可移動式激光輔助靠泊系統的研究

徐立君，王羽婕

(長春理工大學 a.物理學院，b.數學與統計學院，長春 130022)

在國際貿易中，海上船舶運輸發揮了很重要的作用。而海上船舶運輸中，船舶的靠泊和離泊過程是船舶整個航次中最為復雜的操作過程。船舶的靠泊和離泊除了與風、浪、海流等海洋環境因素有關外，還與船舶大小、形狀、裝載量、泊位水深等各種因素有關，而引發船舶安全事故的原因還有碼頭的水域條件、通航密度以及裝卸設備的影響。隨著船舶的大型化發展，這一操作過程的事故發生率逐年提高，造成巨大的經濟損失，嚴重影響了碼頭的裝卸效率。

在船舶靠岸停泊的過程中，經常會因為海風、水流等其他影響導致無法自行停靠碼頭，對于巨型船舶影響更是巨大，造成的后果與損失更是無法估量。而傳統的測量方式易受到氣象、水文等的影響，使測量精度大大降低，甚至無法進行測量。21世紀60年代以來，激光測距因為具有良好的性能而被廣泛應用到各行業的測距技術中。隨著激光測距和無線網絡技術的發展，激光輔助船舶靠泊檢測系統能夠更加直觀、方便、準確、可靠地實時監測船舶靠泊情況并提供船舶靠泊的各方面所需數據，以助于船舶可以安全靠泊。其中，利用激光測距技術的激光輔助靠泊以其精確度高、抗干擾能力強等突出優勢在國內外得以廣泛應用。激光測距是利用激光對所需測量的目標進行精準測定其距離。由此，如何實現使用激光測距，以安全地指導船舶靠泊作業是一個亟待解決的重要問題，它直接關系著船舶行業的發展。

目前，國內外的各種激光輔助靠泊系統都是固定的，無法及時應對不同大小的船只靠泊實際的需求，國內外可應用于不同船只大小的激光輔助靠泊系統的研究很少， 本研究描述了可移動式的激光輔助靠泊系統的結構構成及測量原理。通過控制激光測距儀在導軌上移動，調節兩個激光測距儀間的距離，以滿足不同噸位和大小的船舶靠泊需求。可移動式激光輔助靠泊系統遠距離測量能力強，近距離不出現盲點，全程無縫跟蹤和監測，能測量并顯示出船離港口的最近距離，防止發生碰撞。

此可移動式激光輔助靠泊系統適應于多種噸位不同的船只的輔助靠泊，可預警碰撞事故、有效提高靠泊效率和港口生產效率，為促進船舶業的安全穩定發展奠定了基礎。

1 可移動式激光輔助靠泊系統功能與構成

1.1 可移動式激光輔助靠泊系統功能與工作流程

圖1 可移動式的激光測距船岸系統示意圖

如圖1所示可移動式激光輔助靠泊系統包括安裝在碼頭上的中央控制系統、可移動式系統、兩側位置測量儀及激光測距系統。可移動式系統包括兩輛小車、鐵軌及小車上的自穩云臺，激光測距儀安裝在小車上的自穩平臺上面。兩側的測量儀可以測量兩臺小車間的距離，中央控制系統可以根據船只的大小發出指令，控制小車在軌道上移動，中央控制系統根據定位系統傳回的數據建立坐標顯示測距系統當前位置。可移動式的激光測距系統操作流程圖，如圖2所示。小車上安裝的測距激光測距儀相互平行，并且隨著小車的移動改變相互間的距離，可以監測船前身和船尾兩點的離岸距離，利用相同時間間隔測量出的不同距離，可計算出船舶速度，再計算出船舶與碼頭所成的角度。工控機的輸出端與LED大屏、聲光報警系統和顯示器相連接，工控機的輸入端與激光測距儀相連接。當船舶進入靠泊區域時，靠泊引航員可通過計算機或手機控制終端向中央控制系統(工控機)發出指令，根據靠泊船舶的大小型號、相應地移動測距系統，使測距系統測量船舶指定位置點。當船舶靠泊速度和角度超出所設定的標準值時，聲光報警器就啟動，通過聲音與強光來提醒靠泊的操作人員，防止意外事故的發生。

圖2 可移動式的激光測距系統操作流程圖

此可移動式激光輔助靠泊系統包括兩臺激光測距儀，激光測距儀設置的位置相對并相隔的距離一定、平行設置的兩臺可以由中央控制系統控制的可以在導軌上平動的激光測距儀。激光測距儀相對放置，中間由鐵軌連接，用于探測測距系統兩個激光測距儀的位置。同時，定位系統將數據傳輸給中央控制系統，中央控制系統通過數據建立相應的靠泊坐標系，可以精確控制兩個測距點的具體位置。激光測距儀可以監測出船舶上任意兩點的離岸距離，同時利用相同時間間隔測量出的不同距離，計算出靠泊船舶的速度，并根據兩點的距離計算出船舶與碼頭的角度，當船舶靠泊速度與船舶與碼頭的角度超出碼頭所設定的正常范圍值時，則碼頭的報警器就會報警，提醒碼頭引航員做出及時的調整，防止碼頭設施的損壞。激光測距儀固定在小車上，可在水平導軌上運動，平動驅動裝置與中央控制系統相連，由中央控制系統進行控制。

