船舶離靠泊輔助系統(tǒng)的發(fā)展與展望

徐承軍 黃慶林 吳建曲

1 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 2 武漢理工港航科技研究院有限公司

1 引言

隨著全球海運(yùn)量不斷增長(zhǎng)和船舶大型化、高速化發(fā)展，航道通航密度日益增大，海損事故頻發(fā)，2017年來，已發(fā)生多起岸船碰撞事故，嚴(yán)重影響了碼頭裝卸效率。造成離靠泊事故頻發(fā)的原因主要有[1]：①低船速下舵效減弱，船體更易受風(fēng)、流的影響，容易失速或入泊角過大；②高大的船體影響操船員觀測(cè)，船舶上層建筑或船舷易與岸上裝卸設(shè)備碰撞；③超重船體的巨大慣性帶來的操船延時(shí)等。僅依靠操船者的經(jīng)驗(yàn)離靠泊已難以應(yīng)對(duì)日益繁忙的港口作業(yè)要求。由測(cè)速、測(cè)距、定位功能發(fā)展而來的船舶輔助離靠泊系統(tǒng)，增強(qiáng)了船舶運(yùn)動(dòng)的感知能力，能有效降低碰撞事故發(fā)生率。

首先對(duì)船舶離靠泊系統(tǒng)進(jìn)行介紹，其次對(duì)國內(nèi)外常用的幾種船位探測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，并總結(jié)各自的特點(diǎn)；介紹自動(dòng)靠泊系統(tǒng)的研究進(jìn)展和成果，最后對(duì)船舶離靠泊系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行展望。

2 船舶離靠泊輔助系統(tǒng)構(gòu)成

船舶離靠泊輔助系統(tǒng)(Berthing Aid Systems,BAS，以下簡(jiǎn)稱靠泊系統(tǒng))的核心是對(duì)入港船舶的靠泊信息進(jìn)行采集，增強(qiáng)操船者或控制系統(tǒng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(船舶位置、船艏離岸距離、船艉離岸距離、船艏靠岸速度、船艉靠岸速度、入泊角度等)的感知。根據(jù)船位探測(cè)裝置安裝位置不同，靠泊系統(tǒng)可分為岸基(見圖1)和船載(見圖2)兩類。

圖1 岸基式靠泊系統(tǒng)組成

圖2 船載式靠泊系統(tǒng)組成

在靠泊系統(tǒng)基礎(chǔ)上還可增加環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Environmental Monitoring System,EMS)、纜繩載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Mooring Load Monitoring System,MLMS)、船岸通訊系統(tǒng)(SSL)、快速脫纜監(jiān)控系統(tǒng)以及船-岸碰撞緩沖裝置等。實(shí)際上，靠泊系統(tǒng)是船位探測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與船岸通訊系統(tǒng)的廣義概念。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)靠泊水域氣象條件(風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速、溫度、濕度、潮位等)；對(duì)于岸基靠泊系統(tǒng)，船岸通訊系統(tǒng)多是利用岸邊的顯示屏、聲光報(bào)警器向船舶發(fā)送靠泊信息(艏/艉離岸距離、靠岸速度及示警)，而對(duì)于船載靠泊系統(tǒng)則直接顯示在船載或引航員便攜設(shè)備上。

3 靠泊系統(tǒng)中的船位探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)有的船位探測(cè)技術(shù)都是在直接或間接距離測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。前者是利用距離傳感器直接進(jìn)行岸-船距離測(cè)量，后者是通過衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星-船舶、衛(wèi)星-地面基站測(cè)距，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為岸-船、船-船距離。通過船位測(cè)距可進(jìn)一步計(jì)算出船跡、船速與航向信息。李寶玉[2]根據(jù)探測(cè)技術(shù)的不同，將靠泊系統(tǒng)分為聲波靠泊與電磁波靠泊兩種，隨后又發(fā)展出了采用機(jī)器視覺技術(shù)的視覺靠泊。

