摘要：为满足船舶交通服务系统（Vessl Traffic Services, VTS）人员培训和评估需求，提升VTS的监控和服务水平，构建一个VTS与船舶操纵联合模拟的综合模拟器. 该模拟器通过突破传统单一VTS或者船舶操纵模拟器的局限性，解决VTS雷达回波模拟，多源目标数据跟踪、融合和误差仿真，以及船舶操纵模拟器、教练员控制台子系统的关键技术；提出多层次数据通信模型,实现多VTS子系统与多船舶操纵子系统集成.该系统不仅可为VTS值班人员和引航员培训提供有效的途径，而且可为研究船舶交通管理新方法提供有效的分析决策平台.
关键词：船舶交通服务系统（VTS）； 船舶操纵； 船舶模拟器;航海教育与培训(MET)
中图分类号：U691.1；U666.158文献标志码：A
Key techniques of integrated simulator construction based on
VTS and shiphandling simulation
WANG Shengzheng, ZHANG Yingying, HUANG Yugui, SHI Chaojian
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)
Abstract： To meet the operation staff training and assessment requirements of Vessel Traffic Services (VTS) so as to improve the VTS monitoring and service level, an integrated simulator based on VTS and shiphandling simulation is constructed. This simulator overcomes the limitations of the traditional single VTS or shiphandling simulator, and addresses the key techniques existing in the VTS radar echo simulation, the multisource target data tracking, fusion and error simulation, the shiphandling simulator and the instructor station. The multilevel data communication model is proposed to implement the integration of the multiple VTS subsystems and the multiple shiphandling subsystems. This system not only provides an effective way to the training of VTS operators and pilots, but also provides a supporting platform of analysis and decision making for studying better vessel traffic management approach.
Key words： Vessel Traffic Services (VTS); shiphandling; ship simulator; Maritime Education and Training(MET)
收稿日期： 20130805修回日期： 20140224
基金项目： 国家自然科学基金（31100672）；上海市能力建设计划项目（12510501800）；上海海事大学校基金（20120058）
作者简介： 王胜正（1976—），男，湖南双峰人，副教授，博士，研究方向为海上交通信息工程及控制，（Email）szwang.smu@gmail.com0引言
船舶交通服务系统（Vessel Traffic Services， VTS)作为一种高科技的水上交通管理系统，正以其强大的功能和不可替代的优越性，逐步成为沿海港口保障船舶交通安全、提高船舶运输效率、保护水域环境的有效手段. 若要充分发挥VTS的作用，除了需要具有世界先进水平的软硬件装备之外，还需要VTS值班人员具有较高的应用水平和较熟练的操作技能. 因此，需要加强对VTS操作人员的培训，并对相关人员进行模拟器专项培训.［12］
通过VTS综合模拟器培训，不仅可以使VTS值班人员全面掌握VTS的操作方法，提高其分析海上复杂交通局面的能力，而且有利于提出正确合理的交通管理决策方法，有效地进行交通组织和服务，降低海上意外事故发生率，提高通航效率. 同时，通过该系统，VTS值班人员还可以了解更多与船舶操纵、船舶避碰有关的知识与技能，提高与引航员、船员相互协调的能力和事故应急处理能力，实施紧急情况下的联合行动等. 因此，2012年交通运输部海事局内部专门下发《关于推进VTS模拟器培训工作的通知》，以更好地加强值班人员培训，提升VTS监管和服务水平.
KONGSBERG［3］和TRANSAS［4］在航海模拟器基础上研制VTS单机模拟器系统，广泛用于VTS值班人员的基本操作培训.然而我国绝大部分VTS中心都缺乏VTS模拟器培训系统，这使得我国VTS值班人员依然停留在理论指导和经验交流上，缺乏模拟实操训练.因此，我国的VTS值班人员需要更长的时间适应岗位要求，主管部门也无法系统地对VTS值班人员进行培训和评估.
