新型航海技術對船舶避碰自動化的影響

張琛雨

（大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116000）

0 引言

船舶在海上航行過程中，如果觸碰到暗礁，或者與其它船只發(fā)生碰撞，不僅使船舶無法正常運行，造成嚴重的經濟損失，還會危及到船員的生命安全。通常情況下，船舶出現(xiàn)碰撞事故，多數(shù)是駕駛員操作不當引發(fā)的。為避免駕駛員由于操作不當引發(fā)的碰撞事故，積極應用船舶避碰自動化技術，并且與新型航海技術相互融合，提升船舶安全穩(wěn)定的運行能力。

1 船舶避碰自動化概述

1.1 船舶避碰自動化研究現(xiàn)狀

在研究船舶避碰自動化技術時，應收集船舶航行過程中，水上、水下等物標信息，將物標信息作為研究依據(jù)，直接應用在船舶操縱系統(tǒng)中，系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)船舶遇到物標，根據(jù)系統(tǒng)內的信息，及時轉變航行路線，降低船舶發(fā)生碰撞事故的概率。此外研究船舶碰壁自動化技術，還應獲取更多的信息，其中量化處理寬水域船舶航行信息是重要的組成部分，將該信息納入到避碰自動化技術中，一方面可以使該技術具備判斷功能，主要用于判斷船舶與物標之間的距離，使船舶與物標保持在安全距離，有效防止碰撞情況的發(fā)生；另一方面該技術采用多種方法，包括綜合應用神經網絡、專家智能技術等，可以為船舶快速制定避碰決策。

船舶發(fā)生碰撞事故，多數(shù)與人為因素有關，其中駕駛員操作不當，會提升船舶發(fā)生碰撞事故的概率。船舶駕駛員應嚴格按照《國際海上避碰規(guī)則》操作船舶，并且具備較高的專業(yè)素養(yǎng)以及富有豐富的航海經驗，可以準確預測船舶遇到的碰撞風險，或者一旦發(fā)生碰撞，可以快速處置，避免船舶無法正常的航行。但是駕駛員在操作船舶過程中，仍存在發(fā)生錯誤的情況，需要在船舶內應用避碰自動化技術，同時配合使用先進的可行技術，充分發(fā)揮避碰技術的自動化優(yōu)勢，為駕駛員提供相應的數(shù)據(jù)，駕駛員根據(jù)數(shù)據(jù)可以快速完成自動駕駛操作，極大地降低船舶發(fā)生碰撞事故的概率[1]。

1.2 船舶避碰自動化問題

船舶避碰自動化技術應用過程中，仍存在一定的問題：首先，避碰自動化技術可以構建2 個系統(tǒng)，分別為避礁系統(tǒng)和避碰系統(tǒng)。2 個系統(tǒng)在船舶航行中，均發(fā)揮重要的作用。船舶進入到寬水域航行過程中，主要使用避碰系統(tǒng)，對避碰系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善，可以提高避碰系統(tǒng)的決策能力，但是避碰系統(tǒng)與避礁系統(tǒng)無法有效融合，導致避碰系統(tǒng)的性能存在一定的缺陷；其次，在獲取水上物標信息時，船舶主要依靠導航雷達，但是導航雷達在使用過程中存在一定的局限性，如無法快速確定水上物標信息，導致避碰決策效率下降。在導航雷達用于收集水上物標信息過程中，為使船舶收集水下物標信息，將暗礁聲吶系統(tǒng)應用在船舶中，從而構建水上和水下雙重避碰系統(tǒng)。船舶進入航行狀態(tài)，利用水中雷達可以預測船舶與暗礁的距離，同時測量船舶所處的安全水深，從而評估船舶可能發(fā)生碰撞事故的概率。但是我國船舶避碰技術應用較為落后，只有部分船只配置水下雷達系統(tǒng)，并且水下雷達系統(tǒng)測量距離僅為1000 m 左右，在較短的距離內，極易發(fā)生碰撞事故。

2 船舶避碰自動化的研究

2.1 AIS 在船舶避碰自動化中的應用

1）AIS 的關鍵技術研究

AIS 系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)應用在船舶中，可以產生諸多參數(shù)，包括船舶的對地速度、位置、對地航向等，將產生的參數(shù)及時傳輸至周圍的海域，可以為更多的船只提供避讓信息。

AIS 系統(tǒng)是由4 個硬件共同組成，分別為通信模塊、信號采集模塊、信息處理模塊以及顯示模塊。通信模塊采用VHF 數(shù)字通信模式，可以快速轉發(fā)和接收船舶信息。信息采集模塊，將收集到的信息，通過解碼、轉換等方式，使船舶可以根據(jù)信息調整航向。信息處理模塊，是由嵌入式微處理器系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可以發(fā)送信息，并將發(fā)送到的信息呈現(xiàn)在顯示器上。

2）船舶避碰系統(tǒng)整體結構設計

船舶避碰系統(tǒng)整體結構設計，是船舶避碰自動化研究的重要組成部分。例如某船舶企業(yè)在設計避碰系統(tǒng)時，采用DSP 和FPGA 方式進行設計，DSP 具有多種功能，包括數(shù)據(jù)接收、船舶避碰算法等。FPGA 具有I/O 功能，可以將輸出接口連接到串行口上，同時配合使用ADC 數(shù)據(jù)采集緩存等設備，共同完成數(shù)據(jù)的采集和通信等工作，并有效簡化避碰算法過程。此外FPGA 與液晶顯示器和鍵盤連接，有效提升外設設備的訪問效率，使避碰系統(tǒng)運行更加高效。

