基于系統集成及避碰技術的船舶智能化

徐 浩，富玲峰

(中電科(寧波)海洋電子研究院有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

智能船舶是目前船舶新技術研究的一個熱點，近幾年獲得了極大的關注。中國船級社(CCS)在2015年12月1日發布了《智能船舶規范》，從智能航行、智能機艙、智能船體、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺6個方面對智能船舶能要求進行了規范，旨在引領船舶和配套技術的發展[1]。

本文主要研究智能船舶的智能航行領域，目前國內外在這方面的研究主要集中在航線優化與設計和自主航行這兩方面[2]，很多航行控制算法和產品已經在小型無人艇上進行使用和試驗，但都作為單獨的無人艇個體進行研究，在商用船舶和營運船舶領域目前仍在積極研究中。而關于智能航行的研究都集中在海船和江船，在內河智能船舶方面也僅限于船舶位置監視、危化品過境監控及過閘控制等方面，沒有涉及船舶智能航行、船岸一體化調度、綜合業務管理等領域。

1 集成系統組成

智能船舶系統中，一方面借助船舶通導設備、環境感知設備等如航行/姿態檢測、AIS、RFID、CCTV、北斗衛星、導航雷達等技術手段，形成多方位立體化的航運要素信息感知體系，實現船舶對助航設施、礙航物等航行環境的智能感知；另一方面，依靠先進的船岸一體化通信技術和數據交換技術等，實現監管單位對智能船舶的遠程監控、調度及指揮。智能船舶系統架構如圖1所示。

圖1 智能船舶系統總體架構

智能船舶系統通過公網4G，AIS，VHF等通信手段接入海河聯運項目的通信網絡，與綜合信息平臺進行高速數據交互。智能船舶的通信手段及與系統的關系如圖2所示。

圖2 智能船舶通信系統

2 工作原理

智能船舶系統利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，將原先由人工實現的環境感知、事態認知和決策執行等環節通過信息化系統進行替代，具體如圖3所示。利用信息化系統實現對船舶航行進行實時監管和安全預警，實現航行過程中的避障預警，實現岸基一體化的數據交互，最終實現船舶在寬廣水域的自動航行。

圖3 智能船舶系統工作原理

智能船舶系統中的信息系統是指架設在船上的數據處理中心。其中，信息化顯控終端承擔信號匯集、分析、處理、顯示、人機交互及對內外通信的任務；感知空間是借助船載的通導系統和機艙監控系統，實現船舶狀態及周邊環境狀態的感知；認知空間是對感知數據進行綜合分析和處理，評估航行過程中潛在的各種效率、風險及危險，為保障航行安全和提高能效提供支撐依據；決策執行是根據認知的結果做出合理判斷；決策的目標是保障航行安全、提高航行效率。

3 避碰技術及DCPA原理

避碰技術的核心在于障礙物的探測與識別技術。對周邊環境進行檢測、識別障礙物，預測距離、運動方向和速度，判斷船舶與其它空間物體之間的距離是否已經構成碰撞危險。根據安全規避策略控制船舶進行路徑調整，針對運動目標需要，進行動態跟蹤及運動軌跡預測；針對多障礙目標的感知，選擇路徑調整及避碰策略。對于船舶來說，還要將識別目標信息與電子航道信息、動力信息、線路信息進行綜合處理，形成避碰決策[3]。

最近會遇距離(DCPA)表示兩船或船與障礙物在會遇過程中最近時的距離，是衡量兩船是否發生碰撞可能的重要標準。到達最近會遇距離處的時間(TCPA)，表示兩船或船與障礙物在會遇過程中的時間概念。若DCPA=0，說明若船只保持航向和航速不變，本船將與他船或障礙物同時達到某一點，必然發生碰撞危險；若DCPA>0，說明本船尚有一定的通過距離，但能否安全通過，取決于當時的環境和具體情況。當DCPA=0或DCPA小于安全距離的情況下，TCPA越小，表明船舶到達最近會遇距離處的時間越短，碰撞的危險程度越大；反之，TCPA越大，表明船舶到達最近會遇距離處的時間較長，碰撞的危險程度相對較小。

如果障礙物羅經方位有所變化，但變化幅度不大，雖然DCPA≠0，但不能確定在安全距離以外通過，需要了解障礙物方位變化和距離變化之間的關系，以便確定會遇的DCPA值。

如圖4所示，設本船位于O點，AC為障礙物相對本船的運動線。當障礙物從距本船距離為D1的B處運動到距離為D2的A處時，障礙物與本船航向偏差為α1，此時最近會遇距離DCPA=d。因此，可推導得到：

圖4 方位變化與距離變化的關系

DCPA=D2Sinα1

TCPA=D2Cosα1/Vr

其中，α1和α2是障礙物航向與本船航向的夾角(范圍為0～180°)；Vr是障礙物相對于本船的運動速度。通過分析可知，同一路徑前提下D越大，對應的α就越小，DCPA也會越來越小，但TCPA會遇的時間會越長。因此，可以判斷是否存在碰撞危險，從而實現了避碰的要求。

4 結語

本文詳細介紹了一種可實用于智能船舶的系統集成方法，可以降低開發成本并縮短開發時間，能保證整個系統的穩定性。同時，詳細介紹了DPCA的避碰技術，通過采集船舶與障礙物相對于船舶的運動路線的距離，以推導的公式計算出相應的數據，把計算出的數據和給定的表格進行比對，就能夠得出船舶碰撞的危險級別，當比較危險時，就需要調整船舵及船舶航速。