施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周春輝， 黃弘遜， 顧尚定， 陳 潤， 文元橋， 甘浪雄

(武漢理工大學(xué) a. 航運(yùn)學(xué)院; b. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c. 智能交通系統(tǒng)研究中心; d. 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

近年來，隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，港口、航道等建設(shè)工程越來越多，建設(shè)周期越來越短，施工船舶數(shù)目也越來越多。因此，施工船舶會(huì)對(duì)鄰近水域的航行安全造成一定影響，甚至導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。[1]為保障水上施工作業(yè)人員和過往船舶的安全，施工船舶在施工期間，施工水域不應(yīng)被其他過往船舶非法入侵。施工船舶施工區(qū)域的標(biāo)識(shí)在一定程度上起到安全警戒的作用，但是過往他船一旦快速駛向施工船舶的施工區(qū)域，便無法立即停止，導(dǎo)致施工船舶依然存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

在施工船舶造成的安全問題方面，王群朋[2]分析施工船舶作業(yè)期間的安全隱患問題，并采取有效的安全措施，在保障施工船舶作業(yè)期間的航行安全方面起到一定的積極作用。劉偉[3]針對(duì)鄂東大橋施工與水域通航之間的相互影響而產(chǎn)生的安全問題，總結(jié)在水上交通安全監(jiān)管中的措施和方法，提出加強(qiáng)船舶信息廣播和巡航力度、定期組織船員培訓(xùn)和及時(shí)發(fā)布航行公告等對(duì)策，在水上交通安全監(jiān)管方面產(chǎn)生積極的作用。張廣雷等[4]結(jié)合施工船舶作業(yè)過程中復(fù)雜的船舶操縱和實(shí)踐，總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)與技巧，幫助駕駛員安全地避讓過往船舶，保證施工作業(yè)的高效性和安全性。

通過布設(shè)實(shí)物航標(biāo)來標(biāo)識(shí)施工水域是一種經(jīng)常采用的方法，但存在耗時(shí)長、費(fèi)用高、識(shí)別難等問題。施工船舶在施工期間頻繁運(yùn)動(dòng)，給航標(biāo)的布設(shè)帶來困難。虛擬航標(biāo)是在電子海圖上顯示的無實(shí)物航標(biāo)，與實(shí)體航標(biāo)相比較具有不占用通航水域，不影響視覺瞭望等優(yōu)點(diǎn)。[10]本文基于AIS、嵌入式開發(fā)、遠(yuǎn)程無線傳輸、移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢，設(shè)計(jì)并開發(fā)施工船舶虛擬警戒標(biāo)來標(biāo)識(shí)施工船舶作業(yè)區(qū)域，對(duì)施工船舶進(jìn)行警戒，以緩解或消除施工船舶在施工過程中的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)，提升施工船舶鄰近水域的航行安全水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)船載終端、系統(tǒng)平臺(tái)、電子海圖儀、AIS接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等構(gòu)成。其中:系統(tǒng)船載終端包括主控芯片、GPS天線、GPS模塊、羅經(jīng)傳感器、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無線傳輸模塊等；系統(tǒng)船載終端和系統(tǒng)平臺(tái)之間信息和數(shù)據(jù)等傳輸任務(wù)通過無線傳輸模塊完成。施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架圖見圖1。

施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖見圖2。系統(tǒng)船載終端的控制中心由STM32芯片集成的兩個(gè)單片機(jī)組成，其中：單片機(jī)1負(fù)責(zé)船載終端的數(shù)據(jù)處理；單片機(jī)2負(fù)責(zé)船載終端和系統(tǒng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)工作具體流程如下：

1) 單片機(jī)1接收和處理GPS傳感器和羅經(jīng)傳感器的施工船舶的經(jīng)緯度、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息，

圖1 施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架圖

圖2 施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)2，單片機(jī)2通過無線傳輸模塊將施工船舶動(dòng)態(tài)信息上傳到系統(tǒng)平臺(tái)。

2) 收到施工船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)后，客戶端用戶根據(jù)需要，在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)施工區(qū)域參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，上傳到服務(wù)器，經(jīng)過后臺(tái)的處理，在數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)施工區(qū)域參數(shù)并返回到船載終端，由單片機(jī)1綜合施工船舶自身動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)完成施工區(qū)域邊界點(diǎn)的動(dòng)態(tài)解算，并轉(zhuǎn)換成AIS報(bào)文并通過AIS發(fā)射機(jī)向附近來往船舶發(fā)送廣播，實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域在過往他船的電子海圖儀上進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示的功能。