聲納、微波雷達(dá)、紅外等技術(shù)發(fā)展和運(yùn)用較早，但都存在穩(wěn)定性及精度較低的缺陷；空氣波由于有效作用距離短、動(dòng)態(tài)反應(yīng)緩慢[3]，已漸被淘汰；而紫外光尚未有成熟應(yīng)用，目前應(yīng)用較多的是以激光測(cè)距為主的岸基靠泊系統(tǒng)和基于GPS的船載靠泊系統(tǒng)。以下將對(duì)激光、GPS和視覺靠泊的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行說明。

3.1 激光靠泊

3.1.1 激光測(cè)距靠泊

1992年起激光靠泊輔助系統(tǒng)(Laser Docking System,LDS)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各大港口，它的出現(xiàn)對(duì)上述靠泊系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的沖擊。該系統(tǒng)的基本思路是在岸上相隔一定距離固定2臺(tái)激光傳感器，實(shí)現(xiàn)船舶艏艉高精度的實(shí)時(shí)測(cè)距、測(cè)速。

國外較早的應(yīng)用有英國Strain stall、丹麥Marimatech、澳大利亞Harbour Marine等公司的靠泊設(shè)備，國內(nèi)對(duì)激光靠泊也有大量研究，涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及應(yīng)用等方面，其中較完整的有大連理工大學(xué)[4]、寧波世科光公司的相關(guān)研究與產(chǎn)品。

相較于其他形式的靠泊設(shè)備，激光靠泊具有測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)反應(yīng)靈敏，作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，但激光探頭多采用垂直岸線的固定安裝方式，尋找目標(biāo)的能力較差，當(dāng)船舶采取角度靠泊時(shí)，測(cè)距點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差過大。文獻(xiàn)[5]提出了一種激光探頭升降裝置，解決了部分船型兼容的問題，但難以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量、受船舶大小及靠泊方式的限制，多在海港的平行靠泊頂推橫移階段啟用，而內(nèi)河港口則因水位變化較大可能超出升降范圍。周紅進(jìn)[6]利用岸基自動(dòng)跟蹤全站儀對(duì)準(zhǔn)船艏艉端的目標(biāo)棱鏡，采用四點(diǎn)測(cè)向測(cè)距方式，可高精度同步測(cè)量入泊船舶。Krupp Atlas Elektronik公司研制的Alats Polarifx激光定位系統(tǒng)，將微處理機(jī)技術(shù)與激光跟蹤設(shè)備相結(jié)合，用來測(cè)量從跟蹤站到浮游視標(biāo)的距離和方位角。

3.1.2 激光掃描靠泊技術(shù)

三維激光掃描儀通過高速激光掃描測(cè)量，可以快速、大量的采集被測(cè)對(duì)象表面的空間點(diǎn)位信息，已在產(chǎn)品零件的檢測(cè)與逆向工程、古建筑及地形的三維重構(gòu)得到了廣泛運(yùn)用，然而目前尚無成熟的基于三維激光掃描技術(shù)的靠泊系統(tǒng)。ARJ Ruiz[7]利用船艏側(cè)置的激光雷達(dá)，結(jié)合多目標(biāo)跟蹤技術(shù)(MTT)可實(shí)時(shí)獲取水面其他船舶、浮標(biāo)、橋墩與閘室的點(diǎn)云圖像，有效監(jiān)測(cè)范圍已達(dá)500 m。閆曉飛[8]則在岸基方面做了大量的研究，并通過岸基三維激光掃描儀獲取的船體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確定船舶二維船舷，從而計(jì)算出船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

三維激光掃描靠泊解決了點(diǎn)式激光靠泊尋找目標(biāo)難的問題，同時(shí)獲取的船體信息或可作為碰撞預(yù)警的決策輸入，但仍存在下列問題亟待解決：

(1)三維激光掃描設(shè)備多采用固定安裝，且對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行場(chǎng)景(靜止-靜止)重構(gòu)，由船觀岸(運(yùn)動(dòng)-靜止)和由岸觀船(靜止-運(yùn)動(dòng))兩種監(jiān)測(cè)方式易造成點(diǎn)云散亂。

(2)即使加快掃描速率，從海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)船舶輪廓與靠泊信息，需要一種快速點(diǎn)云處理算法，當(dāng)船靠近時(shí)，這種“快速”則近乎實(shí)時(shí)，但若犧牲點(diǎn)云密度或降維處理，設(shè)備性能則顯過剩。

