船舶引航輔助系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

賈 煒，彭國(guó)均，魏武財(cái)，仝 潔

● （1.唐山港引航站，河北唐山 063611；2.集美大學(xué)船舶助航研究所，福建廈門 361021）

船舶引航輔助系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

賈 煒1，彭國(guó)均2，魏武財(cái)2，仝 潔2

● （1.唐山港引航站，河北唐山 063611；2.集美大學(xué)船舶助航研究所，福建廈門 361021）

近年來，進(jìn)出港口的船舶數(shù)量越來越多、尺度越來越大，加上不良天氣的影響，使得引航工作量越來越大。為了實(shí)現(xiàn)在能見度不良的環(huán)境下安全引航，通過分析引航業(yè)務(wù)實(shí)際需求，研究并實(shí)現(xiàn)了船舶引航輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了AIS技術(shù)、差分GPS技術(shù)、WIFI技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，為引航員提供更加詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的靠泊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，輔助引航員更好地控制引航作業(yè)過程，提高工作效率和作業(yè)安全性。

船舶引航；輔助靠泊；AIS技術(shù)；差分GPS技術(shù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代船舶正朝著高速化、大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展，港口作為主要的貿(mào)易運(yùn)輸途徑，其貨物吞吐量不斷增加、生產(chǎn)任務(wù)日趨繁重，港口的地位和作用也越來越重要。船舶引航是船舶與港口生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，保證引航的安全就是保證了港口、船舶航行以及維護(hù)航行秩序安全。所謂船舶引航就是經(jīng)港口國(guó)主管部門認(rèn)可的引航機(jī)構(gòu)及其分支機(jī)構(gòu)派出的引航員登輪引領(lǐng)船舶在特定的區(qū)域范圍內(nèi)航行、靠泊、離泊、移泊的法律和技術(shù)行為[1]。這就需要引航員時(shí)刻掌握周圍船舶、航道及水文氣象信息，從而能夠航行在特定的航線上。目前，已普遍使用的ARPA雷達(dá)、GPS導(dǎo)航定位等助航設(shè)備不能給引航員提供直觀、精確、迅速的定位信息，引航員要靠目視和經(jīng)驗(yàn)來協(xié)助引航，可是目視易受諸多因素的影響，如航道上航標(biāo)亮度和海上能見度等因素，從而影響引航員做出正確的決策[2]；又由于港口貿(mào)易的不斷增長(zhǎng)、船運(yùn)量不斷增多，港口附近航道環(huán)境變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的引航模式已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的要求，這使得引航員面臨更大的壓力。尤其是在各種惡劣天氣的影響下，表現(xiàn)更為突出，嚴(yán)重威脅船舶的安全航行和靠離泊，以及威脅著海上生態(tài)環(huán)境。為了有效地避免這些不利因素對(duì)船舶航行造成的不良影響，實(shí)現(xiàn)船舶安全運(yùn)輸航行，需要開發(fā)研究新技術(shù)、新設(shè)備以幫助引航員高效地進(jìn)行引航。

基于此，本課題研究了船舶引航輔助系統(tǒng)。它是為引航工作專門設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)性裝備，是對(duì)引航輔助手段的一大創(chuàng)新。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了AIS技術(shù)、差分GPS技術(shù)、WIFI技術(shù)，能將港口周圍的航道、航線、水深、岸標(biāo)、航標(biāo)、燈浮等航行信息實(shí)時(shí)地顯示在船載的電子海圖或引航員攜帶的終端顯示上；同時(shí)將周圍配有AIS裝備的船舶的航行信息也清晰地顯示在電子海圖或顯示終端上。該系統(tǒng)為引航員提供更加詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的靠泊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，輔助引航員更好地控制引航作業(yè)過程，提高工作效率和作業(yè)安全性，使引航員從過去純粹憑經(jīng)驗(yàn)靠感覺定勢(shì)引航到利用先進(jìn)設(shè)備數(shù)字定量引航。

