AIS與GNSS在無人船橋梁避碰中的應(yīng)用

上海海事大學 上海 浦東 201306

一、無人駕駛船橋梁避碰的可行性分析

(一)問題分析。由于橋梁在船用雷達中不能準確的顯示出各個橋墩的位置，這增加了未來無人駕駛船舶撞擊橋梁的風險。一旦船舶和橋梁發(fā)生碰撞，即使航行速度很慢但仍會造成橋梁和船體的損壞，甚至造成航線的擁堵，再加上后期水上對船舶與橋梁的修復(fù)的施工困難性，所造成的經(jīng)濟損失也是十分巨大的。所以十分有必要對橋梁的橋墩進行標記來告知船舶。

船舶自動識別系統(tǒng)(簡稱AIS)可實時監(jiān)測船舶的航向、航速和位置等信息，利用這一實時數(shù)據(jù)可對船舶過橋時的運動狀態(tài)進行監(jiān)控，當船舶與橋梁將要發(fā)生碰撞危險時主動對船舶發(fā)出警報，實現(xiàn)船橋碰撞預(yù)警。在海洋航行公約中規(guī)定了船舶必須攜帶有AIS收發(fā)裝置來對外廣播自身航行信息，同時收取周邊船只的航行信息。因此，AIS設(shè)備的運用與發(fā)展為解決船橋碰撞問題提供了新思路。傳統(tǒng)的AIS設(shè)備多為通信中繼或是通信基站的作用，這里可以創(chuàng)新的將其運用到船橋避碰系統(tǒng)中。此外，通過將北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)相結(jié)合，利用其各自的優(yōu)勢實現(xiàn)對橋墩的精準定位，雙系統(tǒng)的結(jié)合提高了整個系統(tǒng)的精度，進而對船橋避碰裝置的安全性，可靠性和實用性提供了有力的保障。

(二)總體設(shè)計思路。近年來AIS技術(shù)得到了快速發(fā)展，其傳輸?shù)男畔⒅邪舜暗暮较?、航速和位置等信息，為解決船橋碰撞問題提供了新思路。因此，我們可使用AIS信息中的實時數(shù)據(jù)對船舶過橋時的運動狀態(tài)進行監(jiān)控，當檢測船舶有一定的碰撞橋梁的趨勢時，可以通過單片機進行計算來將正確的航行方向與航行速度傳回給船舶，從而實現(xiàn)無人船的安全平穩(wěn)的過橋。

1.無人駕駛船橋梁避碰的設(shè)計框架

圖1 無人駕駛船橋梁避碰的設(shè)計框架圖

定位部分主要是獲取橋梁各個橋墩的經(jīng)緯度信息和UTC時間信息，計算控制部分主要是解析AIS信息數(shù)據(jù)，并運用一定的避碰算法來計算船舶是否具有碰撞橋梁的風險。安全信息反饋模塊可以將正確的航行信息反饋給駛來的無人船。

對于定位部分的實現(xiàn)可以通過將多個用于GPS定位的蘑菇頭分別裝配到每個橋墩的位置來實現(xiàn)，而對于信息的反饋可以通過簡單的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸單元來進行實現(xiàn)。

2.AIS與GPS數(shù)據(jù)的獲取。通過VHF甚高頻天線，可以獲取到AIS報文信息，因為報文中數(shù)據(jù)部分是以6bit二進制碼存儲的，所以要將報文中數(shù)據(jù)部分進行解算才能更加方便的被我們所使用。接下來將解析出的二進制流參照電文比解析表提取出需要的船舶航速、航向、經(jīng)緯度信息。這樣AIS信息的讀取就完成了。

將用于GPS定位的蘑菇頭放置在橋墩位置，以確定橋墩經(jīng)緯度信息。對于GPS信息的讀取大多數(shù)模塊使用了NMEA-0183協(xié)議進行通信。該協(xié)議以文本方式傳輸數(shù)據(jù)，采用ASCII碼來發(fā)送定位信息。一幀數(shù)據(jù)的格式通常為：MYMaabbb，ccc，ccc，…，ccc*dd(CR)(LF)，其中 MYM 表示一幀數(shù)據(jù)開始，也就是數(shù)據(jù)讀取的啟示標志符；aabbb表示地址域，aa用于信號識別，bbb表示語句種類，根據(jù)這三個字符可以判斷出一條GPS數(shù)據(jù)是用于哪種信息的傳遞，其中當其為GGA時后面數(shù)據(jù)對應(yīng)的是當前的位置信息，也就是說，我們只用將這個數(shù)據(jù)提取出來即可；ccc...ccc是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；*表示語句數(shù)據(jù)結(jié)束；dd用于一幀數(shù)據(jù)的校驗；(CR)(LF)回車和換行字符，表示一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

