智能停泊系統(tǒng)在客滾船上的應(yīng)用

朱靜波，李孟麗，沈 杰，顧敏敏，翁偉達(dá)，張慧亮

（招商局工業(yè)科技（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

傳統(tǒng)的靠離泊過程船舶在靠泊過程中一般采用人工瞭望的方式。由處于駕駛室、舷側(cè)以及碼頭上的瞭望員觀察船舶各個(gè)部位與碼頭之間的距離，再通過無線電設(shè)備保持通信，通知駕駛室人員及時(shí)作出反應(yīng)。由于人所處位置的限制和人眼有限的視角范圍，人工瞭望在船舶靠泊過程中具有很多局限性。駕駛室的視野角度有限，視覺盲區(qū)無法避免，無線通訊只能用來對講，無法傳遞實(shí)時(shí)畫面，因而靠泊過程中容易發(fā)生各類安全事故，風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，人工瞭望牽涉到多個(gè)位置多名人員之間的協(xié)調(diào)，人們對情況的判斷往往不一致，所以靠泊耗費(fèi)的時(shí)間較多，效率低下。

因此提升靠離泊時(shí)的安全，提高靠離泊的效率是航運(yùn)業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。目前的船基靠泊輔助系統(tǒng)有較大發(fā)展[2]。本文以某高端客滾船智能停泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)備組成、設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、安全性的分析，通過天線定位測距等方式來達(dá)到輔助船員停泊。

1 智能停泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1.1 客滾船參數(shù)

本文研究的客滾船船長227.7 m，船寬27.8 m，船速22 kn，車道寬3.5 m，載客1 200人，船員110人，主機(jī)4臺(tái)，艏側(cè)推3臺(tái)，軸帶發(fā)電機(jī)2臺(tái)，發(fā)電機(jī)3臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)的組成

智能停泊系統(tǒng)包括3根天線、3個(gè)信號接收箱、1個(gè)中央處理柜和1套工作站。

1）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navig ation Satellite System,GNSS）天線

第一，表明抄襲作業(yè)的危害。抄襲作業(yè)，有三大壞處∶首先傷害自己，使自己成為不誠實(shí)的人；其次傷害同學(xué)，當(dāng)老師表揚(yáng)抄襲者的時(shí)候，就在班級里造成了不公平競爭的氛圍；最后傷害老師，使得老師能否可以信任學(xué)生。抄作業(yè)使學(xué)生更懶散，成績更差，班級紀(jì)律更糟。抄作業(yè)等于沒有學(xué)習(xí)，也是不誠信的表現(xiàn)。

多頻率天線可接收當(dāng)前所有衛(wèi)星的信號，該天線為跟蹤低仰角衛(wèi)星和提供改善的信號噪音比進(jìn)行了優(yōu)化。由核心系統(tǒng)提供的測量級天線接收器通過所有可用的衛(wèi)星系統(tǒng)來生成合成的位置，可顯示緯度、經(jīng)度、位置質(zhì)量等定位信息。

天線的布置情況見圖1，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮船舶的長度。本文客滾船船長227.7 m，艏部左右舷各安裝1個(gè)天線，舯部安裝1個(gè)天線。該布置方案安裝的天線最少，但探測距離和范圍均能滿足要求。

圖1 天線布置圖

2）接收箱

接收箱包含多頻率天線接收機(jī)、光纖開關(guān)和電源模塊。

3）中央處理柜

中央處理柜是配備船用計(jì)算機(jī)、光纖交換機(jī)和電源的機(jī)柜。

4）工作站

工作站主要包括電腦、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等，負(fù)責(zé)運(yùn)行核心客戶端軟件，顯示導(dǎo)航信息、系統(tǒng)信息和警報(bào)。工作站需要中央處理柜提供電源和輸入，核心軟件根據(jù)船舶航向的變化計(jì)算出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換率，顯示器提供相應(yīng)的高清晰的轉(zhuǎn)向度。

1.3 智能停泊系統(tǒng)功能和原理

智能停泊系統(tǒng)基于姿態(tài)和航向計(jì)算，其使用來自多個(gè)天線接收器的數(shù)據(jù)，并借助一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器來計(jì)算船舶的位置、速度和姿態(tài)。接收器通常位于艏部、艉部，以及左右舷。利用先進(jìn)的天線，可對船舶的位置、方向和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行厘米級精度的測量。

數(shù)據(jù)處理和接口由核心計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理。核心計(jì)算機(jī)的機(jī)柜一般與其他電子設(shè)備一起放置在設(shè)備/儀表間，以簡化布線。安裝在橋樓的核心顯示計(jì)算機(jī)為每個(gè)導(dǎo)航功能設(shè)置有對應(yīng)的視圖，并可通過觸屏進(jìn)行操作。核心顯示計(jì)算機(jī)具有以下功能塊：