我国对VTS模拟器中的信息模拟、雷达跟踪技术模拟等也做过一些基础研究［58］（如引入船用雷达模拟器信源模拟方法仿真VTS中的船舶目标，并研究VTS的人机交互界面等［5］；研究VTS的目标跟踪方法，对VTS的目标跟踪效果进行仿真［7］），但缺少实际应用. 因此，本文根据IALA关于VTS值班人员素质要求［12］，针对我国VTS的现状，利用现有航海模拟器中的系统构架［911］、通信技术［12］、电子海图显示［13］、三维视景仿真［1415］等，构建基于VTS与船舶操纵模拟器的全功能综合模拟器，并针对其中的关键技术展开研究与探讨.
1VTS与船舶操纵综合模拟器构架
VTS与船舶操纵综合模拟器的主要用途是训练VTS值班人员的操作和指挥技能，同时提升VTS值班人员与引航员之间的沟通和协调指挥能力，参与培训的主体是VTS值班人员和引航员，指导培训的是教练员.
图1为整个系统的架构，包括教练员控制台、VTS值班台和船舶操纵模拟器等3个部分，参与人员包括教练员、VTS值班人员和引航员等. VTS值班台以著名的VTS ATLAS9760和HITT V3000为原型，完全仿真水上交通情景和操作方法，为VTS学员提供真实的训练环境，实现各种VTS功能.船舶操纵模拟器以真实船桥系统为平台，通过3D虚拟营造航行环境，为引航员和船员提供高度沉浸感的操纵环境，完成各种船舶航行操纵任务. 在教练员控制台中，教练员不仅负责编排训练科目，如选择训练港口水域或自定义编辑训练港口水域、初始化海上各种交通情景、设置水文气象环境等，而且负责引导整个训练过程，包括控制大量船舶的航行状态（位置、航速、航向等），并根据各种情景配合VTS学员，监控引航员与VTS学员的相互协调情况.
图1系统架构
为提高训练效率和效果，整个训练过程不仅需要多个VTS学员和引航员参与，还需要多个教练员同时参与引导训练，因而要求系统可以进行独立或组合训练.对于独立训练模式，每个教练员控制台进行独立的训练，各自分配或指定某些VTS值班台和/或船舶操纵模拟器（本船）加入练习，当一个教练员控制台已指定某些值班台和船舶操纵模拟器参与其训练，另一个教练员控制台则只能指定其他值班台和船舶操纵模拟器参与其训练，以便多组学员同时进行训练.对于组合训练模式，多个教练员对同一练习同时进行操作，每个教练员控制部分区域和船舶，同时实现对多个学员的训练，提高培训效率和训练效果.
另外，在设计该综合模拟器架构时，必须考虑不同平台子系统之间数据实时共享和集成问题，提出基于多层次、多类型数据通信模型的数据共享方法，实现多VTS值班台、多船舶操纵模拟器与多教练员控制台之间的无缝连接.
为实现该系统的各项功能，必须解决系统设计和实现过程中的一些关键技术，因此对VTS仿真系统中的雷达视频图像显示，多源目标数据跟踪、融合和误差仿真技术，船舶操纵模拟器，教练员控制台以及基于多层次、多类型数据通信模型的系统集成等关键技术进行研究.
2VTS与船舶操纵综合模拟器关键技术2.1真实感VTS雷达视频图像仿真技术
雷达视频数据处理子系统是VTS的核心部分，是获取目标信息的主要手段.一个港口的VTS通常由多个雷达基站组成，通过雷达数据处理子系统实现多个基站的数据融合后统一显示在VTS值班台显示器上.虽然VTS所用的雷达与一般的海雷达都是单脉冲X或S波段雷达，但是VTS所用的岸基雷达的天线口径更大，具有更高的距离分辨率、方位分辨率和更大的作用距离，而且在雷达视频显示过程中不采用圆周扫描方式，而是直接显示经过雷达视频处理子系统处理后的雷达视频和跟踪处理数据.
因此，为在VTS雷达系统仿真过程中更加真实地反映VTS值班台雷达视频显示效果，提出扇形带状纹理填充和融合算法仿真雷达视频图像.这不仅符合VTS雷达回波图像形成机理，而且可以实现大图2雷达回波图像
形成机理
范围、多基站雷达回波的实时模拟.