1 引航輔助設(shè)備的發(fā)展

自2006年IMO提出E航海戰(zhàn)略以來，船舶導(dǎo)航領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的高科技產(chǎn)品，大型船舶靠泊的輔助設(shè)備也加快了其發(fā)展的速度。目前全世界的靠泊設(shè)備可以分為岸基與船基兩種。岸基輔助靠泊儀通過安置在碼頭前端激光、聲納或雷達(dá)等探頭采集信號(hào)回波，探測(cè)船與碼頭前沿的距離，從而得到各類精確數(shù)據(jù)，在一定程度上對(duì)靠泊船舶起到輔助作用[3]。但是由于它們存在作用距離短、設(shè)備維護(hù)麻煩、受天氣因素影響大、只能提高相對(duì)于碼頭固定點(diǎn)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，使其不能很好的推廣應(yīng)用[3]。

早期的船基靠泊系統(tǒng)主要是根據(jù)多普勒計(jì)程儀測(cè)速原理制成的多普勒聲吶靠泊系統(tǒng)（Doppler sonar docking system），可為船舶提供前進(jìn)、后退和縱向速度，也可以提供船舶靠泊時(shí)船首、船尾的橫移速度和方向，可有效提高船舶靠泊時(shí)的安全性[4]，但是精度較低。當(dāng)前船基靠泊儀多采用DGPS定位獲取信息，國(guó)外有丹麥marinmateck公司的E-Sea Fix CAT 2&3、新西蘭Navicome Dynamics公司生產(chǎn)的Harbor Pilot等。國(guó)外有些DGPS系統(tǒng)[5]可以采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（RTK），可實(shí)現(xiàn)對(duì)船泊定位、轉(zhuǎn)向角、航行速度等參數(shù)的計(jì)算。系統(tǒng)可全程（航道引航+靠泊）使用，具有精度高、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可適用于任何一個(gè)碼頭，不受天氣等不良因素的影響。

我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究較少，本文研究的船舶引航輔助系統(tǒng)是綜合應(yīng)用了AIS、DGPS、WIFI等先進(jìn)技術(shù)，能將引航工作所需要的各種信息準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地顯示在電子海圖上，有效地幫助引航員引航，提高了引航工作的效率和安全。

2 系統(tǒng)組成

船舶引航輔助系統(tǒng)的組成包括AIS接收機(jī)、VHF接收機(jī)、DGPS接收機(jī)、Wifi發(fā)射機(jī)、系統(tǒng)電源模塊、ARM9處理器模塊和各子系統(tǒng)的接口模塊，如圖1所示。

圖1 船舶引航輔助系統(tǒng)的組成

2.1 AIS接收機(jī)模塊

2.1.1 AIS技術(shù)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic identification System AIS)是采用自控時(shí)分多址聯(lián)接技術(shù)的助航設(shè)備，AIS在VHF頻段上自動(dòng)連續(xù)發(fā)送本船動(dòng)態(tài)信息、靜態(tài)信息、航次信息及安全短信息。同時(shí)也自動(dòng)接收周圍船舶發(fā)出的這些信息，并與岸基臺(tái)站進(jìn)行信息交換[6]。AIS的主要功能是將船舶的標(biāo)識(shí)信息、位置信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和航行狀態(tài)等與船舶航行安全有關(guān)的重要數(shù)據(jù)，通過VHF數(shù)據(jù)鏈路，傳輸給周圍的船舶，同時(shí)也自動(dòng)接收周圍船舶發(fā)來的這些信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本海區(qū)船舶的識(shí)別和監(jiān)視[6]。國(guó)際海事組織（IMO）規(guī)定，國(guó)際航線的 300GT以上的船舶和航行于國(guó)內(nèi)航線的500GT以上的船舶，從2002年7月1日到2008年7月1日止分階段安裝AIS設(shè)備。中國(guó)海事局2005年10月14日頒布通知規(guī)定“沿海航行的所有客船、500GT及以上的油船、危險(xiǎn)化學(xué)品船、集裝箱船必須于2006年4月30日前配備船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[7]?！庇梢陨弦?guī)定可看出，目前沿海與內(nèi)河航行的大多數(shù)船舶都已配備了 AIS設(shè)備，為船舶引航輔助系統(tǒng)的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。

