一種基于北斗衛(wèi)星定位的船舶智能報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林英獅 施志鴻

摘? ?要：船舶報(bào)警系統(tǒng)完善程度直接關(guān)系到船舶安全，為了使船員能有效進(jìn)行航線調(diào)整，減少事故的發(fā)生，保證船舶安全，文章設(shè)計(jì)了一種船舶智能報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)用于基于北斗衛(wèi)星定位的船舶智能避碰報(bào)警終端。該系統(tǒng)通過(guò)北斗衛(wèi)星定位單元來(lái)確認(rèn)其他船舶的位置、航向及航速等信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元采集本船舶的位置、航向及航速等信息，控制處理單元根據(jù)兩種信息進(jìn)行計(jì)算，在本船舶處于不同的航速時(shí)，采用不同的預(yù)警條件，在其他船舶的航行狀態(tài)達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，控制報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警，以使本船能對(duì)其他船舶進(jìn)行有效避讓。在船舶進(jìn)入港口區(qū)域時(shí)，因港口船舶密度過(guò)大，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉報(bào)警避免不必要的擾亂，在船舶進(jìn)入特定水域時(shí)，通過(guò)報(bào)警單元進(jìn)行語(yǔ)音提示。這是一種智能化、使用方便的船舶報(bào)警系統(tǒng)，具有很大的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：船舶;船舶智能報(bào)警系統(tǒng);報(bào)警;北斗定位

我國(guó)是世界漁業(yè)大國(guó)，2018年全國(guó)漁業(yè)人口1 878.68萬(wàn)人，其中，漁業(yè)從業(yè)人員1 325.72萬(wàn)人;擁有漁船86.39萬(wàn)艘，占世界漁船總數(shù)1/4以上;水產(chǎn)品總產(chǎn)量占世界水產(chǎn)品產(chǎn)量比重超過(guò)1/3;漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值2.59萬(wàn)億元，其中漁業(yè)產(chǎn)值1.28萬(wàn)億元，占農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重為9.3%。發(fā)展?jié)O業(yè)生產(chǎn)對(duì)保障國(guó)家食物安全、增加農(nóng)漁民收入、促進(jìn)生態(tài)文明、維護(hù)海洋權(quán)益等均具有重要意義[1]。漁船生產(chǎn)作業(yè)具有流動(dòng)性、隨機(jī)性，因天氣、海況、漁訊、作業(yè)習(xí)慣而各不相同。漁船在海上航行作業(yè)時(shí)，由于與商船航線互為交叉，頻頻發(fā)生碰撞事故，海上作業(yè)漁船基本屬于群眾漁船，生產(chǎn)組織化程度低。

與此同時(shí)，我國(guó)漁業(yè)漁船在航行作業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題也不容忽視。目前，漁業(yè)船舶一般采用雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)、人工瞭望、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行助航，即船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS），實(shí)現(xiàn)過(guò)往船舶的有效避讓，以避免船舶碰撞事故的發(fā)生。雷達(dá)探測(cè)與人工瞭望對(duì)人的依賴非常強(qiáng)，一定要有專人值班，AIS的避讓又只對(duì)船只航行姿態(tài)無(wú)區(qū)分的報(bào)警[2]。

基于AIS系統(tǒng)新型的數(shù)據(jù)交互，時(shí)常有無(wú)法顯示船名信息的情況，導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的因素有以下兩種：（1）由于傳輸數(shù)據(jù)丟包導(dǎo)致的超時(shí)刷新，接收的所有信息被刷新清除，需重新進(jìn)行信息接收，導(dǎo)致船名不顯示。（2）由于AIS不同的信息類型有不同的更新間隔，靜態(tài)信息更新間隔為6 min，動(dòng)態(tài)信息取決于航速和船向的變化，有2 s，3 s，6 s，10 s，30 s 5種報(bào)告間隔，一般情況下收到動(dòng)態(tài)信息立即顯示，而船名信息只在接收到靜態(tài)信息時(shí)才會(huì)顯示，導(dǎo)致船名時(shí)常無(wú)法顯示[3]。

本文根據(jù)前人研發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及深入分析現(xiàn)有船舶報(bào)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種智能化的船舶智能報(bào)警系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的可靠性，有助于保障船舶航行中的安全。