由雷达回波图像形成机理可知，雷达回波受到多方面影响，导致物标回波在屏幕上显示的并非是圆形光点，而是扇形带（见图2）.扇形带大小由雷达的性能参数决定，定义为rD≈θH，rB=C2τ+1Δf0.7（1）式中：θH为雷达水平波束宽度；Δf0.7为接收机通频带；τ为脉冲宽度；C=3.0×108m/s，为电磁波传播速度.
首先以电子海图数据为基础，提取各物标(陆地、岛屿、建筑物、岸线、浮标、灯桩等)的空间信息，结合陆地与岛屿的数据高程模型（Digital Elevation Model, DEM)生成三维曲面(其水平方向表示位置信息，竖直方向表示物标高度），然后对三维曲面进行归一化处理后映射到灰度图，最终形成雷达回波基础数据库.
从回波数据库检索该点灰度值.如果其灰度值大于0且大于当前扫描线上灰度的最大值，则把该点列入有效回波点.回波点大小由rB和rD决定.
为模拟真实雷达回波图像的随机性，不能简单图3非规则扇形带状
回波图像模板库
地采用规则扇形带状回波图像，否则绘制的回波图像过于规则.因此，建立非规则扇形带状回波图像模板库(见图3），以便在获取有效回波点后从回波图像模板库中随机选取回波图像模板仿真雷达图像.
2.2多源目标数据跟踪、融合和误差仿真技术
除雷达之外，船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）、水文气象子系统、闭路电视（Closed Circuit TV, CCTV)和测向（Direction Finding, DF)仪也是VTS重要的辅助信息获取手段.随着近几年AIS的快速发展，雷达目标跟踪和AIS已经成为现有VTS的2种基本的目标跟踪监测手段.
在模拟系统中，VTS雷达目标检测分为人工和自动两种检测方法，其中人工目标检测通过鼠标录取完成，自动目标检测通过在设定边界范围内利用滑窗检测算法实现目标自动录取，并仿真αβ滤波器实现目标自动跟踪.这样，不仅可以仿真VTS的目标漏检、错检等状态，而且可以突破现有雷达模拟器普遍存在的通过人工干预导致目标跟踪丢失的局限性.
AIS信息的模拟有两种方式：一种方式是由教练员控制台编辑加入各种类型船舶数据，模拟AIS目标信息；另一种方式是系统接入港口AIS真实信息源，并存储到数据库服务器形成AIS数据基准库，模拟过程中通过教练员控制台编辑和控制AIS数据库.第二种方式可以很方便地实现AIS目标的自动建库，避免大量目标的繁琐编辑，而且可以更加真实地反映港口的交通状况.
VTS中，AIS数据与雷达目标多源数据融合及误差仿真也是非常重要的环节，因为在真实的VTS中不同数据采集终端空间、时间上的误差会导致其获取的船舶目标数据存在不同程度上的误差和错误.为仿真此现象，首先在雷达目标回波生成时加入随机扰动产生随机误差，然后在产生AIS目标信息源时通过模拟GPS定位误差产生AIS目标位置误差，最后在数据库中对同一目标模拟的不同信息源进行误差标记，自动计算不同信息源的误差距离，在设定阈值范围内则自动融合为同一目标，超过阈值范围则分离两个目标源，通过人工干预实现目标信息的融合.用同样的方法实现不同雷达基站之间的目标信息融合及误差仿真.从图4中可以清晰地观察到AIS目标跟踪与雷达目标回波跟踪的误差.
图4雷达与AIS目标融合及误差仿真
2.3船舶操纵模拟器
船舶操纵模拟器以真实船桥系统为平台，通过3D虚拟仿真为引航员或船员提供高沉浸感的操纵环境，完成各种船舶操纵功能.该模拟器基本功能与航海模拟器相同［9，11］，但是传统航海模拟器一般在练习科目中根据训练任务设置好本船和目标船的初始交通态势，训练过程的焦点集中在监控本船的各项任务，而VTS模拟器的任务是对港口水域所有船舶进行宏观监控并提供信息服务.由于船舶数量与船舶种类非常多，且船舶进港、出港、过境频繁，需要船舶操纵模拟器中3D虚拟仿真系统不断地自动更新船舶类型和数量，不能再像传统航海模拟器一样依靠人工添加和删除.因此，本文提出3D视景系统的动态目标自动更新方法.
