雷達(dá)和GIS系統(tǒng)在內(nèi)河船舶防碰撞中的應(yīng)用研究

王端偉 安徽省淮河船舶檢驗(yàn)局

船舶內(nèi)河航行運(yùn)輸基于自身環(huán)保性、先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)成為國(guó)內(nèi)河流水域中的主要交通運(yùn)輸方式[1]。隨著國(guó)內(nèi)船舶制造技術(shù)的不斷發(fā)展、船舶內(nèi)河航行運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，內(nèi)河船舶的總數(shù)量也越來(lái)越多，內(nèi)河水域之上船舶的密集度也越來(lái)越高。除此之外，國(guó)內(nèi)河流水域的自然環(huán)境以及交通航行狀況也更具有復(fù)雜性和多變性，致使船舶與其它船舶、橋梁或是航行障礙物等發(fā)生碰撞事故的可能性不斷上升[2]。基于雷達(dá)和GIS系統(tǒng)構(gòu)造并建立起完善的內(nèi)河船舶防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，為內(nèi)河船舶避免碰撞的決策工作提供具有科學(xué)性、精準(zhǔn)性和可靠性的數(shù)據(jù)參考，促進(jìn)船舶的制造與發(fā)展更加自動(dòng)化、智能化，顯著推動(dòng)內(nèi)河船舶航行運(yùn)輸全過(guò)程安全性能的提高，有效提升國(guó)內(nèi)河流水域交通運(yùn)輸管理方面的能力和質(zhì)量。

1.雷達(dá)和GIS系統(tǒng)的概述

1.1 雷達(dá)的發(fā)展以及工作原理

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

雷達(dá)作為極其常見(jiàn)的助航設(shè)備之一，它主要的作用是支持船舶相互之間以及船舶和岸上統(tǒng)籌管理部門(mén)相互之間的信息傳遞和資源交互。雷達(dá)系統(tǒng)可以進(jìn)行自主性考察和探測(cè)、對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行軌跡跟蹤，還可以依照回波觀察和分析出目標(biāo)物體的具體大小以及形狀[3]。能夠精準(zhǔn)獲取河流水域范圍內(nèi)所有運(yùn)動(dòng)、靜止或是固定的障礙物以及周?chē)h(huán)境相關(guān)信息等的圖像。將雷達(dá)應(yīng)用在內(nèi)河船舶防碰撞當(dāng)中，保障了船舶行駛的安全系數(shù)，提高了河流水域范圍內(nèi)通航的效率和經(jīng)濟(jì)效益[4]。隨著科學(xué)領(lǐng)域技術(shù)多樣化的創(chuàng)新發(fā)展和進(jìn)步，雷達(dá)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)用操作技術(shù)都在不斷地革新，雷達(dá)整體的性能也更加良好，在海、陸、空三種交通類(lèi)別當(dāng)中也得到了更為廣泛的應(yīng)用。雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）雷達(dá)測(cè)量距離的基礎(chǔ)原理。雷達(dá)測(cè)量距離主要是利用電磁波，借助雷達(dá)將電磁波發(fā)出，記錄雷達(dá)發(fā)射電磁波的具體時(shí)刻信息以及雷達(dá)接收碰撞到障礙物后電磁波返回的具體時(shí)刻信息，通過(guò)計(jì)算得到船舶當(dāng)前距離障礙物所在位置的實(shí)際間距[5]。計(jì)算公式如下：發(fā)出時(shí)刻為t1,接收時(shí)刻為t2，光波速度為C，具體間距為R。

（2）雷達(dá)測(cè)量方位的基礎(chǔ)原理。雷達(dá)在對(duì)障礙物具體方位進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候主要是借助于雷達(dá)天線，通過(guò)雷達(dá)天線的主波束對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探察和測(cè)量，如若能夠精準(zhǔn)定位就能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物體，如若出現(xiàn)定位偏離就不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物體。再者，顯示器掃描線與雷達(dá)天線時(shí)刻保持著同步旋轉(zhuǎn)，直接查看顯示器掃描線的方位即可[6]。

（3）雷達(dá)測(cè)量速度的基礎(chǔ)原理。雷達(dá)測(cè)量速度主要是依據(jù)船舶與障礙物之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)頻率計(jì)算出目標(biāo)障礙物相對(duì)于船舶自身的運(yùn)動(dòng)速度。計(jì)算公式如下：發(fā)射出的頻率為f1，接收到回波頻率為f2，載波波長(zhǎng)為λ，目標(biāo)障礙物相對(duì)于船舶自身的運(yùn)動(dòng)速度為v。

