基于新航海技術的船舶避碰自動化功能與應用探析

陳栢照 交通運輸部南海救助局

隨著我國航海貿易事業的持續發展，船舶運行安全問題愈發受到人們重視。倘若在海上航行期間出現碰撞、擱淺等情況，輕則因船體受損導致經濟損失，重則對船員人身安全產生威脅。為避免因人員操作不當增大船舶出現碰撞問題的概率，需重視對新航海技術的應用，結合對避碰自動化功能增設來提升船舶航行可靠性、安全性，并為我國航海貿易事業的長久發展提供保障。

1.航海自動化系統簡介

現階段船舶航行控制朝著自動化、智能化的方向持續邁進，得益于自動化控制系統的有效構建與應用，可在有效規避人為操作失誤的同時，進一步提升船舶控制的便捷性與效率性。結合對船舶控制要求的分析，可將航海自動化系統劃分為航向控制、避碰撞系統、最佳航線設計、航行綜合管理等模塊。其中最佳航線設計功能的增設，可實現在運行期間依據實際情況進行最佳航線的設計，對船舶航行線路進行優化，結合其船舶各項技術進行航線的綜合規劃，進而在提升船舶航行效率的同時，可保證航海安全性不受航線的影響[1]。在實際船舶控制過程中，其系統可依據對風向、船位、航程、船速等方面數據的分析來優化航行控制，并依托于自動化系統做到對船舶行駛的動態化監控與管理。同時，得益于自動操舵轉向功能的應用，可通過對實時運行情況的分析，既有船舶定位信息的獲取來確定行駛方向，以最佳行駛路線為基準對船舵進行自動化控制，以避免在航行期間出現航線偏離的情況。對于避碰自動化模塊的設置，可做到對船舶實時航行位置、速度、環境信息的獲取，并依托于系統對擱淺、觸礁、碰撞等問題進行綜合型計算分析，依據其分析結果來擬定相應處理對策[2]。另外，航海自動化系統可支持對各子系統進行排查與監控，并聯動安保系統制定契合航行安全需求的航行方案，以實現對危險問題的有效規避，為船舶營造更為安全、可靠的運行環境。另外，可將航海自動化系統與船舶中央控制中心進行連接，相關操作人員可通過對航海行駛相關信息的獲取為系統決策的優化制定提供參考，進而為船舶的安全行駛、高效操控提供保障。

2.船舶避碰自動化現狀及存在的問題

2.1 避碰自動化應用現狀

得益于科學技術的創新發展，促使船舶駕駛朝著自動化、集成化的方向持續發展，基于對自動化集成駕駛臺的應用，可促進船舶運行管理能力的顯著提升[3]。同時，在航向、航線相關數據錄入的前提下，可在運行階段對水深、子午測試的自動執行，并保證其相關數據的獲取符合標準，通過對所需數據的整合處理，為船舶航行路線的科學制定提供參考[4]。在具體運行過程中，雷達繪圖系統可針對逆行船情況自動開啟，并按照相關指令對逆行船相關參數進行檢測、掃描，結合對航行動態的分析來確定避碰決策，通過對危險區域的提前規避來提升船舶航行安全性。依托于避碰系統中的計算機處理，可基于對相關數據、信息的采集對船舶涉及危險進行概率計算，以及時預警的方式來規避碰撞。若預警發出后駕駛人員并未加以重視，系統會在繼續航行期間發出強烈預警，提高駕駛人員對碰撞風險的規避。通常情況下，避碰系統可連接顯示屏對航行相關參數信息進行直觀化展示，并具備檢索查詢功能，幫助駕駛人員在數據庫中檢索所需信息。以避碰自動化模式的應用為前提，可做到對船舶航線進行自動規劃。但注意，若船舶航行處于密閉水域環境，意味著避碰自動化系統無法做到對所有風險的規避。在此形勢下，駕駛人員在察覺風險因素時需及時人工介入，以降低船舶出現碰撞問題的概率。