在3D视景系统中每艘船都是3D模型，且VTS模拟器系统中船舶数量和种类都很多，因而数据量大，不能一次性全部载入，为避免降低系统性能，在图53D视景系统船舶
目标动态载入/出设计操纵模拟器时，必须使本船能根据当前周围交通状态实时载入相应的3D船舶模型.如图5所示，1号和2号目标进入指定的3D视景领域后自动载入，而3号和4号目标离开边界后自动载出，这样保持整个3D仿真系统数据平衡.
2.4教练员控制台
为实现多对多训练，教练员控制台除设置基本的训练科目、交通情景、监控运行状态之外，还必须具备VTS值班台和船舶操纵模拟器分组功能，即分组训练和联合训练.(1）分组训练：在教练员控制台首先选择分组训练模式，并且添加一个练习，然后添加VTS值班台和船舶操纵模拟器.如果想添加的VTS值班台和船舶操纵模拟器已被分配（系统提示已被占用），则选择其他VTS值班台和船舶操纵模拟器.（2）联合训练：在教练员控制台选择联合训练模式.如果已有教练员控制台建立了练习则自动进入练习，并且显示整个练习中添加的各种目标.每个教练员所观察到的目标都是相同的，每个教练员可以对目标属性进行修改，并且可以与每个学员进行通信.
2.5基于多层次、多类型数据通信模型的系统集成技术该系统架构复杂、数据传输量大，且部分数据需要实时传输，给系统集成和可靠性带来很多困难.为更好地实现不同子系统之间数据的传输和共享，根据系统特征和业务需求，把传输数据分为多种类型，传输速度分为多个层次，确保系统最优化运行.如图6所示，教练员控制台与VTS值班台、船舶操纵模拟器中的电子海图和雷达等子系统之间设计COM组件，利用数据库服务器进行数据交换；教练员控制台与船舶操纵模拟器的3D虚拟仿真系统之间的动态目标数据交换利用UDP数据广播通信；同时，为确保通信的正确性和可靠性，使用点对点TCP/IP实时通信.
图6多层次、多类型数据通信模型原理
3结束语
通过对上述关键技术的研究，实现我国首个VTS综合模拟器系统，并且在上海海事局进行推广使用.该系统近2年内已经承担1 500人次的VTS值班人员及引航员培训和考试任务，并且成功承担全国首次VTS值班人员技能大比武.
VTS综合模拟器关键技术问题的解决和系统的实现为提升我国VTS值班人员及引航员的技能素质和指挥能力提供了新的平台和途径，有利于进一步提高我国水上交通管理能力、保障水上交通安全、保障生命财产安全. VTS模拟器除了应用于VTS值班人员、引航员以及船员的培训之外，还适用于以下工作人员的学习培训，包括事故案例调查和分析人员，交通流预测和建模人员，港口、锚地、航道规划建设人员，定线制、锚地、航道、码头等附近水域水上交通管理要素的分析评估人员，各种不同天气下助航服务的分析评估及实施人员，应急搜救模拟处置人员等.因此，建设VTS值班人员训练、评估系统对提高VTS操作人员的技能水平具有十分重要的意义.
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(编辑贾裙平)
上海海事大学杂志总社《上海海事大学学报》等4种期刊
荣获首届上海市高校优秀/特色科技期刊奖
为了不断提高上海市高校科技期刊的学术影响力，激励高校期刊出版单位提高综合办刊质量，上海市高校科技期刊研究会于2014年3—4月组织首届上海市高校精品·优秀·特色·最佳进步科技期刊奖评选活动.上海海事大学杂志总社4种期刊获奖：《上海海事大学学报》《计算机辅助工程》获优秀科技期刊奖，《水运管理》《集装箱化》获特色科技期刊奖. 本次评奖中，全市共有10种期刊获精品科技期刊奖、13种期刊获优秀科技期刊奖、17种期刊获特色科技期刊奖、8种期刊获最佳进步科技期刊奖.第35卷 第2期2014年6月上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol.35No.2Jun. 2014
上海海事大学学报第35卷第2期周伟，等：基于Arena软件的LNG船舶通航组织仿真DOI：10.13340/j.jsmu.2014.02.002文章编号：1672-9498(2014)02000605