1）停泊功能

泊位應(yīng)用程序使用關(guān)于船舶位置、速度和方向的精確信息，結(jié)合已知的碼頭坐標(biāo)，在船舶停泊時(shí)提供重要信息。

智能停泊系統(tǒng)以簡單易懂的圖形視圖提供精確制導(dǎo)信息，主要包括前后距離、速度、加速度、航向和轉(zhuǎn)彎速率。

目標(biāo)距離計(jì)算需要使用數(shù)據(jù)庫和碼頭坐標(biāo)。這些數(shù)據(jù)是預(yù)先調(diào)查過或之前在系統(tǒng)上記錄過的。智能停泊系統(tǒng)不斷積累和更新不同港口和泊位的信息。智能停泊系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇碼頭，并會(huì)在接近碼頭期間顯示距碼頭的距離。

智能輔助停泊系統(tǒng)可配備額外的駕駛室顯示器，也可與橋樓集中導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行集成，以便利用導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)有的屏幕。

智能輔助停泊系統(tǒng)提供的靠泊信息能幫助船長或領(lǐng)航員在受限區(qū)域進(jìn)行操作時(shí)快速做出決定。這使得靠泊作業(yè)更安全、有效、節(jié)省時(shí)間。

為保證安全性，智能停泊系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)內(nèi)置的警報(bào)功能：

（1）碼頭影響報(bào)警

當(dāng)船舶在一定距離內(nèi)的接近速度大于設(shè)定的速度限制時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。

（2）碼頭漂移報(bào)警

智能停泊系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控船只的前后位置，若船只偏離了預(yù)先設(shè)定的限制，則會(huì)啟動(dòng)警報(bào)。

2）運(yùn)動(dòng)傳感器

當(dāng)觀測到GNSS天線位置偏移時(shí)，預(yù)期的位置匹配精度為1 cm。然而，如果船是彎曲或扭曲的，這些誤差將會(huì)更大。運(yùn)動(dòng)應(yīng)用程序使用這些殘余誤差來模擬船舶的彎曲和扭轉(zhuǎn)情況。

1.4 系統(tǒng)的供電和接口

智能停泊系統(tǒng)框架見圖2。230 V的交流不間斷電源向接收箱、中央處理箱和電腦等進(jìn)行供電。

圖2 智能停泊系統(tǒng)框架

智能停泊系統(tǒng)的接口并不是很多，只與以下3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連接：1）導(dǎo)航系統(tǒng)，通過該接口駕駛室可在兩翼臺(tái)導(dǎo)航顯示器顯示停泊系統(tǒng)的界面；2）能效監(jiān)測系統(tǒng)，把相關(guān)參數(shù)反饋到能效監(jiān)測系統(tǒng)以便記錄和調(diào)整；3）局域網(wǎng)系統(tǒng)，通過甚小口徑衛(wèi)星終端站（Very Small Aperture Terminal.VSAT）天線傳輸相關(guān)信號，用于更新信息和軟件。

1.5 未來展望

智能停泊系統(tǒng)未來可從以下4個(gè)方面進(jìn)行提高。

1）可以安裝高清晰的攝像頭，增加360°環(huán)視場景，基于人工智能（Artificial Intelligence, AI）的圖像處理技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)及多傳感源信息融合技術(shù)，可在船上監(jiān)視屏幕上重構(gòu)船舶360°環(huán)視場景，提供直觀的船舶360°的全景俯視視覺效果。系統(tǒng)輸出2D鳥瞰圖、3D環(huán)視圖到顯示屏幕，并根據(jù)用戶習(xí)慣和需要靈活調(diào)整視覺角度，可展現(xiàn)不同視覺角度的全息影像，消除視覺盲區(qū)。

2）增加多維度智能語音預(yù)警功能，通過自主設(shè)定預(yù)警觸發(fā)條件提供多維度同時(shí)跟蹤預(yù)警。當(dāng)多傳感源信息或視覺處理系統(tǒng)捕獲告警閥值時(shí)，除提供系統(tǒng)屏幕告警和信息提醒外，還需要提供語音預(yù)警功能，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級自動(dòng)決定播報(bào)優(yōu)先順序，進(jìn)而提高監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力。

3）實(shí)現(xiàn)將所采集數(shù)據(jù)與船舶靠泊動(dòng)態(tài)過程在手機(jī)/平板電腦上實(shí)時(shí)顯示的功能[3-4]。

4）與船舶艏側(cè)推、推進(jìn)系統(tǒng)、、舵機(jī)形成控制接口，根據(jù)預(yù)設(shè)的碼頭環(huán)境和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靠離碼頭的功能。

2 結(jié)論

本文通過研究智能停泊系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方式，通過3個(gè)天線測量與碼頭的距離，船舶與碼頭的定位顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用導(dǎo)航傳感器和船舶決策支持系統(tǒng)，對船舶周圍情況進(jìn)行感知降低船舶碰撞事故的發(fā)生概率，并提出了更優(yōu)化的方案，可以通過增加360°攝像頭，讓畫面更加清晰和接近實(shí)際情況。

智能停泊系統(tǒng)在船舶的安裝和應(yīng)用是大勢所趨，提升船舶靠離泊效率是未來研究的熱點(diǎn)方向之一。