基于船載的智能船舶集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范新剛 管日升

摘要

近年來，智能船舶領(lǐng)域的興起以及智能船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，使船舶智能化、無人化成為全球航運(yùn)的大勢(shì)所趨。文中具體介紹了智能船舶技術(shù)中基于船載的智能船舶集成系統(tǒng)的主要功能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程等，智能船舶集成系統(tǒng)根據(jù)船平臺(tái)各類傳感器和岸基指揮中心提供的信息，判別智能船舶航行狀態(tài)，實(shí)時(shí)完成信息處理，為智能船舶自主航行提供決策和控制信息，指揮智能船舶安全航行。

【關(guān)鍵詞】智能船舶 船載 集成系統(tǒng)

1 引言

目前，世界上80%以上的貿(mào)易通過航運(yùn)完成;有超過50000艘商船從事國際貿(mào)易，維護(hù)著全球物資運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定，近年來，“智能化”的制造模式和產(chǎn)品向各個(gè)領(lǐng)域延伸。作為傳統(tǒng)行業(yè)，船舶工業(yè)和航運(yùn)業(yè)都在經(jīng)歷智能化的沖擊。

智能船舶領(lǐng)域的興起以及智能船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，使船舶智能化、無人化成為全球航運(yùn)的大勢(shì)所趨，有關(guān)智能船舶的定義，目前尚無定論。一種較為普遍的說法是，所謂智能船舶的概念，即是以“大數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，運(yùn)用先進(jìn)的信息化技術(shù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和匯集、大計(jì)算容量、數(shù)字建模能力、遠(yuǎn)程控制、傳感器等，實(shí)現(xiàn)船舶智能化的感知、判斷分析，以及決策和控制，從而更好地保證船舶的航行安全和效率以及經(jīng)濟(jì)性。

2 智能船舶集成技術(shù)

2.1 智能船舶集成技術(shù)原理

智能船舶集成系統(tǒng)接收本船避碰聲納、測深聲納、光電傳感器、導(dǎo)航雷達(dá)、AIS系統(tǒng)、GPS/北斗等傳感器發(fā)送的航行數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，接入本船的航行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)、船舶狀態(tài)檢測系統(tǒng)、甲板設(shè)備控制系統(tǒng)和智能機(jī)艙系統(tǒng)，以及接入岸基中心外部信息，智能船舶集成系統(tǒng)通過自動(dòng)感知和獲得船舶自身位置、航速、航向等船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)，水深、港口設(shè)施、危險(xiǎn)區(qū)等靜態(tài)環(huán)境信息，它船位置、航速、航向等目標(biāo)參數(shù)以及風(fēng)、波、浪、涌、潮、氣象等海洋環(huán)境信息和數(shù)據(jù)，結(jié)合智能化電子海圖，并依據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，為智能船舶航運(yùn)實(shí)時(shí)提供決策和控制信息，以使船舶更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠。

2.2 功能研究

智能船舶集成系統(tǒng)主要根據(jù)船平臺(tái)各類傳感器和岸基指揮中心提供的信息，判別智能船舶航行狀態(tài)，實(shí)時(shí)完成信息處理，為智能船舶自主航行提供決策和控制信息，其主要功能如下。

2.2.1 信息接收與上傳功能

（1）接收本平臺(tái)各傳感器（雷達(dá)、光電、聲納、導(dǎo)航等）發(fā)送的航行數(shù)據(jù)和設(shè)備信息;

（2）接收岸基指揮中心傳送的外部信息（包括海洋環(huán)境、目標(biāo)參數(shù)、航行管理信息等）;

（3）向岸基指揮中心上報(bào)本平臺(tái)信息。

2.2.2 情報(bào)綜合處理功能

（1）對(duì)來自本平臺(tái)雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航等傳感器信息以及岸基指揮中心傳送的信息進(jìn)行綜合處理和全景態(tài)勢(shì)顯示;

