拖輪智能航行系統的設計與實現

嚴松 吳富民 富玲峰 李培正 陳岱岱

摘? ?要：隨著船舶制造業的發展，智能船舶設計和應用被提上日程，文章參照《智能船舶規范》的要求，結合港作拖輪的航行和作業特點，探討性地設計了針對拖輪的智能航行系統，具有基于電子海圖的多目標航跡多模式規劃和避障功能、近距避碰預警功能、岸基作業管理及油耗統計功能，經與主管部門溝通和產品實際應用，初步滿足了規范要求。

關鍵詞：智能航行;港作拖輪;智能船舶

隨著傳感技術、計算機技術、人工智能技術和制造能力的飛速發展，船舶制造領域也出現了翻天覆地的變化。2015年中國船級社發布了國際上首本智能船舶規范《智能船舶規范》，將智能船舶分為6大模塊，智能航行是其中之一，利用計算機技術、控制技術等對船舶感知信息進行綜合處理和分析，實現船舶駕駛的輔助決策功能，包括：航路設計和優化（N標志）、開闊水域自主航行（No標志）、高級自主航行（Nn標志），該規范針對大多數船舶的共性做了頂層指導，屬于綱領性文件。然而，港作拖輪的作業特點卻與運輸船舶有著較大差異，拖輪通常作業區域為出港20海里范圍內，航程較短，往返一般不超過4個小時，作業海域船只航標較多，屬于復雜海域，易與被作業船舶和航標等發生碰撞，且在頂拖過程中風浪引起的傾斜搖擺會導致桅桿與被作業船舶發生碰撞，因此，必須針對港作拖輪的作業特點探討其智能航新系統的實現。

1? ? 拖輪智能需求分析

拖輪安全作業時，主要按照中華人民共和國交通行業標準《拖輪操作規程 JT/T 300—2009》進行作業，依靠操船人員瞭望來實現障礙物避碰，加重了操船人員的精神壓力和工作負擔，在作業過程中要求操船人員精神高度集中。然而由于駕駛室視線存在一定盲區或者由于操船人員疏忽，導致部分障礙物未能及時發現，易發生船體刮擦和碰撞事情[1]。另外，頂拖過程中，船舶在風浪中的搖擺也容易造成桅桿發生碰撞。以上種種，輕則造成財產損失，重則有礙人命安全。

拖輪接送引航員時，可能需要將多名引航員送到多艘目標船上，輪駁公司和船舶管理人員更希望拖輪能夠按照最短航程或者經濟航線依次將引航員送到目的地，已達到節油的目的，此時就需要根據被作業船的航跡和位置動態調整航線，單純依靠操船人員，難以有效進行評估且加重了操船人員的負擔。

輪駁公司更希望對拖輪進行精細化管理，以達到高效和經濟的目的，希望在岸端發送工單給船端，實時了解各個拖輪的航跡及在作業區的油耗情況，并能夠以船或者作業區為單位，生成油耗報表，用以優化拖輪管理。

2? ? 系統設計

本系統由10.4寸智能航行終端、工作站、4G串口服務器、北斗通信終端和岸端組成。4G串口服務器對激光雷達、導航雷達、GPS，AIS、測深儀、氣象站、監測報警系統等進行協議轉換后，送往工作站和岸端進行運算處理，智能航行終端以電子海圖為底圖進行顯示和人機交互，具有報警和語音提示功能，并具有大屏復示功能。能夠實現基于電子海圖的多目標航跡多模式規劃和避障功能、近距避碰預警功能、岸基作業管理及油耗統計功能，系統組成框架如圖1所示。

3? ? 基于電子海圖的多目標航跡多模式規劃和避障設計

該系統以中國官方ENCS57格式的電子海圖為底圖，并在此基礎上進行深度開發，結合船舶AIS和雷達數據，采用A*算法實現航路規劃和避碰。航路規劃過程中，系統將電子海圖柵格化，獲取到航路附近的礁石、禁航區等坐標信息，疊加AIS和雷達偵測到的動態障礙物目標信息，并將障礙物進行二次膨脹化，再根據系統設置的避障半徑，自動生成一條避開障礙物路徑，并顯示在海圖上[2]。

