船舶距航道邊界距離自動測定方法研究

肖進(jìn)麗 劉明俊

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063)

內(nèi)河航道通過航標(biāo)配布來合理地設(shè)置岸標(biāo)和浮標(biāo)以確定航道兩側(cè)邊界、揭示航道信息,從而保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)地航行.根據(jù)《內(nèi)河助航標(biāo)志》,通常以航標(biāo)標(biāo)位聯(lián)線或距其最小安全航行距離處作為航道邊界[1].盡管在不同的航道條件下,航標(biāo)配布和航道維護(hù)技術(shù)規(guī)定不盡相同,但是既要保證船舶能在航標(biāo)標(biāo)示的航道水域內(nèi)安全行駛,同時(shí)還要遵守《內(nèi)河避碰規(guī)則》的規(guī)定,在保證安全的前提下盡量航行在規(guī)定的航路上,以合理利用航道、避免引發(fā)水上交通事故,就需要船舶具備能夠準(zhǔn)確判斷本船距航道邊界距離的能力.目前,船舶距航道邊界的距離判定通常由船舶駕引人員采用肉眼目估的方法或利用雷達(dá)估測,這些常用方法不僅精度不高,而且易受氣象條件、人眼視距、雷達(dá)設(shè)備局限等因素的影響而造成判斷失誤、引發(fā)交通事故.近年來,內(nèi)河、特別是長江航運(yùn)業(yè)務(wù)日漸增長,如果船舶具備自動、實(shí)時(shí)測量距航道邊界距離的能力,不僅可以使船舶合理選擇航路、減少水上交通事故的發(fā)生,還可提高航道利用和管理效能.本文在推導(dǎo)出船舶距航道邊界距離計(jì)算公式的基礎(chǔ)上,針對內(nèi)河航道特點(diǎn)和船舶航行特征,提出了基于電子江圖和基于智能航標(biāo)的2種船舶距航道邊界距離自動測定方法,通過分析比較,得出基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法更為可行和有效的結(jié)論.

1 船舶距航道邊界距離計(jì)算公式

如圖1所示的一段航道,假設(shè)其一側(cè)航道邊界由相鄰兩側(cè)面標(biāo)1和2的聯(lián)線界定,船舶距航道邊界距離為d,并且在同一地理坐標(biāo)系下,船舶、標(biāo)1、標(biāo)2的位置坐標(biāo)分別為其相互之間的距離分別為L1,L2, L3,則根據(jù)面積計(jì)算的常用公式及海倫公式就可計(jì)算船舶距圖中所示航道邊界的距離d為

從以上所給出的船舶距航道邊界距離計(jì)算公式可看出,如果船舶要對其距航道邊界距離進(jìn)行自動測定,只需自動、實(shí)時(shí)獲得船舶及標(biāo)示航道邊界的側(cè)面標(biāo)的位置坐標(biāo)即可.

圖1 船舶距航道邊界距離示意圖

2 船舶距航道邊界距離的自動測定方法

船舶在航道中行進(jìn)時(shí),自身的位置可通過攜載的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀獲得[2],若同時(shí)能通過某些方法或手段自動獲得鄰近水域航標(biāo)的位置信息,就能按上述船舶距航道邊界距離計(jì)算公式通過軟件程序自動計(jì)算出船舶距航道邊界距離d.據(jù)此,船舶距航道邊界距離的自動測定問題即演化為船舶對所行駛航道的航標(biāo)位置的自動獲取問題.

船舶距航道邊界距離的自動測定方法,依據(jù)航標(biāo)自身的性質(zhì),具體可分2種情況進(jìn)行討論.

2.1 基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定

如果標(biāo)示航道邊界的為普通航標(biāo),那么可通過在航標(biāo)上安裝雷達(dá)應(yīng)答器,使用船用雷達(dá)即能獲取船舶鄰近水域航標(biāo)的位置信息.但是,船舶通過雷達(dá)來觸發(fā)雷達(dá)應(yīng)答器獲得航標(biāo)的位置,其觸發(fā)響應(yīng)有一個(gè)時(shí)間延遲,這個(gè)延遲所產(chǎn)生的距離誤差(等效于一個(gè)小于100 m的距離)對于內(nèi)河航道上的航標(biāo)位置定位來說是不能忽略的,因此在實(shí)際中行不通.另外,也可采用在船上裝載光電經(jīng)緯儀或智能跟蹤全站儀等測量儀器測定航標(biāo)位置,但由于受到儀器目前測量范圍和價(jià)格的限制,在船舶上安裝使用實(shí)際也不可行.