（2）對(duì)來自本平臺(tái)各類設(shè)備工作狀態(tài)信息進(jìn)行綜合處理，識(shí)別設(shè)備狀態(tài)。

2.2.3 航行輔助決策功能

（1）根據(jù)岸基指揮中心的指令，在電子海圖背景下自動(dòng)規(guī)劃航行路線;

（2）對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素進(jìn)行自動(dòng)解算，提供目標(biāo)機(jī)動(dòng)判斷，為安全避碰、船舶機(jī)動(dòng)優(yōu)化提供依據(jù);

（3）根據(jù)設(shè)備工作信息，判斷本平臺(tái)設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)船舶及系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)作預(yù)測和實(shí)時(shí)優(yōu)化決策，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)給出報(bào)警，并按照預(yù)案自動(dòng)或人工控制，采取措施保障航行。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能

實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)航行和設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并可回放和驅(qū)動(dòng)打印。

2.2.5 冗余備份功能

系統(tǒng)具有雙冗余熱備份功能。當(dāng)任一顯示控制臺(tái)（或網(wǎng)絡(luò)）故障時(shí)，系統(tǒng)可功能重組，確保系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，完成原系統(tǒng)全部功能。

2.2.6 模擬演練功能

借助數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，模擬生成系統(tǒng)演練、檢測工作狀態(tài)必需的傳感器和設(shè)備信息，模擬生成船舶航行工作流程，在特定的海洋環(huán)境條件下，進(jìn)行船舶航行模擬演練。

2.2.7 故障自檢功能

系統(tǒng)具有診斷和定位設(shè)備故障功能，故障定位到板級(jí)電子模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則

智能船舶集成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則，遵守軟件工程規(guī)范，實(shí)施版本控制，使軟件系統(tǒng)易于維護(hù)、升級(jí)、擴(kuò)展。著重考慮系統(tǒng)性能效率 （特別是大容量船舶目標(biāo)的更新顯示效率）和穩(wěn)定可靠性。該系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)思想，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的思路，在分析整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出基礎(chǔ)上，以提高系統(tǒng)的開放性、可伸縮性和通用性。

軟件體系結(jié)構(gòu)：三層模型設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)層、處理層、功能組件層。數(shù)據(jù)層為多源傳感器數(shù)據(jù)的輸入輸出等;處理層主要實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合處理等;功能組件層由各種組件和控件組成。

軟件設(shè)計(jì)流程：定義數(shù)據(jù)模型及輸出結(jié)果的類型;數(shù)據(jù)層與處理層的代碼實(shí)現(xiàn);功能組件層接口定義;功能組件層代碼實(shí)現(xiàn)及單元模塊測試;系統(tǒng)測試等。

3 智能船舶集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能船舶集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括人工智能深度學(xué)習(xí)服務(wù)集群、智能大型數(shù)據(jù)庫服務(wù)集群、智能機(jī)艙服務(wù)器、綜合導(dǎo)航服務(wù)器、智能航行數(shù)據(jù)服務(wù)器、船舶狀態(tài)服務(wù)器、甲板設(shè)備控制服務(wù)器和服務(wù)器通訊設(shè)備等，智能船舶集成系統(tǒng)在智能船舶體系結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)思路見圖1所示。

3.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

智能船舶集成系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)見圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

智能船舶集成系統(tǒng)采用了多種通信路由，包括海洋通訊衛(wèi)星、無線3G/4G網(wǎng)絡(luò)等作為數(shù)據(jù)傳輸方式，通過與岸基控制中心的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能船舶的智能控制，提高智能航運(yùn)船舶的航行安全性，減少水上交通事故，保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

基于3G/4G的船載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由3G/4G網(wǎng)絡(luò)和Internet組成，通過3G/4G模塊連接到Internet，通過Socket套接字編程接收船載終端發(fā)送到Internet的數(shù)據(jù)信息;本系統(tǒng)集成了3G/4G通信模塊，具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，可以接收來自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息。