2.2 避碰自動化應用問題

得益于通信技術、信息技術、傳感器技術等在我國船舶駕駛領域的應用，促使船舶避碰方面實現創新發展，但在些許因素的影響下，仍存在些許問題影響到避碰自動化功能的應用，具體表現為：以水域有限為前提，仍存在自動避碰決策制定方面的問題，同時船舶對水下物體的檢測精準性、全面性仍有待提升。縱觀以往船舶航行，其中導航雷達作為水下物體檢測的主要手段，但因導航雷達技術的限制，使得船舶避碰系統仍無法保證物體信息的精準檢測[5]。鑒于此，需重視對避碰系統信息檢測的深入研究，在加大成本投入力度的前提下，積極借助先進技術來解決以往導航雷達無法精準檢測的問題，進而為避碰自動化功能的有效應用提供技術支撐[6]。

3.新航海技術在船舶避碰自動化中的應用

3.1 AIS的作用

隨著船舶航行安全性研究的愈發深入，其中陸岸與船舶、船舶與船舶間的信息交換的重要作用逐漸凸顯，而為有效解決以往通信導航存在的局限性問題，AIS技術應勢而生，并為船舶避碰自動化的實現打下良好基礎。在實際應用過程中，AIS技術的優勢體現為信息量大、目標顯示、抗天氣干擾等，作為支撐船舶避碰自動化功能實現的傳感器之一，能夠為其決策的制定提供更多信息，并作為信息源來促進船舶雷達信息的高效獲取[7]。同時，運行期間可借助AIS技術對目標船以短信的方式進行意圖傳輸，并做到對本船相關動態信息進行同步發送，具體涉及到避讓時機、恢復時機、避讓幅度等。所以，通過對AIS系統的合理安設，可幫助船舶進行操船意圖的識別與接收，并以此為基準制定最佳調配方案，以期實現對碰撞情況的有效規避。分析船舶避碰自動化中AIS的具體應用，具體表現為：

（1）A IS關鍵技術。通常情況下，AIS系統構成涉及到通信、信息處理、信號差采集、顯示等模塊。其中通信模塊主要負責對相關船舶信息的高效轉發與接收，以VHF 數字通信模式為主[8]。信息采集模塊的設置，主要是按指令規定進行接收信息的解碼、轉換處理，將采集處理后的信息作為航向調整的主要參考。信息處理模塊涉及到對嵌入式微處理器應用，相關人員可借助處理模塊進行信息發送處理，并以顯示屏為載體進行發送、接收信息的直觀呈現。

（2）避碰系統結構設計。船舶避碰自動化功能的實現受到避碰系統結構設計的直接影響，結合對船舶控制要求的分析，可依托于FPGA與DSP進行避碰系統的優化設計，融合DSP來設計避碰系統，可實現對數據接收、避碰算法的接收，將FPGA融入到避碰系統設計中，可依托于I/O功能對串行口與輸出接口進行有效連接，結合對ADC數據采集緩存的應用，可做到在運行期間進行數據采集的共同完成，以更為簡化的算法進行船舶避碰計算。要想最大化發揮出避碰自動化功能，需在系統結構設計時囊括AIS信息模塊、鍵盤LED模塊、存儲器拓展模塊、A/D模塊、LCD模塊、D/A模塊等[9]。以FPGA與DSP為基礎進行避碰系統設計，可保證在運行階段系統各模塊之間保持穩定、和諧運行狀態。

（3）主要模塊設計。基于對避碰系統的有效設計，可實現對AIS系統進行避碰參數、信號接收等功能設計。系統中采用C5402型號CPU，可支持避碰系統在不同模式下均可保持高效運行狀態。以電平模式為例，若避碰系統在運行期間呈現出高電平狀態，可以微處理形式為基準進行DSP系統處理，以期在使用過程中對AIS數據實時接收與獲取，確保系統運行符合穩定性要求。倘若系統以低電平狀態為基準，可讓DSP系統保持微計算機狀態進行運行，以期在航行階段做到對避碰數據的精準計算，確保避碰功能得以充分體現[10]。