1.2 GIS系統(tǒng)的發(fā)展以及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是綜合性能極強(qiáng)的系統(tǒng)，廣泛涵蓋了地理學(xué)、地圖學(xué)、遠(yuǎn)距離探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)等基礎(chǔ)理論和先進(jìn)技術(shù)[7]。當(dāng)前GIS系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用主要可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是基于GIS系統(tǒng)和技術(shù)對(duì)平臺(tái)存儲(chǔ)的海量用戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析，另一類(lèi)是基于GIS系統(tǒng)和技術(shù)構(gòu)建并開(kāi)發(fā)出可以為平臺(tái)用戶群體提供專(zhuān)屬GIS應(yīng)用軟件。隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及科技等領(lǐng)域更加深層次的融合與發(fā)展，當(dāng)前GIS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域也有了更多的融合與應(yīng)用，例如：交通運(yùn)輸領(lǐng)域、國(guó)家軍事領(lǐng)域、社會(huì)公安治理領(lǐng)域、國(guó)土安全維護(hù)管理領(lǐng)域等等，GIS系統(tǒng)當(dāng)中地理數(shù)據(jù)信息的錄入、存儲(chǔ)、查詢、解析以及顯示等眾多極具實(shí)用性的應(yīng)用功能為各個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展都有著顯著促進(jìn)作用[8]。

2.內(nèi)河船舶碰撞概述分析

針對(duì)內(nèi)河船舶之間發(fā)生碰撞事故的可能性可以通過(guò)碰撞危險(xiǎn)度（Collision Risk Index，CRI）數(shù)值的大小來(lái)衡量碰撞事故發(fā)生可能性的大小[9]。碰撞危險(xiǎn)度的取值范圍在0-1之間：如若碰撞危險(xiǎn)度為0，則代表船舶相互之間不存在發(fā)生碰撞事故的可能性；如若碰撞危險(xiǎn)度為1，則代表船舶相互之間無(wú)法通過(guò)避免碰撞策略阻止碰撞事故的發(fā)生。

圖2 船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)組成

造成內(nèi)河船舶之間發(fā)生碰撞事故，造成內(nèi)河船舶碰撞危險(xiǎn)度數(shù)值上升的因素有很多。內(nèi)河船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)組成如圖2所示[10]。依照船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，對(duì)內(nèi)河船舶相互之間發(fā)生碰撞事故的主要因素進(jìn)行分析。

從船舶駕駛?cè)藛T層面進(jìn)行分析。首先是船舶駕駛?cè)藛T的感知能力缺失，基于船舶駕駛?cè)后w之間的差異性，部分船舶駕駛?cè)藛T在船舶內(nèi)部和外部管理的通信過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)于先進(jìn)的設(shè)備無(wú)法做到充分利用等等。同時(shí)還存在部分船舶駕駛?cè)藛T工作態(tài)度不端正或是航行運(yùn)輸實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累較少[11]。其次是船舶駕駛?cè)藛T的決策能力較弱，無(wú)法將船舶實(shí)際狀況以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息相互結(jié)合進(jìn)行綜合全面的分析。從船舶自身層面進(jìn)行分析。由于船舶自身噸位、尺寸大小、實(shí)際操作性能以及內(nèi)河船舶實(shí)際航行速度等因素都會(huì)在不同程度上提高船舶在河流水域范圍內(nèi)與其它船舶之間發(fā)生碰撞事故的可能性[12]。從內(nèi)河船舶交通航行環(huán)境層面進(jìn)行分析。環(huán)境層面主要分為兩類(lèi)環(huán)境：首先是河流水域范圍內(nèi)的自然環(huán)境，自然環(huán)境的優(yōu)劣狀況會(huì)直接影響內(nèi)河船舶航行運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù)，如若出現(xiàn)能見(jiàn)度較低、太陽(yáng)光照較強(qiáng)等不良?xì)庀缶蜁?huì)直接影響船舶駕駛?cè)藛T的航行視線，從而導(dǎo)致船舶操縱出現(xiàn)偏離既定航線風(fēng)險(xiǎn)的升高，進(jìn)而增大船舶相互之間發(fā)生碰撞事故的可能性；其次是河流水域范圍內(nèi)航行運(yùn)輸?shù)慕煌ōh(huán)境，隨著內(nèi)河船舶航行運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展與擴(kuò)張，當(dāng)前河流水域范圍內(nèi)的航行運(yùn)輸環(huán)境更加復(fù)雜多變[13]。船舶依照避碰策略進(jìn)行緊急避讓的過(guò)程當(dāng)中，船舶駕駛?cè)藛T還需要對(duì)實(shí)際的河流水域交通形態(tài)和趨勢(shì)進(jìn)行分析，系統(tǒng)全面的考慮內(nèi)河航道當(dāng)下的實(shí)際航行運(yùn)輸環(huán)境。