(3)在三維激光掃描設(shè)備中，國外廠商具有絕對(duì)的市場(chǎng)占有率，軟、硬件均難以訂制或二次開發(fā)，比如成本、掃描方式、接口權(quán)限、供電和防護(hù)等限制都注定了其在港口及船舶上運(yùn)用尚需時(shí)日。

近年來，多線(16線、64線，128線)激光雷達(dá)技術(shù)的成熟與成本降低，使得無人駕駛技術(shù)飛速發(fā)展，移植這一技術(shù)于船舶靠泊監(jiān)測(cè)也成為一個(gè)思路[9]，相較于上述的三維激光掃描儀，激光雷達(dá)具有更快的響應(yīng)速度與友好的二次開發(fā)環(huán)境，很可能是下一階段的研究熱點(diǎn)。

3.2 基于GPS靠泊輔助技術(shù)

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航儀可以為行船提供準(zhǔn)確位置信息，民船用GPS的精度通常可以達(dá)到5～10 m，基本可滿足船舶在廣闊海域航行需求。當(dāng)船舶航行至較狹小區(qū)域時(shí)(如港口航道、港池)，因風(fēng)、流、水位的影響，容易造成航行中斷或碰撞事故，目前多采用雙頻、雙天線、差分GPS(DGPS)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(Real-time kinematic，RTK)等技術(shù)來提高GPS的定位精度。

新西蘭Navicome Dynamics公司的便攜式引航設(shè)備HarborPilot，以GPS雙天線接收機(jī)以及S-57電子海圖作為系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)。丹麥Marinmateck公司的E-Sea Fix CAT 2&3，定位終端由雙頻接收機(jī)組成，通過UHF、GPRS或者UMTS等方式無線連接顯示終端。Oda[10]、織田[11]等將DGPS技術(shù)用于船基式靠泊儀，實(shí)現(xiàn)船舶高精度定位。2012年，集美大學(xué)自主研發(fā)的基于DGPS的大型船舶靠離泊裝備，采用單點(diǎn)與多點(diǎn)DGPS相結(jié)合的組合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的船舶靠泊信息獲取[12]；接著又以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)了船載引靠泊系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國在船基高精度引航靠泊系統(tǒng)研究的空白[13]。高齊生[14]利用RTK高精度的定位技術(shù)，為船舶在提供持續(xù)、高效的靠泊參數(shù)。

目前，GPS/DGPS幾乎覆蓋所有船舶，再結(jié)合船載傳感器可獲取船舶姿態(tài)與航行數(shù)據(jù)，為船舶定位、導(dǎo)航、監(jiān)控和管理帶來了極大的方便。相比其他靠泊技術(shù)，GPS靠泊擁有更多的用戶與技術(shù)基礎(chǔ)，可應(yīng)對(duì)不同船舶、不同靠泊方式、不同碼頭類型的全天候航行與離靠泊作業(yè)。同樣，船舶越接近岸，對(duì)靠泊信息的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性要求越高，目前的精度仍待提高，且只能獲取船位信息，無法獲取船舶與岸上設(shè)備可能碰撞部位的信息。再者，為保我國水運(yùn)和航道的戰(zhàn)略安全，須盡快建立起基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Bei Dou Navigation Satellite System，BDS)的靠泊系統(tǒng)。

3.3 計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)靠泊

目前利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，可提取道路影像中的道路線和路標(biāo)，助力車輛的無人駕駛，但在船舶自動(dòng)駕駛和靠泊系統(tǒng)中運(yùn)用還較少。臺(tái)灣海洋大學(xué)的相關(guān)學(xué)者基于圖像處理技術(shù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)船舶與目標(biāo)物的距離及相對(duì)方位，提出了基于模糊控制法[15]、內(nèi)模式控制法[16]的船舶視覺靠泊的控制方法。Yoshiaki Mizuchit團(tuán)隊(duì)[17]在船模裝載多相機(jī)單元跟蹤岸上指定目標(biāo)來確定船舶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)為相機(jī)間的基線長(zhǎng)度l,艏艉相機(jī)單元的距離L，目標(biāo)距離D在20～100 m時(shí)，平均誤差小于1%，在實(shí)際船舶上(L，l)可以取的更大，測(cè)距精度將會(huì)更高，該系統(tǒng)完全有可能達(dá)到靠泊作業(yè)速度測(cè)量的精度要求。董亞力[18]則通過岸基視頻圖像，提取船輪廓特征，并結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)的幀掃描技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)判斷和危險(xiǎn)狀態(tài)識(shí)別預(yù)警。