1? ? 船舶智能報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的船舶智能報(bào)警系統(tǒng)主要包括：控制處理單元、北斗定位單元、通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源單元及報(bào)警單元，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，控制處理單元與通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、北斗定位單元、電源單元和報(bào)警單元電性連接。通信單元用于建立與其他船舶之間的數(shù)據(jù)通信;北斗定位單元用于定位信息的處理和生成，數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容包括其他船舶的航行狀態(tài)信息;數(shù)據(jù)采集單元用于采集船舶的航行狀態(tài)信息;電源單元用于為控制處理單元單元提供電能;控制處理單元用于將通信單元獲得的其他船舶航行狀態(tài)信息與所在船舶航行狀態(tài)信息進(jìn)行比對(duì)，在比對(duì)結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)預(yù)警條件時(shí)，控制報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。

2? ? 船舶智能報(bào)警系統(tǒng)組成單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? 通信單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的每個(gè)單元都由若干個(gè)子單元組成。具體地，通信單元由發(fā)送子單元、接收子單元、轉(zhuǎn)換子單元及通信天線組成，如圖2中A部分所示。發(fā)送子單元用于將所在船舶的航行狀態(tài)信息通過(guò)轉(zhuǎn)換子單元發(fā)送到通信天線，再通過(guò)通信天線發(fā)送出去。相反地，通信天線將接收到的其他船舶的航行狀態(tài)信息傳輸至轉(zhuǎn)換子單元進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息將傳輸至控制處理單元。通過(guò)通信單元的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)與其他船舶之間的數(shù)據(jù)通信。

船舶之間數(shù)據(jù)通信是基于AlS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而AIS設(shè)備的船名和識(shí)別碼之間的關(guān)系是相互對(duì)應(yīng)且唯一的，并且經(jīng)過(guò)相關(guān)部門(mén)登記備案[4]。通過(guò)收集相關(guān)部門(mén)登記的AIS設(shè)備信息，制作水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（Maritime Mobi1e Service Identify，MMSI）與船名一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，在AIS系統(tǒng)軟件中嵌入船名的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)接收到的AIS動(dòng)態(tài)信息，系統(tǒng)將自動(dòng)采集識(shí)別碼查找數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的船名并顯示[5]。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的船名數(shù)量高達(dá)幾百萬(wàn)，為了實(shí)現(xiàn)快速索引，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將MMSI進(jìn)行有序排列，采用二分法進(jìn)行查詢，提高查找速度。

在AIS系統(tǒng)軟件中嵌入船舶名數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是顯示速度快，并且不影響AIS系統(tǒng)正常運(yùn)行。例如在數(shù)據(jù)量為1×106的數(shù)據(jù)庫(kù)查找，查找次數(shù)最多的情況是在最后一次二分才找到目標(biāo)。二分法時(shí)間復(fù)雜度為O（N），根據(jù)公式（1）：

O（N）=log21×106（1）

可以算出大概需要查找20次即可索引到對(duì)應(yīng)的船名，相對(duì)于按序查找速度更快。通過(guò)該方案，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，AIS時(shí)常無(wú)法顯示船名信息的問(wèn)題。

2.2? 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元包括定位子單元和航向航速采集子單元，如圖2中B部分所示，定位子單元用于采集系統(tǒng)所在船舶的位置信息發(fā)送至控制處理單元，航向航速采集子單元用于采集所在船舶的航向和航速信息，傳輸至控制處理單元。通過(guò)比對(duì)采集到的其他船舶信息，可以避免碰撞的發(fā)生，保證航行安全。

2.3? 控制處理單元設(shè)計(jì)

控制處理單元，如圖2中C部分所示，使用收集到的本船與其他船舶的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，判斷是否符合報(bào)警條件，如果符合，則控制報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。在本船的航速超過(guò)預(yù)設(shè)航速時(shí)，根據(jù)本船和其他船舶的航行狀態(tài)信息計(jì)算出最小會(huì)遇距離和最小會(huì)遇時(shí)間，當(dāng)最小會(huì)遇距離小于預(yù)設(shè)會(huì)遇距離或最小會(huì)遇時(shí)間小于預(yù)設(shè)會(huì)遇時(shí)間時(shí)，控制報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。