在避碰系統設計中主要模塊包括FPGA接口設計、AIS信息采集、DSP設計等。對于AIS信息采集模塊設計，需在設計期間做到對應用程序流程圖的嚴格遵循，其具體設計流程需包括系統初始化、6位二進制碼、bit分配、數據計算與顯示等。

作為船舶避碰自動化功能實現的重要前提，在船舶航行過程中可以AIS為載體進行相關數據的交換處理，進而為航行線路的熱度分析提供參考，結合對航向規劃、周邊天氣等方面的分析，制定契合實際避碰要求的航行控制對策。相較于傳統避碰模式的應用，基于AIS技術的避碰自動化能夠避免因人員主觀判斷失誤出現影響到船舶安全性，并實現對雷達信息混亂情況的有效解決。另外，考慮到仍有部分船舶尚未做到對AIS系統的有效安裝，在面對船舶碰撞問題時仍以雷達信息采集為主，使得船舶間信息交互無法以AIS系統為載體，進而對決策信息的全面性產生影響。鑒于此，需在設計AIS模塊時考慮到對信息源的動態修正，以期在船舶信息互動期間可將AIS作為載體，進而發揮出船舶避碰功能應有的效用。

3.2 海圖信息數字化的作用

在現階段船舶航行過程中，海圖信息數字化在避碰系統中的有效應用，可促進船舶避碰能力的顯著提升，突破以往避碰系統存在的限制，實現將船舶碰撞事故控制在預期范圍內。同時，在避碰自動化功能實現過程中，海圖信息化技術可發揮以下作用：一是對船舶的相關靜態信息進行全面、快速獲取，二是做到對動態避碰信息與靜態信息的有機融合，通過對避碰系統信息處理能力的提升，為船舶的安全航行提供支撐。另外，在實際使用過程中，海圖信息數字化系統構成包括電子顯示、聲吶探測、信息處理系統等，通過對各子模塊系統的集成來實現對船舶避碰信息采集范圍的拓廣。而要想最大化體現出海圖信息數字化的作用，可依據避碰自動化需求的分析進行ECDIS模塊設置，以此為船舶避碰決策的制定提供基礎，并結合對動態、靜態交互平臺的構建來促進避碰功能充分發揮。

3.3 監測報警

要想發揮出避碰自動化系統的功能與作用，可以局域網現場總線為基礎進行信號采集，結合對監測報警系統的有效建構來達到有效預警的目的。依據對避碰系統運行要求的分析，將工業控制計算機作為管理基礎，以實現對船舶碰撞信息的全面采集與快速響應。在實際運行過程中，控制室大屏幕會直觀顯示測量、掃描參數，其中某個檢測數值倘若出現低于或高于閾值，監測系統自動發出警報，且大屏幕會自主進行測量數值的實時更新。同時，監測預警系統能夠對傳感器運行狀態進行監測，倘若在使用期間出現傳感器故障、異常，系統會發出預警并精準定位故障位置，以幫助維護人員第一時間解決問題。另外，監控系統運行階段大屏幕可做到對整體監控界面的顯示，若管理人員需對巡回測量參數點進行查看，可點擊參數要點測點表格，通過對功能按鍵的打開來彈出對話框。在測量值超出閾值的前提下，監控系統自動形成聲光警報，管理人員在掌握情況后可點擊“靜音”來消除警報，且系統具備船舶測量數據實時存盤的功能。

4.結語

綜上所述，避碰自動化功能的實現與應用，不僅是提升船舶安全、高效行駛的技術支撐，亦是助力我國航海貿易事業有效發展的關鍵基礎。鑒于此，要想在船舶行駛過程中充分發揮避碰自動化功能，需在明確船舶安全管理要求的前提下，立足航海技術創新視角，借助新航海技術來促進避碰系統的革新與升級，以自動化的方式來提升船舶避碰有效性，在促進船舶避碰自動化、智能化發展的同時，為船舶可靠、安全航行提供保障。