基于北斗定位系統的岸基靠泊智能指揮技術淺析

王帆1，李楠，壽志杰

（1．浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 平湖 314201；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

21世紀以來，世界范圍內區域經濟一體化發展迅速，國際貿易日趨激烈。隨著我國與世界之間的經濟貿易往來越來越頻繁，借助于海洋運輸方式開展的貨物貿易發展勢頭迅猛，海洋貿易成為我國國際貿易重要組成部分。截至2016年年底，國際航運業承擔了我國絕大多數進出口物資的運輸，大宗商品進口量繼續保持増長，貿易條件進一步改善，其中，進口鐵礦石10.24億噸，増長7.5%，原油3.81億噸，増長13.6%，煤炭2.56億噸，増長25.2%，鐵礦石、原油、煤炭海上進口量分別占世界鐵礦石、原油、煤炭海運量的71.1%、18.1%、17.6%。

“智慧港口”建設可以為確保海洋運輸穩固發展提供有效保障，充分借助物聯網、云計算、大數據、智能感知等新一代信息技術對港口進行透徹感知、廣泛互聯以及信息深度挖掘，實現港口各類資源要素的無縫連接和各功能模塊的協同聯動，并最終實現港口智能、高效、安全、便捷、綠色發展的現代化港口形態。而靠離泊輔助技術是“智慧港口”建設中的重點內容。在靠離泊輔助系統的研究歷史中，出現過多種探測技術的應用，比如空氣聲波岸基輔助技術、聲納岸基輔助技術、微波雷達岸基輔助技術、紅外岸基輔助技術、激光岸基輔助技術等。幾種岸基輔助技術在使用過程中都有比較明顯的優缺點。空氣聲波岸基輔助技術在幾種技術中種最不穩定，聲納岸基輔助技術作用于水下，在水下作業時，探測距離比電磁波岸基輔助技術遠，精度更高，但容易受水下聲源和水下涌流的干擾。微波雷達岸基輔助技術優點是探測角度廣，能夠及時有效地把握最危險情況。但所處的微波波段極易受到雨雪等氣象因素的干擾，容易受遮擋物和假目標的影響，而且作用距離在50m左右。紅外岸基輔助技術容易受天氣影響，對氣象能見度要求高，當氣象條件不好時，探測精度和距離無法保證。激光岸基輔助技術是目前應用最廣泛且效果相對較好的一種岸基式岸基輔助系統。優點是探測精度高，動態反應速度靈敏，作用距離遠。但其也存在一定的缺點，如激光束較窄，測量面為點，不能掌握船舶整體態勢，自動尋找目標的能力差，受天氣影響較大。而且激光岸基系統損壞率較高。激光探測器安裝位置固定，對船舶大小和船型的適應性較弱。

圖1 差分定位過程

利用北斗精確定位技術和無線傳輸技術，實時長距離監測船舶進港靠泊前以及靠泊過程中的航速、航向、距離等航行情況，并結合調度以及碼頭影像系統，為船舶靠離泊經濟、安全、環保運行提供可靠的管理、檢測手段。

1 北斗精確定位技術

載波相位實時動態差分（RTK）系統是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量系統，其原理是通過兩個（多個）接收機的載波數據進行差分，消除公共誤差，從而實現高精度相對定位。RTK-北斗定位系統在實時導航方面有著廣泛的應用，通過實時獲取載體的空間坐標，并結合其他傳感器來實時獲取自身位姿，通過高效、精確控制算法來實現精密導航。目前，利用RTK技術實現導航控制的應用有很多，如精準農業系統、無人飛機、無人汽車等。

差分定位的原理總的來說，是根據衛星導航系統誤差變化緩慢，并且有很強的時間空間相關性，通過兩個接收機求差可以消除大部分相同的誤差項，因此，可提高定位精度。一個簡單的差分定位系統包括三部分：基準站接收機、流動站接收機（用戶站）和數據鏈。數據鏈指用于兩站之間通信的無線電設備。

差分定位過程如圖1所示。根據基準站的校正信息可分為：位置差分、偽距差分、相位平滑的偽距差分、載波相位差分。差分修正主要由兩種方式來實現，一種是在測量過程中修正，即基準站將采集原始數據發送給流動站（用戶站），用戶站進行解算；另一種是基準站將計算后的結果發送給流動站，流動站將自身結算的結果減去改正量來獲取最終定位。

在岸基智能指揮控制系統中，在碼頭岸基建立北斗定位基準站，通過無線傳輸方式，自動實時廣播基站定位差分數據（半徑5公里內），當船只進入碼頭范圍內，船舶定位系統（用戶站）接收到差分數據，建立RTK系統，可以達到厘米級定位精度。

2 岸基靠泊智能指揮系統

圖2 岸基靠泊智能指揮系統組成框圖

岸基靠泊智能指揮系統如圖2所示，由下列設備組成：（1）指揮中心服務器：根據船舶上多點的北斗移動定位裝置的精確定位數據進計算航海信息。（2）岸基北斗定位基站：用于發送基站的北斗定位差分數據RTK信號。（3）北斗移動定位裝置：用于接收北斗定位差分數據RTK信號并計算當前精確定位數據。（4）岸上移動終端與船舶移動終端：用于接收航海信息，供岸上與船上運行人員遠程監控與操作。（5）視頻監視設備和視頻存儲設備：用于船舶靠近泊位時進行視頻安全監控。岸基北斗定位基站與北斗移動定位裝置通過無線通訊模塊數據通訊；北斗移動定位裝置通過船舶無線路由器與船舶移動終端數據通訊；服務器通過岸上無線路由器與岸上移動終端數據通訊。