通過選擇疊加在海圖上的船舶AIS數據圖標來選擇目標船舶，選擇規定到達時間或最短航行時間模式進行航路規劃。

3.1? 確定到達時間

由于拖輪作業前，被作業船大部分還未到錨地，處于航行狀態，因此拖輪的航路規劃具有一定的變化性。如圖2所示，智能航行系統軟件可根據被作業船的經緯度坐標、航速、航向以及拖輪自身的經緯度坐標以及拖輪到達時間計算出一條優化航路，并給出建議航速。

被作業船在A點，以v1的速度向C點航行，拖輪在B點，以v2的速度向E點航行，假設拖輪的航向為ω，經過時間t后，兩船在E的匯合。則經過計算可得到如式（1）所示的結果：

（1）

根據上述計算結果可得出該航路航向為ω，建議航速為v2。

3.2? 最短航行時間

假設拖輪在最大功率下的靜水航速為vj，拖輪在當前風浪下的失速系數為fw，則拖輪的最大航速vmax可如下計算：

（2）

可得出最短航行時間tmin為公式（3）：

（3）

4? ? 基于激光雷達的近距安全避碰設計

雖然船載AIS和導航雷達在船舶航行過程中起著舉足輕重的作用，但是在近距實時高精度探測上卻無能為力。隨著科技的飛速發展，激光雷達在測掃領域“異軍突起”，目前主流的激光雷達測量精度可達毫米級，測量頻率可達數十赫茲，擅長于100 m以內的近距測量[3]，基于這些的優點，本拖輪選用美國Velodyne公司的VLP-16激光雷達，在羅經甲板、左右舷各布置一個激光雷達，用于實時探測船舶周圍的障礙物情況，通過交換機將數據送往顯控終端，顯控終端對點云數據進行解析，按角度屏蔽船體檢測信息，提取船外障礙物位置及距離信息將絕對坐標轉換為相對于船體的相對坐標，如圖3所示，報警距離共設3個等級，分別為25 m，10 m和5 m，一旦進入船體周圍25 m范圍內即在顯控終端進行顯示和語音提示，提示方位、距離及接近速度，報警提示級別共設3個等級，越靠近船體提示音越急促。

5? ? 遠程監管平臺和油耗統計

在輪駁公司設置一套基于GIS開發的監管平臺，通過北斗和4G專網接收船端的信息并進行處理，顯示船舶軌跡和狀態，并可在岸端修改作業區電子圍欄坐標，自動同步至船端，根據航行區域自動判斷作業模式，按時間和作業區統計油耗情況，通過消息發送界面向船端發送作業指令，船端收到指令后可一鍵生成導航路徑，當判斷目標船到達指定泊位后，自動向岸端發送作業結束答復，從而實現指定工單的全過程跟蹤，大大提高作業自動化和智能化水平。

6? ? 實船安裝

該拖輪智能航行系統在津港輪31、津港輪32、津港輪33和津港輪34上成功應用，實現了多目標船航路規劃、近距避碰及遠程作業管理及油耗統計等功能，并得到中國船級社和用戶的初步認可，后續將進行取證和推廣，實船安裝如圖4所示。

7? ? 結語

本文參考《智能船舶規范》智能航行要求，結合港作拖輪的航行和作業特點，探討性設計了針對拖輪的智能航行系統，具有基于電子海圖的多目標航跡多模式規劃和避障功能、近距避碰預警功能、岸基作業管理及油耗統計功能，初步滿足了要求，后續將進行取證和推廣。

[參考文獻]

[1]陸奇峰.淺談拖輪在大風浪中航行與作業[J].中國水運，2019（9）：56-59.

[2]張先瑞.航路規劃中的智能優化算法分析[J].現代商貿工業，2016（17）：225.

[3]屈驍，鄭衛剛.基于激光傳感器的船舶避碰預警系統[J].世界海運，2014（6）：50-52.

Design and implementation of tugboat intelligent navigation system

Yan Song， Wu Fumin， Fu Lingfeng， Li Peizheng， Chen Daidai

（CETC Maritime Electronics Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo 315040， China）

Abstract：With the development of shipbuilding industry， the design and application of intelligent ships have been put on the agenda， according to the requirements of the Intelligent Ship Code， combined with the navigation and operation characteristics of port tugs， an intelligent navigation system for tugs is designed in this paper， which has the functions of multi-target track multi-model planning and obstacle avoidance based on electronic chart， short-range collision avoidance early warning， shore-based operation management and fuel consumption statistics. Through communication with the competent department and practical application of the product， the specification requirements are preliminarily met.

Key words：intelligent navigation; port tug; intelligent ship