當(dāng)前,電子江圖作為數(shù)字航道的核心和智能航運(yùn)的基礎(chǔ),正在廣泛研發(fā),船舶通過電子江圖就能自動、準(zhǔn)確地得到所航水域附近的航標(biāo)位置信息.因此,若將船舶距航道邊界距離計(jì)算軟件集成在電子江圖里形成一整套系統(tǒng),僅基于普通航標(biāo),船舶在行駛途中不僅可以自動、實(shí)時(shí)獲取其距航道邊界的距離d,而且還能根據(jù)電子江圖進(jìn)行提示和報(bào)警,及時(shí)對船舶的航跡進(jìn)行調(diào)整,合理選擇船舶航路.圖2即為基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖.

圖2 基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖

2.2 基于智能航標(biāo)的船舶距航道邊界距離的自動測定

如果標(biāo)示航道邊界的航標(biāo)是智能航標(biāo),那么就可將船舶納入智能航標(biāo)的遙控遙測系統(tǒng)的客戶端.如圖3所示,智能航標(biāo)的遙控遙測系統(tǒng)通過安裝在航標(biāo)上的GPS定位裝置獲得航標(biāo)的位置信息,并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將航標(biāo)位置數(shù)據(jù)及監(jiān)控終端采集的航標(biāo)其他工作參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)監(jiān)控中心,監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將航標(biāo)的工作參數(shù)及位置信息傳送給客戶端使用[3].船舶作為智能航標(biāo)遙控遙測系統(tǒng)一個(gè)客戶端,一方面向監(jiān)控中心服務(wù)器請求所航水域附近航標(biāo)的位置信息和工作參數(shù),另一方面通過集成在船舶客戶端軟件中的船舶距航道邊界距離計(jì)算程序計(jì)算出船舶距航道邊界距離d.

圖3 基于智能航標(biāo)的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖

3 分析比較

對于以上所提的2種船舶距航道邊界距離的自動測定方法,要評定其性能的優(yōu)劣,首先應(yīng)根據(jù)其測定結(jié)果的精度進(jìn)行評析.

根據(jù)誤差傳遞函數(shù)[4]

(y=f(x1,x2,…,xn)為函數(shù)形式),從式(1)可見,對于基于電子海圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法,其精度主要與船舶所攜載的GPS導(dǎo)航儀的定位精度、電子江圖自身的數(shù)據(jù)精度有關(guān);另外,若考慮到船舶GPS定位數(shù)據(jù)與電子江圖上航標(biāo)位置數(shù)據(jù)在獲得時(shí)間上的不同步,這個(gè)影響船舶距航道邊界距離測定結(jié)果精度的因素也要考慮.對于基于智能航標(biāo)的船舶距航道邊界距離自動測定方法,其精度則主要由船上的GPS導(dǎo)航儀的定位精度及智能航標(biāo)上安裝的GPS模塊的定位精度決定,當(dāng)然也要考慮到船舶獲得自身定位數(shù)據(jù)與航標(biāo)定位數(shù)據(jù)的時(shí)間不同步誤差.由此可見,航標(biāo)位置信息獲得的精度是影響兩種船舶距航道邊界距離自動測定方法性能優(yōu)劣評定的因素.目前,在內(nèi)河航道沿岸地區(qū),為GPS提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)并未大范圍建立,因此安裝在智能航標(biāo)上的GPS定位模塊由于采用的是單點(diǎn)定位方式,其精度并不高(在幾米～十幾米之間).對于普通航標(biāo),如果不考慮風(fēng)流的影響,由于其定位通常采用經(jīng)緯儀前方交會法的測量方法,其定位精度相對較高,一般為1～2 m.因此,在目前,基于電子江圖對船舶距航道邊界進(jìn)行距離測定的精度要高于基于智能航標(biāo)對船舶距航道邊界進(jìn)行距離測定的精度.

4 結(jié)束語

基于以上的分析比較,盡管基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法和基于智能航標(biāo)的船舶距航道邊界距離自動測定方法都能解決內(nèi)河航道上船舶距航道邊界距離的自動測定問題、從而更為有效地保證船舶水上交通安全,但是在當(dāng)前CORS系統(tǒng)于內(nèi)河航道未大范圍建立的情形下,考慮到測量精度、投資成本等因素,則基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法較基于智能航標(biāo)的船舶距航道邊界距離自動測定方法顯然更為可行和有效.但是,由于目前電子江圖在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而影響其跨區(qū)域使用[5],所以希望一種統(tǒng)一、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的電子江圖能早日面世.

[1]周俊安.內(nèi)河助航標(biāo)志[M].北京：人民交通出版社, 1996.

[2]孫 濤.內(nèi)河船舶GPS監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)[J].中國水運(yùn),2009(9)：35-36.

[3]潘 州,楊晉生,張麗萍.智能航標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2006,29(2)：72-73.

[4]王鐵生,袁天奇.測繪學(xué)基礎(chǔ)[M].河南：黃河水利出版社,2008.

[5]陳 偉,齊傳新.電子海圖技術(shù)在內(nèi)河電子江圖制作中的應(yīng)用[J].航海技術(shù),2002(1)：25-26.