2.1.2 AIS接收機(jī)

AIS接收機(jī)的輸入信號(hào)是來自VHF接收機(jī)，輸出的是AIS的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，符合IEC61162標(biāo)準(zhǔn)。其主要作用是接收船舶周圍的他船動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息，并進(jìn)行信息處理和顯示。船舶引航系統(tǒng)充分的應(yīng)用AIS信息，在顯示終端電子海圖上顯示所有AIS信息，使引航員直觀的獲得他船信息。AIS的物理層要求的數(shù)據(jù)調(diào)制方式是 GMSK。GMSK(Gaussian filtered MSK)是高斯最小頻移鍵控的簡(jiǎn)稱，是在 MSK調(diào)制信號(hào)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其中，HDLC數(shù)據(jù)解包分為去起始位、終止位、訓(xùn)練碼，然后再去零，字節(jié)取反，CRC校驗(yàn)等后輸出AIS標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[8-9]，如圖2所示。

圖2 AIS接收機(jī)模塊

2.2 VHF接收模塊

VHF接收機(jī)一般由VHF天線、中頻帶通濾波器、低噪聲放大器、寬帶放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒆詣?dòng)增益控制單元、FM正交解調(diào)器、本征頻率合成器等幾個(gè)部分組成。根據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)該接收機(jī)的基本要求是，在25 kHz信道20% PER時(shí)的接收靈敏度為-107dBm；接收頻率范圍在156.025MHz～162.025MHz之間；鄰信道選擇性優(yōu)于70.0dB；對(duì)接收的VHF信號(hào)能夠進(jìn)行FM正交解調(diào)，并輸出I、Q兩路正交信號(hào)給AIS主處理器以進(jìn)行GMSK解調(diào)及信息解碼等后續(xù)處理，如圖3所示。

圖3 VHF接收模塊

2.3 DGPS接收機(jī)

2.3.1 DGPS技術(shù)

DGPS即差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，簡(jiǎn)稱DGPS），是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從 GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。GPS差分定位的方式通常有偽距差分和相位差分等方式[10]。目前我過主要港口引航定位都采用偽距差分定位的方式。偽距差分原理是由固定位置的基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出它至衛(wèi)星的距離，將計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較，利用 濾波器將此差值濾波并求出其偏差，同時(shí)將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給附近用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來改正測(cè)量的偽距，通過偽距的解算消除公眾誤差，提高定位精度[11]。我國(guó)海事局在我國(guó)沿海設(shè)置了13個(gè)偽距差分信號(hào)標(biāo)臺(tái)，發(fā)布偽距差分信號(hào)，供沿海船舶GPS差分定位。港口船舶導(dǎo)航系統(tǒng)通過DGPS高精度定位獲得定位精度在10米以內(nèi)的定位信息，滿足港口引航對(duì)定位高精度的要求。實(shí)現(xiàn)安全定位導(dǎo)航。

2.3.2 DGPS接收機(jī)

從DGPS天線上接收到的MSK調(diào)制波經(jīng)射頻前端放大和濾波后，輸出到A/D變換器。在DSP控制下，射頻信號(hào)被采樣，采樣數(shù)據(jù)被送到DSP，進(jìn)行下變頻、濾波、解調(diào)、解碼等數(shù)字信號(hào)處理，輸出RTCMSC-104格式串行數(shù)字信號(hào)和顯示控制信號(hào)。EPROM用于存儲(chǔ)DSP的主程序。

2.4 Wifi發(fā)射機(jī)

2.4.1 Wifi技術(shù)

WIFI全稱Wireless Fidelity，實(shí)際上是一種商業(yè)認(rèn)證，具有Wi-Fi認(rèn)證的產(chǎn)品符合IEEE802.11a/b/g/n無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，它是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，一般工作在2.4GHz頻段[12]。目前最新標(biāo)準(zhǔn)是 2009年得到批準(zhǔn)的Ieee802.11n。802.11n可以將 WLAN的傳輸速率由54Mbps，提高到 300Mbps，甚至高達(dá) 600Mbps，信號(hào)的覆蓋范圍也擴(kuò)大到好幾平方公里。

