程长。如机组开机，人工操作有时10多分钟并不上网，有时由于操作人员精神紧张，发生非同期合闸事故，给机组和电网带来冲击[2]，严重影响电力系统稳定运行。进行水电站微机自动化改造，使水电站自控系统的逻辑顺序控制由计算机硬件和软件构成，对设备控制调节操作紧凑，快速完成各环节的检查复核，加快控制调节过程。并网时，机组频率和电压自动迅速跟踪电网频率和电压，当频率、电压和相位差满足并网条件后，只需一、二分钟有时甚至只需半分钟机组可自动并网成功，不仅操作速度快，而且减少了机组空载时的水量浪费。

5．实现水电站优化运行，提高运行的经济性

西北口水电站共有3台水轮发电机组，开机台数、机组出力和运行时间主要受上级调度命令和行政命令的干预，没有考虑机组优化运行。进行微机自动化改造后，根据系统分配给水电站的负荷和电站的具体条件，选择最佳的运行机组数，按优化运行方案分配机组的有功、无功功率和运行时间，可以使机组经常运行在高效率区，以便用较少的水生产较多电能，提高运行经济效益。在安全发电条件下，实现机组自动发电控制AGC和自动电压控制AVC。

文献资料显示：水电站采用微机监控系统后经济效益可提高10%~15%。

四、西北口水电站微机自动化改造的任务

在欧美等一些工业发达国家，水电站微机自动化技术发展较快且较先进。自20世纪80年代起，在水电站监控系统上普遍采用微机监控技术，水电站自动控制水平、功能和性能大大提高，许多水电站实现了无人值班或少人值守，提高了运行可靠性，降低了运行费用。由于计算机监控系统集成度高，减少了控制系统的占地面积及外部电缆数量，降低了工程造价。

国内水电站自控系统以常规设备为主，水电站微机监控系统起步于20世纪70年代，首先在新安江水电站用微机对水轮发电机进行开机监测。目前国内一些大中型水电站，如葛洲坝、隔河岩均实现了微机监控，中小型水电站或已运行多年的许多老电站采用常规自动控制居多。技术稍先进的中小型水电站，或在常规自控系统基础上加上微机功能控制单元，或用微机功能控制单元改造常规自控系统，或在常规自控系统基础上加上微机监测系统。目前在水电站自控系统中采用微机监控技术是大势所趋，是技术进步必然结果。西北口水电站微机自动化改造的主要任务如下：

（1）实现1、2号水轮发电机组的自动控制，实现自动开机、停机和并网操作；

（2）完成对1、2号水轮发电机组运行工况的监视。如对发电机定子和转子回路各电量的监视，对发电机定子绕组、铁芯及各轴承温度的监视，对机组润滑和冷却系统的监视，对机组调速系统的监视等。出现不正常工作状态或事故时，自动迅速地采取相应的保护措施，如发出信号或事故停机；

（3）自动维持水轮发电机组的经济运行。按系统要求和电站具体情况自动选择最佳运行机组数，自动调节1、2号机组有功和无功功率，在机组间实现负荷的经济分配；

（4）完成对辅助设备如油泵、气泵和水泵的自动控制和运行工况的监视；

（5）完成对主要电气设备如主变压器、母线及输电线路的控制、监视和保护；

（6）完成上下游水位的测量监视等。

五、结论

随着时代发展和社会进步，电力系统规模不断发展壮大。由于各种因素影响，电力系统难免发生各种意外事故。1965年美国东北部大停电事故，事故原因九年后才查明；美国WSCC系统1996年连续2次重大停电事故。事故的发生暴露了电力系统在系统维护、调度、监控和保护等方面存在不少隐患，因此对于显而易见的原因，应采取措施彻底改正[3]，以保证电力系统安全运行，而水电站进行微机自动化改造正是避免事故发生的重要举措之一。

参考文献

[1] 董朝霞.中小型水电站计算机监控保护技术.武汉：华中理

工大学电力技术研究所，2000：1-3.

[2] 童建栋.小型水电站计算机监控技术（第1版）[M].北京：

中国计划出版社，1999：1-18.

[3] 何大愚.对美国西部系统1996年两次大事故的后续认识

（分层分析）[J].中国电力，1998：5（37）.

（上接第96页）

五、结束语

本文通过对海上智能交通指挥系统的功能性分析，阐述了系统对海上交通管理与交通安全指挥等发挥的重要作用。将研究视角放在海上智能交通指挥系统的功能建设上，结合海上交通管理特征，明晰系统关键技术，即海上交通流分析、电子海图技术、位置融合技术等。通过该系统的建设旨在实现海事在海上交通管理中的电子化与智能化。

有关海上智能交通指挥系统的更深层次的分析与优化研究，有待后续研究的深入进行，需要学者们的不断的研究与探索。

参考文献

[1] 王笑京.智能交通系统研发历程与动态述评[J].城市交通，

2008，6（1）：6-12.

[2] 胡国良.基于视频的车辆检测跟踪与分类技术的研究[D].

大连：大连理工大学,2009.

[3] 王结实.智能海上交通流模拟与交通环境定量评估研究

[D].大连：大连海事大学,2011.

[4] 潘家财，邵哲平.数据挖掘在海上交通特征分析中的应用

研究[J].中国航海，2010，33（2）：60-62.

[5] 王玉玺，李青元.电子海图显示与信息系统设计与实现.

数字技术与应用，2011，（4）：53-54.

[6] Kong Q J，Chen Y K，Liu Y C.An improved evidential fusion

approach for real-time urban link speed estimation，Proceedings of the IEEE Intelligent Transportation Systems Conference Seattle.Washington，USA，2007，562-567.