3.3 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

智能船舶集成系統(tǒng)自動(dòng)獲取雷達(dá)光電、聲納、AIS等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，但是由于多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合時(shí)間不同步、數(shù)據(jù)率不一致以及多傳感器空間分布存在差異，本系統(tǒng)結(jié)合統(tǒng)一坐標(biāo)方法，采用時(shí)空對(duì)準(zhǔn)算法，以及對(duì)各傳感器采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插、外推，并通過航跡關(guān)聯(lián)算法，解決傳感器空間覆蓋區(qū)域中的重復(fù)跟蹤問題，通過采用信息優(yōu)化技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)、態(tài)勢(shì)分析評(píng)估技術(shù)和融合推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在航線選擇，船舶避讓、防臺(tái)避風(fēng)、船舶營運(yùn)等方面的優(yōu)化，生成正確的航行決策。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)見圖3所示。

3.4 協(xié)同探測設(shè)計(jì)

智能船舶集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多傳感器情報(bào)的集成分發(fā)與融合，完成對(duì)各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測。多種傳感器的應(yīng)用環(huán)境、作用距離、目標(biāo)識(shí)別能力均不同，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警、中程跟蹤與近程分類與識(shí)別能力，需要多種傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同探測。

3.5 航行輔助決策設(shè)計(jì)

根據(jù)岸基控制中心的指令，根據(jù)設(shè)備工作信息，判斷本平臺(tái)設(shè)備工作狀態(tài)，通過對(duì)多傳感器和海洋信息等進(jìn)行處理分析，采用動(dòng)態(tài)拾取海圖數(shù)據(jù)法，對(duì)海圖起始點(diǎn)和終點(diǎn)間的海圖路線間的元素進(jìn)行提取，并接入岸基指揮中心的海洋信息數(shù)據(jù)、各傳感器的目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素進(jìn)行自動(dòng)解算，提供船舶機(jī)動(dòng)方案，結(jié)合電子海圖自動(dòng)規(guī)劃路線算法，在電子海圖背景下自動(dòng)規(guī)劃航行路線，并按照預(yù)案自動(dòng)或人工控制，采取措施保障航行。

4 結(jié)論

智能船舶領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，智能船舶集成系統(tǒng)是智能船舶的重要組成部分，智能船舶集成系統(tǒng)智能化不可避免，是今后智能船舶領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

本文主要介紹了智能船舶集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、信息流程和主要功能，描述了基于船載的智能船舶集成系統(tǒng)根據(jù)船平臺(tái)各類傳感器、岸基指揮中心信息、海洋環(huán)境信息和它船運(yùn)動(dòng)信息等，判別智能船舶航行狀態(tài)，實(shí)時(shí)完成信息處理，為智能船舶航運(yùn)實(shí)時(shí)提供決策和控制信息，輔助船舶安全航行，本文對(duì)設(shè)計(jì)和制造智能船舶智能平臺(tái)方面具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]IMO.Maritime Safety Committee（MSC），96th session，11-20 May 2016（openingaddress）[EB/OL]（2016-05-11）.http：//www.imo.org/en/MediaCentre/SecretaryGeneral/Secretary-GeneralsSpeechesToMeetings/Pages/MSC-96-opening.aspx.

[2]吳笑風(fēng)，張鄭海.基于信息流視角的智能船舶系統(tǒng)模型[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016（38）：14-19.

[3]周劍敏，王捷.基于AIS數(shù)據(jù)的智能船舶動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（30）：14-19.

[4]賈銳，曹凱.淺析智能船舶系統(tǒng)[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2016（01）：36-40.

[5]柳晨光，初秀民，謝朔等.船舶智能化研究現(xiàn)狀與展望[J].船舶工程，2016（03）：77-84.

[6]龔瑞良，吉雨冠.智能船舶技術(shù)和無人駕駛技術(shù)研究[J].船舶，2016（05）：82-87.