3) 根據(jù)AIS接收機(jī)接收過往他船的動(dòng)態(tài)信息，通過算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)施工船舶警戒功能。

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需依靠于核心企業(yè)的帶動(dòng)，通過對(duì)湖北省科技查新事實(shí)型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，把高頻關(guān)鍵詞和企業(yè)創(chuàng)新進(jìn)行映射，尤其對(duì)與企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新緊密相關(guān)的科技查新數(shù)據(jù)資源進(jìn)行重點(diǎn)研究，將企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行歸納整理，關(guān)聯(lián)出湖北省生物醫(yī)藥各領(lǐng)域的核心企業(yè)，如表1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

施工船舶數(shù)據(jù)的采集是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控施工船舶動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)。采用GPS傳感器和羅經(jīng)傳感器獲取施工船舶的經(jīng)緯度、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息。在采集施工船舶航向數(shù)據(jù)方面，由主控芯片接收三維電子羅盤HCM365的原始數(shù)據(jù)后，取出羅經(jīng)輸出原始數(shù)據(jù)的方位角并進(jìn)行解析，即可得到船舶航向信息。在采集施工船舶的GPS數(shù)據(jù)方面，GPS原始數(shù)據(jù)通過端口傳入主控芯片后，經(jīng)過解析即可得到施工船舶的經(jīng)緯度和航速信息。

2.2 施工區(qū)域標(biāo)識(shí)與顯示

目前，船用AIS接收設(shè)備已廣泛應(yīng)用在各類船舶上，因此可利用虛擬航標(biāo)技術(shù)標(biāo)識(shí)施工船舶的施工區(qū)域。以施工船舶為中心，通過均勻外拓的形式在船舶外圍畫出一個(gè)矩形，將虛擬航標(biāo)均勻的分布到矩形邊框上。以施工船舶的中心S為原點(diǎn)，以施工船舶的2倍船長和船寬建立對(duì)應(yīng)的施工矩形區(qū)域見圖3。圖3中:G為GPS天線位置；A為GPS天線到船頭的距離；B為GPS天線到艉部的距離；C為GPS天線到左舷的距離；D為GPS天線到右舷的距離；2L、2W為施工區(qū)域長和寬分別為施工船舶船長和船寬的2倍，X1、X2、X3、X4為虛擬警戒標(biāo)的位置。

施工船舶在作業(yè)期間會(huì)因施工進(jìn)度而改變航向，從而導(dǎo)致施工船舶的施工區(qū)域在海圖上的顯示發(fā)生較大的變化，航向角度改變?chǔ)梁蟮氖┕^(qū)域示意見圖4。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)施工船舶施工區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)，需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及施工區(qū)域旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)解算得到施工區(qū)域的邊界點(diǎn)，具體算法流程見圖5。

圖3 施工船舶施工區(qū)域示意

圖4 旋轉(zhuǎn)后施工區(qū)域示意

圖5 計(jì)算施工區(qū)域的邊界點(diǎn)經(jīng)緯度流程圖

完成施工區(qū)域邊界點(diǎn)的經(jīng)緯度解算后，根據(jù)AIS虛擬航標(biāo)報(bào)文協(xié)議(見表1),對(duì)施工區(qū)域邊界點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行字符串處理，從而轉(zhuǎn)換為AIS報(bào)文并通過AIS發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)送，告知其他過往船舶本施工船舶的施工區(qū)域。

表1 AIS虛擬航標(biāo)報(bào)文協(xié)議含義表

2.3 施工船舶預(yù)警

針對(duì)施工船舶預(yù)警需求，仿照施工船舶施工區(qū)域標(biāo)識(shí)，把施工預(yù)警區(qū)域也設(shè)計(jì)為矩陣模式。施工船舶預(yù)警區(qū)域分為一級(jí)警戒區(qū)域、二級(jí)警戒區(qū)域、三級(jí)警戒區(qū)域。其中：一級(jí)警戒區(qū)域長度和寬度比二級(jí)警戒區(qū)域長2d1；二級(jí)警戒區(qū)域長度和寬度比三級(jí)警戒區(qū)域長2d1(d1為用戶根據(jù)航行經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的預(yù)警區(qū)域的安全間距)。船舶預(yù)警方案示意見圖6。