2.4.2 Wifi發(fā)射機(jī)

采用單獨(dú)大功率發(fā)送，接收放大電路設(shè)計(jì)，使信號(hào)雙工增強(qiáng) wifi模塊，發(fā)送單獨(dú)大功率芯片以及接收放大電路。支持軟件 AP模式與station兩種模式；支持GPIO控制開/關(guān)WiFi模塊功能；數(shù)據(jù)通信時(shí)支持LED閃爍指示控制；支持兩種工作模式：Infrastructure Mode和Ad Hoc Mode。

2.5 ARM9模塊

本系統(tǒng)硬件部分的CPU采用了三星公司的S3C2440，其它部分包括擴(kuò)展 Flash、SDRAM、串口、以太網(wǎng)口、USB接口以及相關(guān)的接口電路，如圖4所示。

圖4 ARM9模塊

2.6 系統(tǒng)電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)給ARM9系統(tǒng)、DGPS接收機(jī)、AIS接收機(jī)、wifi模塊等供電，實(shí)現(xiàn)供電時(shí)間不低于24小時(shí)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了AIS技術(shù)、DGPS技術(shù)、WIFI技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，用于引導(dǎo)大型船舶安全靠離泊，避免沖撞碼頭，從而造成碼頭和船舶的損壞。

3.1 地圖操作

該系統(tǒng)提供了地圖放大、縮小、平移、還原等基礎(chǔ)操作，還提供中心顯示、范圍顯示等位置定位功能。

3.2 船舶、影像顯示

該系統(tǒng)還支持對(duì)船舶的矢量線、軌跡、船名、呼號(hào)、MMSI號(hào)等標(biāo)注提供顯示隱藏控制。根據(jù)船舶類型，系統(tǒng)通過不同顏色來繪制不同類型的船舶，使用戶能夠直觀地察看各種類型船舶的分布情況和航行動(dòng)態(tài)。船舶類型主要分為在引船、拖輪、輪渡、引航艇等。

該系統(tǒng)支持以影像作為背景圖和電子海圖兩種模式顯示。以遙感影像作為背景圖時(shí)，可以選擇疊加航道、航標(biāo)、泊位、錨地、水深點(diǎn)等助航要素信息，形成一套虛擬的、更加直觀的“電子海圖”，從而為引航員和調(diào)度管理人員提供引航調(diào)度的輔助支持[13]。

3.3 作業(yè)模式切換

該系統(tǒng)支持在實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)引航、歷史導(dǎo)航三種作業(yè)模式之間自由切換。1）缺省情況下是處在實(shí)時(shí)引航作業(yè)模式。實(shí)時(shí)引航狀態(tài)下，本船將疊加顯示羅經(jīng)圈，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算鼠標(biāo)位置與本船位置之間的距離，方便引航員作業(yè)時(shí)的航行指揮。另外，為適應(yīng)引航員的操作習(xí)慣，系統(tǒng)還提供了自由顯示、中心顯示、偏心顯示等三種顯示模式，以控制本船在窗口中的顯示位置，以方便引航員進(jìn)行觀察和引航作業(yè)參考；2）在實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)模式下，系統(tǒng)通過連接中心數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，及時(shí)獲取海上船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)每艘船不同的資料數(shù)據(jù)，顯示出不同的顏色、形狀、大小、矢量線、軌跡線等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)近海域所有船舶進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行任意自由的操作。在實(shí)時(shí)引航作業(yè)模式下，系統(tǒng)一方面可以通過中心數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)獲取船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面還可以通過藍(lán)牙連接外置DGPS設(shè)備或船載AIS Pilot-Plug設(shè)備來獲取船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，選擇需要引航的船舶作為本船。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)反映本船的位置、航速、航向等信息；3）在歷史導(dǎo)航作業(yè)模式下，系統(tǒng)可以選擇歷史某一引航記錄數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行回放模擬，可暫停、繼續(xù)及切換模擬速率，以供引航員、管理人員等進(jìn)行事后查看、學(xué)習(xí)、分析。

3.4 查詢信息功能

引航員或引航調(diào)度員可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需要查詢被引船舶信息、定位信息、調(diào)度計(jì)劃、泊位信息、潮汐信息等。