了解了如何提取數(shù)據(jù)之后便可以在單片機上進行相應(yīng)的編程，來獲取AIS與GNSS的數(shù)據(jù)用于后續(xù)的處理。

3.嵌入式系統(tǒng)電路部分的設(shè)計?？梢詫⑶度胧较到y(tǒng)的主控芯片與所用引腳的控制與保護電路以及AIS高頻接收電路、JTAG調(diào)試電路、GPS接收電路、安全信息反饋電路進行集成，用單獨的一塊集成電路來方便生產(chǎn)與維修更換。

AIS高頻接收電路主要通過外置天線來接收采集船舶對外發(fā)送的信號來用以判斷船舶的具體位置。而外部的蘑菇頭接收器則與內(nèi)部的GPS模塊相連接用以內(nèi)部的自身位置的判定，以便完成后期的距離判定。主控芯片用于對收集到的數(shù)據(jù)進行運算處理，如果運算出無人船有碰撞橋梁的風險時其中的安全信息反饋模塊將啟動，并發(fā)送數(shù)據(jù)以提醒無人船將會有撞橋的危險，告知船舶可以根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)提示來改變航行的角度和速度。為了方便對各個模塊進行分別測試，加裝了JTAG調(diào)試，對內(nèi)部結(jié)點進行測試。

為了方便供電，整機電源可以由外部的220VAC轉(zhuǎn)12V

DC的開關(guān)電源接入市電為整機供電。主板可以將此12V電源分為兩路，一路為AIS高頻接收電路板供電，一路送到集成電路的一級電源進行降壓，將12V電壓降到5V供后續(xù)電路使用。同時考慮到橋梁上有充足的光能和風力資源，也可以在其上加裝小型的光伏或風力發(fā)電裝置來實現(xiàn)自身的供電。

4.安全信息反饋單元的算法。通過分析AIS解算出船舶的航向、航速、經(jīng)緯度，通過GPS確定橋墩位置，將船舶和橋墩放在以正北方向為Y軸正方向，以正東方向為X軸正方向的直角坐標系中。通過解析三角形，獲得DCPA與TCPA。

安全信息反饋單元設(shè)計圖如下：

圖2 安全信息反饋單元設(shè)計圖

以橋墩為原點，建立直角坐標系，X軸指向正東，Y軸指向正北，即北方向為正，正東方向為正。橋墩S0的二維坐標為(x0，y0)，運動速度為(vx0，vy0)；來船ST坐標為(xT，yT)，運動速度為(vxT，vyT)，則：

(1)橋墩運動參數(shù)

(三)應(yīng)用前景。不單單服務(wù)于未的無人船，在當下的船舶運輸中，雖然船舶與橋梁發(fā)生碰撞的事故不多，但也不是完全可以避免的，對于船員的疲勞情況下的誤判斷也可以提供及時有效的提醒，來告知其及時操作船只避免碰撞的發(fā)生。

同時，集成電路也可以擴展出其他額外的應(yīng)用，比如現(xiàn)有的橋梁檢測裝置也可以附加進來，這樣不僅不會增加橋梁的額外負擔，同時也擴展了原有的檢測系統(tǒng)的功能，甚至可以實現(xiàn)多個設(shè)備的聯(lián)機來遠程管理等也就相當于將橋梁這一設(shè)施智能化了。

圖3 船橋避碰矢量三角形

二、結(jié)語

綜上所述，通過AIS與GNSS的結(jié)合使用可以較好的完成無人船自主安全過橋，但對于一些其他的細節(jié)性問題還需要更多的思考來進行完善。隨著智能化的發(fā)展與壯大，各種智能化的設(shè)備也將越來越普及，而對于這些智能化設(shè)備的對應(yīng)設(shè)施還不夠全面與齊全，對于未來的例如無人船，真正的自主安全運行中的一些細節(jié)性的問題還需要更加全面的，細致的跟進，本篇文章僅就其中的橋梁避碰這一實際的問題提出一定的解決方案。希望能為未來智能化設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用提供一定的借鑒參考意義。