圖6 施工船舶預(yù)警方案示意

判定船舶是否會(huì)碰撞的最根本因素是兩船會(huì)遇時(shí)的最小會(huì)遇距離(Distance of Close Point of Approaching,dCPA)和兩船達(dá)到最小會(huì)遇距離的時(shí)間(Time to Close Point of Apporoaching,tCPA)，dCPA為他船逼近距離的緊迫程度，tCPA為他船逼近趨勢的緊迫程度。預(yù)警的觸發(fā)機(jī)制主要考慮過往船舶的位置和逼近趨勢，本文通過計(jì)算過往他船與施工船舶預(yù)警區(qū)域的邊界的dCPA和tCPA，實(shí)現(xiàn)施工船舶的預(yù)警功能，具體闡述如下：

1) 在施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)上設(shè)置各級(jí)警戒區(qū)之間的間距d1，并設(shè)定dCPA以及tCPA的值的大小。

2) 利用AIS接收機(jī)接收其他過往船舶的AIS數(shù)據(jù)，得到過往他船的GPS、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息，結(jié)合施工船舶預(yù)警區(qū)域信息計(jì)算出他船與施工船舶實(shí)際的dCPA和tCPA大小，并與系統(tǒng)設(shè)置值進(jìn)行比較。一旦計(jì)算結(jié)果在系統(tǒng)設(shè)定范圍內(nèi)，即采取對(duì)應(yīng)等級(jí)的聲音報(bào)警，對(duì)施工船舶駕駛?cè)藛T進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示。

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

3.1 施工區(qū)域顯示驗(yàn)證

由于施工需要，施工船舶在施工期間其位置和航向經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致施工船舶施工區(qū)域持續(xù)性變化。在試驗(yàn)測試階段，通過手動(dòng)改變羅經(jīng)傳感器的方向，模擬施工船舶在不同航向下的施工區(qū)域顯示情況。施工船舶施工區(qū)域顯示見圖7。圖7展示的4張圖片均截取于電子海圖儀，分別為施工船舶在相同施工區(qū)域大小、不同航向下的顯示情況。

a) 航向35°顯示情況

b) 航向85°顯示情況

c) 航向115°顯示情況

d) 航向340°顯示情況

由圖7可知:隨著航向的變化，顯示的施工區(qū)域也在跟著改變，且旋轉(zhuǎn)的角度與航向變化角度大小相等。綜上所述，顯示的施工區(qū)域能隨著施工船舶的航向進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.2 施工船舶預(yù)警實(shí)例計(jì)算

本例中對(duì)各級(jí)警戒區(qū)之間的間距d1設(shè)定為200 m，并設(shè)定dCPA=200 m、tCPA=2 min。具體標(biāo)識(shí)見圖8。根據(jù)其他過往船舶GPS、航速、航向信息以及施工船舶預(yù)警區(qū)域信息計(jì)算出實(shí)際的dCPA和tCPA，比較其與系統(tǒng)設(shè)定值的關(guān)系，判斷出施工船舶的預(yù)警等級(jí)狀態(tài)并采取相應(yīng)措施。

圖8 計(jì)算實(shí)例圖

1號(hào)船舶與三級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離200 m，根據(jù)航速計(jì)算得到tCPA=2 min，所以直接對(duì)1號(hào)船舶采取三級(jí)預(yù)警措施。4號(hào)船舶與三級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離為200 m，tCPA>2 min，但是4號(hào)船舶與二級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離小于200 m，tCPA>2 min，所以對(duì)其采取二級(jí)預(yù)警措施。2號(hào)船舶與二級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離為200 m，根據(jù)航速計(jì)算得到tCPA<2 min，所以直接對(duì)2號(hào)船舶采取二級(jí)預(yù)警措施。5號(hào)船舶與二級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離為200 m，tCPA>2 min，但是5號(hào)船舶與三級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離小于200 m，tCPA<2 min，所以對(duì)其采取一級(jí)預(yù)警措施。3號(hào)船舶與三級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離為200 m，根據(jù)航速計(jì)算得到tCPA=2 min，所以直接對(duì)3號(hào)船舶采取一級(jí)預(yù)警措施。6號(hào)船舶與一級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離為200 m，tCPA>2 min，所以對(duì)其不采取預(yù)警措施。7號(hào)船舶與二級(jí)警戒區(qū)域邊界點(diǎn)距離小于200 m，根據(jù)航速計(jì)算得到tCPA>2 min，所以直接對(duì)7號(hào)船舶采取一級(jí)預(yù)警措施。8號(hào)船舶與三級(jí)警戒區(qū)域的邊界點(diǎn)距離小于200 m，根據(jù)航速計(jì)算得到tCPA<2 min，所以直接對(duì)8號(hào)船舶采取三級(jí)預(yù)警措施。