3.雷達(dá)和GIS系統(tǒng)的應(yīng)用

將雷達(dá)和GIS系統(tǒng)應(yīng)用在內(nèi)河船舶防碰撞統(tǒng)籌與管理當(dāng)中，選取合適研究的雷達(dá)設(shè)備，獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，選取性能較高的GIS系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)全面的處理和分析，為內(nèi)河船舶防碰撞策略的制定提供更具科學(xué)性和精準(zhǔn)性的數(shù)據(jù)保障和支撐。

3.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息的解讀和分析

在進(jìn)行雷達(dá)設(shè)備篩查和選擇的過(guò)程中，要選取符合國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）以及國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEO）既定標(biāo)準(zhǔn)的，還要選取微小目標(biāo)物體勘察和探測(cè)性能較高，可以在惡劣航行運(yùn)輸環(huán)境當(dāng)中保持較高實(shí)用性能的雷達(dá)設(shè)備。依照雷達(dá)數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)信息格式進(jìn)行解讀和分析。具體雷達(dá)數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)格式如表1所示。通過(guò)表格數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，計(jì)算出船舶和目標(biāo)物體之間的實(shí)際間距、方位角度以及相對(duì)速度。

表1 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)格式

圖3 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息判定和過(guò)濾的具體流程

3.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息的處理和顯示

具體操縱過(guò)程當(dāng)中，雷達(dá)設(shè)備實(shí)際的掃描周期通常較短，就會(huì)出現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)雷達(dá)設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)冗余現(xiàn)象，因此就需要對(duì)部分雷達(dá)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，保留具有實(shí)用價(jià)值的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息。在完成雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息解讀和分析之后，結(jié)合GIS系統(tǒng)的顯示應(yīng)用功能，將實(shí)際的目標(biāo)物體的具體位置信息顯示在地圖畫(huà)面當(dāng)中，讓雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息更好的應(yīng)用在內(nèi)河船舶防碰撞統(tǒng)籌管理工作實(shí)踐過(guò)程當(dāng)中[14]。隨后再通過(guò)GIS系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過(guò)濾操作，用GIS系統(tǒng)算法對(duì)剩余雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度處理，最終保留最具實(shí)用性的目標(biāo)點(diǎn)，并通過(guò)GIS系統(tǒng)著重標(biāo)注顯示。

3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)信息的判定和過(guò)濾

將雷達(dá)設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)信息通過(guò)GIS系統(tǒng)呈現(xiàn)出來(lái)之后，對(duì)海量的障礙物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判定和過(guò)濾。進(jìn)行雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息過(guò)濾的主要思路就是將海量雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)信息當(dāng)中與河道類(lèi)似的靜態(tài)障礙物進(jìn)行過(guò)濾、將與船舶處于同一緯度的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過(guò)濾、對(duì)GIS系統(tǒng)地圖中不存在的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過(guò)濾。雷達(dá)數(shù)據(jù)信息判定和過(guò)濾的具體流程如圖3所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文首先對(duì)雷達(dá)和GIS系統(tǒng)進(jìn)行了全面細(xì)致地了解與分析，能夠明確將雷達(dá)和GIS系統(tǒng)融合并應(yīng)用到內(nèi)河船舶管理與船舶防碰撞的預(yù)警當(dāng)中有著鮮明的優(yōu)勢(shì)。其次對(duì)內(nèi)河船舶碰撞事故的重要概念以及眾多因素等進(jìn)行詳細(xì)的分析和明確。最后深入探索和研究雷達(dá)和GIS系統(tǒng)在內(nèi)河船舶防碰撞中的實(shí)際應(yīng)用途徑。通過(guò)系統(tǒng)全面的研究可以明確將雷達(dá)和GIS系統(tǒng)融合應(yīng)用到內(nèi)河船舶防碰撞當(dāng)中，可以有效降低船舶在高密集度內(nèi)河水域之內(nèi)船舶碰撞交通事故的發(fā)生頻率，最大程度保障了船舶駕駛?cè)后w的生命健康和安全。