1.2 可移動式系統構成

此可移動式激光輔助靠泊系統采用正常鐵軌鋪設。移動裝置包括：車體、蓄電池組、導軌、行走及驅動系統；小車依靠蓄電池組供電驅動，車體下部安裝走行及驅動系統，車體上安裝有塔座，塔座上可以連接自穩云臺。走行及驅動系統包括：4個驅動輪、直流電機；4個走行輪車體兩側至少各有1個為由直流電機直接驅動的驅動輪；保證可在軌道線路上滾動行駛。系統中的蓄電池組的蓄電池電壓48 V,容量375 Ah，在提供電源的同時也被用作配重，每組的重量為310 kg，是保證穩定性的關鍵部件。

自穩云臺包括調平盤、伺服電機、固定盤，固定盤水平安裝在小車塔座之上，調平盤位于固定盤上方，調平盤上安裝有傾角傳感器，在自穩云臺上還設置有用于讀取傾角傳感器數據的外接單片機控制模塊；在固定盤上設有伺服電機，通過控制連桿機構確保調平盤處于水平工作狀態。測距系統的激光測距儀固定在自穩云臺調平盤上。

圖3 可移動式的激光測距系統構成圖

2 可移動式系統激光測量基本原理

2.1 激光測距的理論基礎

激光測距儀的工作原理是利用脈沖激光器向目標發射單次激光脈沖或激光脈沖串,計數器測量激光脈沖到達目標，再利用從目標返回到接收機的時間,從而計算出目標點的距離。工作過程是:首先瞄準目標,然后啟動激光器,通過發射光學系統,向瞄準的目標發射激光脈沖信號。同時,發射信號由采樣器采集,作為計數器開門的脈沖信號,啟動計數器,鐘頻振蕩器向計數器有效地輸入鐘頻脈沖,由目標反射回來的激光回波經過大氣傳輸,進入接收光學系統,作用在光電探測器上,轉變為電脈沖信號,經過放大器放大,進入計數器,計數器停止計數。計數器從開門到關門期間,所進入的鐘頻脈沖個數,經過運算得到目標距離,在顯示器上顯示出來。

激光具有四個特點：

(1)亮度高。因為激光有很強的能量和強烈的發射能力，所以它的亮度比其他光高億萬倍。激光的光的質量比其他光的質量高，更適應于環境復雜難測的海上情況。

(2)方向性好。由于激光的發射能力強，所以發射后激光的發散角非常小，可以使光的偏角小，測量的更加精確，適用于環境復雜難測、光污染嚴重的海上情況。

(3) 單色性好。激光有相似的波長，顏色單一純凈，故激光的單色性很好。激光在航海技術中應用很廣范也是因為單色性好。

(4)相干性好。激光受激輻射光，具有極強的相干性。

此特性非常適用于環境復雜難測，光污染嚴重的海上靠泊情況。

2.2 可移動式系統激光測量基本原理

整個系統的測試原理如圖4所示，通過兩個平行的激光探頭，探測船舶上點的離岸距離，根據一定時間間隔的不同距離，先計算出速度，再根據兩點的距離得出船舶與碼頭的角度。

(1)

其中，v為船舶行駛的速度，t是一定的時間間隔，y是船舶行駛的距離變化。

(2)

其中，θ是船舶與碼頭的角度，y是船舶行駛的距離變化，x是兩個平行激光探頭的距離。

圖4 船只位置、速度和角度的測量原理

3 系統指標與結果分析

課題組研制的可移動式的激光輔助靠泊系統的測量指標如下：

測量范圍：0.05 m～350 m

測量船只的噸位：5 萬t～20 萬t

測量精度：+/- 3.5 cm 基于特定條件下180 m的重復精度

速度范圍：0 ～ 90 cm/s

分辨率：1.5 cm

可測船只長度：200 m～300 m

氣象條件：適合在雨、霧條件下使用

溫度范圍：-10 ℃ ～+50 ℃

濕度：90%

4 結語

我國經濟的飛速發展為國內港口碼頭提供了前所未有的機遇。可移動式激光輔助靠泊監測系統若被國內眾多的港口碼頭使用，可提高港口的工作效率和收益效益。

本可移動式激光輔助靠泊系統是碼頭為了保證船舶靠岸安全必須裝配的器件。為了安全、高效地指導貨輪停靠碼頭，我國十大碼頭現有三大碼頭都已經裝配了先進的靠泊系統。本可移動式激光輔助靠泊系統是一種可適用于多種噸位船只的可移動式激光輔助靠泊系統。通過兩個安裝在碼頭上在系統前端且距離平行的激光測距儀來測量船舶的離岸距離，以計算出船舶此時的速度及船舶與碼頭的角度，從而定位船舶。激光測距儀固定在小車上的自穩平臺上，通過遠程控制小車在導軌上移動，改變兩個測距儀間的距離，以適應多種噸位船只的監測。此系統可以精確測量船體離碼頭的距離，感測船體的姿態，顯示當前的環境條件，為靠泊提供安全保障，在靠泊等領域有具有一定的應用前景。目前該產品未見有報道，且碼頭市場需求量很大，如將該靠泊系統投入到碼頭、港口市場，將會有效減少單只船只靠泊的時間，能使更多船只靠泊，提升碼頭收益。

相比于其他靠泊系統，我們的可移動式激光輔助靠泊系統大大提高了監測船舶距離的準確度以及精度，系統遠距離測量能力強，近距離不出現盲點，全程無縫跟蹤和監測。并且適應性強，可在多種極端環境下工作，可適用與各種大小船只，讓引航人員及時地掌握靠泊信息，使靠泊事故減少，減少碼頭的經濟損失，使靠泊更加安全高效。