4 實(shí)船測試驗(yàn)證

在長江武漢段選取“吉洲”號(hào)船舶進(jìn)行實(shí)船測試。將施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)所有硬件安裝在“吉洲”號(hào)停靠的躉船上，測試場景和系統(tǒng)所有硬件具體展示見圖9。

通過測試，客戶端顯示施工船舶GPS、航向、航速等動(dòng)態(tài)信息，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測施工船舶的目的。另外，在客戶端界面上將施工船舶施工區(qū)域的長度設(shè)置為400 m，寬度設(shè)置為200 m，設(shè)置完成后，對(duì)“吉洲”號(hào)船舶電子海圖進(jìn)行觀測，測試結(jié)果見圖10。

圖9 實(shí)船測試場景圖

a) “吉洲”號(hào)船舶海圖顯示儀

b) 矩形施工水域顯示圖

c) 船舶中心點(diǎn)信息顯示圖

d) 施工水域距離測量圖

圖10a為“吉洲”號(hào)船舶的電子海圖顯示儀界面;圖10b為用虛擬航標(biāo)標(biāo)識(shí)的矩形施工水域(對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的海圖顯示儀，顯示的虛擬航標(biāo)的形式會(huì)有所不同)，矩陣中間的兩個(gè)虛擬航標(biāo)分別為施工船舶的中心和GPS天線；圖10c為矩形施工水域中心點(diǎn)的基本信息。調(diào)節(jié)“吉洲”號(hào)船舶電子海圖儀，標(biāo)定代表施工船舶中心點(diǎn)的虛擬航標(biāo)，顯示此虛擬航標(biāo)的基本信息。查看虛擬航標(biāo)水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)號(hào)等信息，進(jìn)一步驗(yàn)證這6個(gè)虛擬航標(biāo)是通過虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)船載終端的AIS發(fā)射機(jī)發(fā)射的；圖10d為“吉洲”號(hào)船舶的電子海圖儀在測量模式下的顯示情況。為驗(yàn)證虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)船載終端對(duì)于施工區(qū)域參數(shù)的接收、解析、解算等處理的正確性，將“吉洲”號(hào)船舶電子海圖儀調(diào)節(jié)到測量模式，測量矩形施工水域的邊界點(diǎn)的距離，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為米單位級(jí)別。測量結(jié)果為：施工區(qū)域長度接近400 m，寬度接近200 m，分別對(duì)應(yīng)我們?cè)诳蛻舳松显O(shè)定的施工水域長度和寬度。因此，虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)船載終端工作的可靠性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。系統(tǒng)測試表明：該虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測施工船舶動(dòng)態(tài)、廣播施工船舶施工區(qū)域、施工船舶施工區(qū)域動(dòng)態(tài)顯示等功能，并且性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

本文利用嵌入式、無線通信、AIS等技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)。首先對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建進(jìn)行說明，然后進(jìn)一步闡述系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與功能的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行測試與試驗(yàn)，結(jié)果證明系統(tǒng)的功能達(dá)到預(yù)期目的，并且性能穩(wěn)定可靠。

1) 在施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)的研究和開發(fā)中，將通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service, GPRS)、GPS、電羅經(jīng)、AIS發(fā)射機(jī)、AIS接收機(jī)、海圖顯示儀等集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測船舶動(dòng)態(tài)的功能，可解決施工船舶安全監(jiān)管的難題。

2) 施工船舶虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)采用虛擬航標(biāo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了施工水域標(biāo)識(shí)與顯示的功能，并能實(shí)現(xiàn)施工船舶預(yù)警。這一技術(shù)應(yīng)用模式在保障施工船舶安全施工方面具有一定創(chuàng)新性。