船舶避碰系統(tǒng)整體結構內含有多種模塊，包括AIS 信息模塊、A/D 模塊、D/A 模塊、鍵盤LED 模塊、LCD 模塊、存儲器擴展模塊、其它串行通信模塊以及其它傳感器，以DSP和FPGA 為基礎，為不同的模塊在避碰系統(tǒng)中的運行提供保障[2]。

3）主要模塊設計

在本次設計中，AIS 系統(tǒng)具備接收信號、避碰參數(shù)等功能，主要依靠DSP 系統(tǒng)。在該系統(tǒng)內配置CPU，本次設計CPU型號為C5402，該型號的CPU 可以在不同模式下運行，以電平模式為例，如果系統(tǒng)處于高電平狀態(tài)，可以將DSP 系統(tǒng)處于微處理狀態(tài)，該狀態(tài)可以實時接收AIS 數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。如果系統(tǒng)處于低電平狀態(tài)，將DSP 系統(tǒng)處于微計算機狀態(tài)，可以快速準確計算出避碰數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的避碰控制效率。

主要模塊設計分別為AIS 信息采集、DSP 和FPGA 接口設計以及外圍電路接口設計。在AIS 信息采集模塊設計過程中，應按照AIS 信息解碼應用程序流程圖進行設計，設計流程如下，分別為開始、系統(tǒng)初始化、采集完一幀、數(shù)據(jù)正確、8 位ASCII 轉為6 位二進制碼、識別消息ID、分配bit、二進制碼轉十進制、數(shù)據(jù)計算以及信息顯示。

在DSP 和FPGA 接口設計過程中，本文設計中使用CyclneII 系列芯片，該芯片是FPGA 系統(tǒng)重要的組成部分，該芯片具有支持各種存儲器的資源配置、處理數(shù)字信號等特點。此外，芯片可以使用I/O 系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備三態(tài)緩沖、總線狀態(tài)等功能，有效擴大接口的連接范圍。在上述設計中，將AIS 信息串口與芯片連接，一方面防止串行接口出現(xiàn)共享斷供的情況，另一方面使串行接口運行更加穩(wěn)定。假設在避碰系統(tǒng)中服務器出現(xiàn)問題，如串行口在連接時出現(xiàn)中斷情況，導致服務程序無法正常的運行，在中斷狀態(tài)下，應將DSP 芯片連接到AIS 系統(tǒng)上，利用AIS 系統(tǒng)專用串口，使服務器可以正常運行。

外圍電路接口設計過程中，避碰系統(tǒng)基于FPGA 系統(tǒng)，通過連接液晶顯示接口和鍵盤接口，提升避碰系統(tǒng)的計算能力，有助于調試和控制船舶的避碰系統(tǒng)，使避碰系統(tǒng)處于高效的運行狀態(tài)。此外將不同的模塊接入到系統(tǒng)中，包括A/D模塊、D/A 模塊等，可以共同組建成接口電路，接口電路結構內包含上述模塊的同時，利用DAD、DDA、DADEN 以及DDAEN 等連接模塊，使系統(tǒng)內的模塊可以正常運行[3]。

2.2 海圖信息數(shù)字化的應用

船舶在寬水水域航行過程中，在避碰系統(tǒng)中應用海圖信息數(shù)字化技術，可以提升避碰系統(tǒng)自動化運行能力，并且有效消除傳統(tǒng)避碰系統(tǒng)受到的限制，防止船舶在航行中發(fā)生碰撞事故。應用海圖信息數(shù)字化技術，應充分發(fā)揮海圖信息數(shù)字化技術的優(yōu)勢：可以快速獲取船舶的靜態(tài)信息；將靜態(tài)信息與動態(tài)避碰信息相互融合，提高避碰系統(tǒng)處理避碰信息的能力。海圖信息數(shù)字化技術可以包括多種系統(tǒng)，分別為聲吶探測系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及電子顯示系統(tǒng)等，通過不同系統(tǒng)，擴大船舶收集避碰信息的范圍。此外增強海圖信息數(shù)字化的應用價值，可以在系統(tǒng)中配置ECDIS 模塊，利用該模塊為船舶提供避碰決策，并且以該模塊為基礎，建立動態(tài)和靜態(tài)信息交換與處理平臺，在平臺內進一步研究避碰問題，在研究中獲取解決避碰問題的數(shù)據(jù)[4]。

3 結語

在船舶避碰自動化系統(tǒng)發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的航海技術已經悄然發(fā)生改變，逐步形成新型航海技術，提高了船舶的安全航海能力。在應用避碰自動化技術時，技術人員應根據(jù)船舶的航行狀態(tài)，對避碰自動化系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善，尤其是基于AIS 建立船舶避碰系統(tǒng)，將該系統(tǒng)與不同模塊相互連接，有效拓展和協(xié)調接口服務，擴大接口收集信息的能力，一方面拓展避碰自動化技術的應用范圍，提高獲取避碰信息的能力；另一方面合理應用海圖信息數(shù)字化技術，進一步提升船舶處理避碰信息的能力，使船舶處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并且有效降低駕駛員的操作強度，避免由于駕駛員操作失誤而導致碰撞事故的發(fā)生。