3.4 各系統(tǒng)對(duì)比

綜上所述，各類靠泊系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見表1，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

表1 船位探測(cè)技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比

表2 幾種船位探測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)狀對(duì)比

另外，岸基靠泊系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)：①監(jiān)測(cè)距離短，基本只覆蓋本泊位水域，且只監(jiān)測(cè)靠泊本泊位的船舶；②岸船通訊形式單一(岸邊屏幕)，雨霧天氣影響觀察；③通常1個(gè)泊位需要安裝1套系統(tǒng)，成本較高；④設(shè)備笨重，維護(hù)不便。船載靠泊系統(tǒng)則具有更高的主動(dòng)性與實(shí)時(shí)性，同時(shí)設(shè)備的利用率也優(yōu)于岸基系統(tǒng)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲納、雷達(dá)與GPS等都兼具航行與靠泊功能。但岸基以“旁觀者”監(jiān)測(cè)，對(duì)減少操船者的主觀錯(cuò)誤、記錄船舶靠泊過程有著重要作用。

4 自動(dòng)靠泊技術(shù)

自力靠泊，即依靠船舶本身安裝的動(dòng)力系統(tǒng)(如推進(jìn)器、舵、錨)完成靠泊操作，但受港區(qū)水文氣象條件限制，船舶失控的概率較大，常見于萬噸級(jí)以下船舶。大型船舶大多都是強(qiáng)制引航，由拖輪協(xié)助靠泊，即他力靠泊，但無疑增大了人為失事的概率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在船舶碰撞事故中，89%～96%的事故可歸因于人的自身原因[19]，這也促使國內(nèi)外對(duì)自動(dòng)靠泊技術(shù)進(jìn)行探索。

相關(guān)控制理論及船模實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了其可行性[20]，而無人水面艇(USV,Unmanned Surface Vessel)集環(huán)境感知、自主航行、遠(yuǎn)程協(xié)助為一體，在巡邏偵察、海事救援、氣象探測(cè)等方面具有廣闊前景。柳晨光[22]對(duì)USV的發(fā)展現(xiàn)狀與展望做了詳細(xì)的分析，文中提及的MUNIN項(xiàng)目組以船長(zhǎng)為200 m的散貨輪為研究對(duì)象，可完成自主航行、自動(dòng)控制、岸基遠(yuǎn)程控制和物標(biāo)探測(cè)等工作[23]。K.U.Yang[24]由船岸距離監(jiān)測(cè)，獲取船舶靠泊參數(shù)，通過控制系泊絞車拖拽船體，省去拖輪頂推的方式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)靠泊。

2018年，挪威海事機(jī)構(gòu)與海岸管理局共同簽署了將特隆赫姆峽灣開發(fā)為“全球首條專門測(cè)試無人駕駛船舶的航線”的協(xié)議，技術(shù)和政策的支持使自動(dòng)駕駛技術(shù)快速發(fā)展。Norled公司旗下“Folgefonn”號(hào)渡船已經(jīng)成為世界上第一艘安裝自動(dòng)靠泊系統(tǒng)(Auto Docking System)的渡船，包括轉(zhuǎn)向和推進(jìn)在內(nèi)的所有船舶操作，都由軟件自動(dòng)控制完成，提高了推進(jìn)器的利用率和泊船效率。Yara與KongSberg共同打造了全球首艘純電動(dòng)自動(dòng)駕駛集裝箱船Yara Birkeland，并計(jì)劃于2020年轉(zhuǎn)向全自動(dòng)控制駕駛[25]。

大型船舶的無人化和自動(dòng)靠泊技術(shù)涉及法律法規(guī)、技術(shù)論證、實(shí)驗(yàn)及配套設(shè)施等諸多環(huán)節(jié)，道路仍很漫長(zhǎng)。