3.5 靠泊設(shè)置與模式切換

能夠針對(duì)大型船舶進(jìn)行靠泊參數(shù)設(shè)置，如船長(zhǎng)、船寬、靠泊設(shè)備位置、進(jìn)入靠泊模式的條件等信息。該系統(tǒng)能夠根據(jù)靠泊模式條件自動(dòng)進(jìn)行靠泊模式和引航模式的切換，比如設(shè)定船舶離碼頭距離小于10個(gè)船寬，則在船舶離碼頭距離小于10個(gè)船寬時(shí)自動(dòng)進(jìn)入靠泊模式，系統(tǒng)將以特殊的窗口來精確顯示靠泊過程中本船的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和水域環(huán)境信息。

3.6 靠泊報(bào)警

該系統(tǒng)能夠根據(jù)探測(cè)設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向、流速流向等環(huán)境數(shù)據(jù)，如果周圍的環(huán)境惡劣不適于船舶靠泊，可啟動(dòng)安全警報(bào)。當(dāng)船舶靠泊速度過快或角度過大會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作員注意，防止損壞碼頭（船舶）設(shè)施的意外事故發(fā)生。

4 應(yīng)用實(shí)例

船舶引航輔助系統(tǒng)的研發(fā)主要是為港口引航站的引航工作服務(wù)，向引航員提供周圍船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并將航道、航標(biāo)、水深、錨地、泊位等重要航行環(huán)境數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)地顯示在電子海圖或引航員的終端顯示上，以更好地幫助引航員引航。

以唐山港為例，唐山港是一個(gè)新興的、年輕的、充滿活力的港口，也是一個(gè)快速成長(zhǎng)的港口。進(jìn)港船舶的尺度、噸位都不斷增長(zhǎng)，這對(duì)引航技術(shù)和引航安全提出了新的考驗(yàn)，引航工作量越來越繁重、越來越復(fù)雜。為了解決這一現(xiàn)實(shí)問題，更好地控制引航作業(yè)過程，提高引航作業(yè)安全性，唐山港投入并使用了船舶引航輔助系統(tǒng)這一高科技設(shè)備。當(dāng)有大型船舶靠泊時(shí)，通過靠泊儀顯示終端可以將被引船舶航向、船首、船尾的速度等信息清晰、直觀地顯示出來，以輔助引航員做出準(zhǔn)確、合理的判斷。

5 結(jié)束語

船舶引航航輔助系統(tǒng)充分應(yīng)用了目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的AIS技術(shù)、DGPS技術(shù)、WIFI技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，考慮了船舶引航的實(shí)際需要，將引航工作所需要的港口航道、航線、水深、浮燈、航標(biāo)、錨地、泊位等相關(guān)數(shù)據(jù)信息在電子海圖或顯示終端上清晰、直觀地綜合顯示。本系統(tǒng)是一套經(jīng)濟(jì)、適用、便攜的船舶引航輔助系統(tǒng)，為引航員提供高效安全的引航技術(shù)保障。通過在唐山港口的使用實(shí)踐表明，輔助引航系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，功能強(qiáng)大，比較適合引航工作的需要，為引航員提供更加詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的靠泊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，輔助引航員更好地控制引航作業(yè)過程，提高工作效率和作業(yè)安全性，使引航員從過去純粹憑經(jīng)驗(yàn)靠感覺定勢(shì)引航到利用先進(jìn)設(shè)備數(shù)字定量引航，且應(yīng)用前景廣闊。

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Research and Implementation of Ancillary System of the Ship Pilot

JIA Wei1, PENG Guo-jun2, WEI Wu-cai2, TONG Jie2
(1. TangShan port pilot station, Tangshan 063611, China; 2. Ship Navigation-Aids Technique Institute of JiMei University, Xiamen 361021, China)

In recent years, the number of vessels which enter and leave port is increasing, and the scale of ships is getting bigger and bigger. The pilot workload is thus increased, especially when the weather is not good. In order to achieve safety pilot in poor visibility environment, the pilot ancillary system is researched and implemented by analyzing the actual pilot business needs. Combined with AIS, DGPS and WIFI technology, this system could provide high-precision dynamic information of the berthing process. The security and efficiency of large vessel’s berthing process are effectively improved.

pilot; auxiliary berthing; AIS technology; DGPS technology

U666

A

賈煒（1977-），男，中級(jí)職稱。研究方向：引航技能與技術(shù)。