2．1 船舶定位系統

如圖3所示，船舶定位系統在船體頭部一處，尾部兩處各安裝一套北斗移動定位系統，通過接收基站傳送的差分數據建立RTK系統，精準定位船舶經緯度，在北斗定位系統狀態正常的情況下能達到厘米級精度。

圖3 船舶定位系統安裝位置示意圖

通過三處北斗定位系統位置信息精確定位船舶。將數據回傳到系統后，通過計算確定船體航向、方位、航速、距離等數據。

2．2 岸基與海基實時通訊系統

為確保數據的準確性以及實現數據的存儲和計算，系統在碼頭布置一套岸基北斗定位基站，一臺用于定位數據綜合處理和信息發送的指揮中心服務器，一臺用于岸上傳輸WiFi信號、實時發布可視化船舶靠泊信息的無線路由器。

2．3 碼頭岸基智能指揮控制系統平臺

系統平臺建立基礎數據庫包括所有來煤船舶、碼頭岸基、錨樁定位、碼頭卸船機設備等，對這些設備進行測繪，通過數據進行計算和建模，建立碼頭實時動態模型，從而建立一套智能化的碼頭調度指揮控制系統，確保船舶岸基離岸的安全。該系統基于多種開發語言，是一套穩定有效，集數據采集、分析、顯示、存儲、預測預警于一體的系統平臺。系統平臺接入相關空間定位數據、船型數據、纜繩數據、碼頭岸基數據、碼頭錨樁數據和影像數據、潮位、暗流等數據，實時分析計算船舶動態信息，并在多個指揮中心的各監控點動態顯示船舶靠離泊數據。

2．3．1 船體模型數據庫

基于基礎船型數據和3D建模技術，建立完整船體模型數據庫，可以為各個系統提供船體模型基礎數據。

2．3．2 船舶岸基離岸實時空間定位系統

系統作為一套高精度船舶空間定位系統，可以實時獲取船舶當前位置、航速、潮位、暗流狀況、拖船當前位置，以及智能分析和計算船舶和泊位的相對位置、船岸夾角、航行速度等。基于高精度空間定位技術、大數據技術，實時對船舶進行定位，智能分析船舶和泊位的相對位置、船岸夾角、航行速度等，并對錨樁和纜繩的位置進行實時方位顯示，為船舶的智能安全靠泊提供可靠數據。

圖4 系統工作流程

圖5 系統界面

2．3．3 智能影像系統

智能影像系統，實時再現船舶、碼頭岸基、碼頭錨樁、纜繩等多角度影像，在船舶駕駛艙、拖船駕駛艙、岸基導引、碼頭控制中心等分別安裝智能影像裝置，實時控制整個岸基過程的有序安全操作。該系統基于高清影像技術和影像分析技術以及高精度的測繪技術，實時獲取船舶靠離泊作業時高清影像數據，建立船舶靠離岸動態模型，調度指揮船舶的安全靠離泊作業。

2．4 系統工作流程

系統的工作流程如圖4所示，包括以下步驟：（1）碼頭岸基北斗定位基站實時廣播定位差分數據，指揮中心服務器發送輪詢信號。（2）當船舶進入碼頭信號范圍時，船舶無線通訊設備接收到輪詢信號以及定位差分數據。（3）船舶上北斗定位模塊將由北斗信號接收天線得到的船舶定位數據通過定位差分數據校準，得到校準后的船舶定位數據。（4）船舶無線通訊設備將校準后的定位數據傳回碼頭。（5）指揮中心服務器結合自身北斗定位數據，處理船舶北斗定位信號，得到精準船舶位置、航速、姿態數據。（6）岸上無線路由器將得到的可視化靠泊方案通過WiFi傳遞給岸上移動終端。（7）碼頭岸基北斗定位基站將可視化靠泊方案傳遞給船舶，由船上無線路由器通過WiFi將可視化靠泊情況傳遞船上移動終端。（8）船員以及岸上運行人員通過指示進行安全靠泊作業。（9）船舶靠泊至泊位后由監控攝像設備進行實時安全監控，監控視頻信息也可通過無線路由器傳遞給無線終端以提供給運行人員檢查。

3 應用效果

系統利用北斗精確定位技術，實時監測船舶靠泊前航速、航向、距離等航行情況，精確定位船舶位置，達到厘米級精度，為船舶靠離泊提供高精度實時性的航速、航向、距離等信息，為設立3等級（3海里、2海里、1海里）分級航速監測提供精確數據。

利用碼頭智能攝像監控系統，實時采集船舶靠泊時圖像信息，便于岸上指揮人員和船長實時直觀監測船舶靠泊動態。

系統的工作界面如圖5所示。

4 結語

本文在研究RTK定位原理、岸基導航技術以及智能影像系統的基礎上提出了一種安全、穩定高效的岸基智能指揮控制系統，滿足了“智慧港口”靠離泊智能化運行的要求，為“智慧碼頭”的建設提供了重要基礎。