5 展望

離靠泊事故頻發(fā)，損失極大，無論是船方、港方還是海事部門都對(duì)離靠泊作業(yè)提出了更高的要求，現(xiàn)有靠泊系統(tǒng)的功能與精度已顯不足，從靠泊系統(tǒng)實(shí)際使用需求和技術(shù)發(fā)展來看，其未來研究重點(diǎn)應(yīng)該集中在以下3個(gè)方面。

5.1 多技術(shù)集成的船位監(jiān)測(cè)

單一的船舶測(cè)位、定姿系統(tǒng)無法兼顧精度與速度，而精度和速度又與船舶離岸距離相關(guān)，靠泊監(jiān)測(cè)過程是一個(gè)由遠(yuǎn)到近、由間斷粗略測(cè)量到實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)、由多目標(biāo)(靠泊船舶與其它行船)觀測(cè)到單目標(biāo)(靠泊船舶)跟蹤測(cè)量的過程。這一過程的監(jiān)測(cè)需發(fā)揮上述靠泊系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)，如離岸較遠(yuǎn)時(shí)利用GPS定位，船舶靠近時(shí)采用激光跟蹤測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多技術(shù)集成的監(jiān)測(cè)。

5.2 港-船-機(jī)協(xié)同安全監(jiān)測(cè)

靠泊碰撞事故可大致分為船(靠泊船舶)-岸(碼頭)碰撞、船-機(jī)(岸邊裝卸設(shè)備)碰撞與船(靠泊船舶)-船(其他行船)碰撞3類。現(xiàn)有的靠泊系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)入泊角與靠泊速度來避免船-岸、船-機(jī)碰撞。岸基式靠泊系統(tǒng)由于只針對(duì)單目標(biāo)(靠泊船舶)監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)船-船避撞，船載式靠泊系統(tǒng)則可以依靠GPS或雷達(dá)避碰，但超高超寬船體仍會(huì)與岸邊裝卸設(shè)備相撞。所以，僅靠岸-船相對(duì)位置的二維監(jiān)測(cè)已不能避免碰撞發(fā)生，需要根據(jù)船舶離岸距離做到點(diǎn)(船、機(jī)位置)-體(船、機(jī)姿態(tài))-局部(船、機(jī)易碰撞部位)的一體化監(jiān)測(cè)，模糊岸-船邊界，在靠泊、裝卸和離泊的全過程中監(jiān)測(cè)船-岸-機(jī)三者的空間位置與三維形態(tài)，實(shí)現(xiàn)港-船-機(jī)協(xié)同安全監(jiān)測(cè)。

5.3 跨平臺(tái)共享，發(fā)掘深層功能

為實(shí)現(xiàn)上述功能，需結(jié)合AIS、VTS、三維數(shù)字化航道、船舶大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)保障靠泊船舶在航道內(nèi)的通行安全。依靠快速三維重構(gòu)或參數(shù)建模技術(shù)，再結(jié)合船、機(jī)位置姿態(tài)驅(qū)動(dòng)生成靠泊模型。引入專家系統(tǒng)，將先驗(yàn)知識(shí)與操作規(guī)程具化到靠泊系統(tǒng)中，依據(jù)當(dāng)前泊位信息、船舶自身信息(船舶類型、外形及載重)、船位信息和水文信息，提前模擬船舶軌跡與可能碰撞的位置，從而提供最優(yōu)靠泊路徑及避撞策略。加強(qiáng)岸-船、船間通訊，減短決策-指令-動(dòng)作間的延遲，降低碰撞事故發(fā)生率，提高靠泊效率，并為自動(dòng)導(dǎo)航與自動(dòng)靠泊技術(shù)積累技術(shù)。

6 結(jié)語

通過歸納、梳理國內(nèi)外靠泊輔助系統(tǒng)的文獻(xiàn)資料，對(duì)比、分析了各系統(tǒng)中船位探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)與現(xiàn)狀，立足前沿技術(shù)，展望了靠泊輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的融合與發(fā)展，船舶定位、定姿精度不斷提高，為船舶入港引導(dǎo)、避碰提供基礎(chǔ)支撐，在不久的將來，有望實(shí)現(xiàn)大型船舶自動(dòng)、無人靠泊的目標(biāo)。