船舶智能輔助靠泊系統(tǒng)研究與開發(fā)

◎ 穆勝軍 汪偉奎 張華 天津中海油油田設施管理有限公司

謝斯 曹亮 廣東海洋大學

1.引言

三用工作船是一種守護船，主要負責領域是海上石油工程，一般在近海航區(qū)和無限航區(qū)航行。大多時候圍繞海上石油平臺低速巡航，受海上石油平臺調遣，為其運輸物資和材料。三用工作船本身可以自主進行拋起錨作業(yè)，以及進行平臺和大型船舶的拖運作業(yè)，另外還有消除油污、營救工作人員、撈取油管、幫助提煉石油等相關作業(yè)。對三用工作船的作業(yè)安全進行管理，不僅涉及到參與工作船本身的人員安全以及維修保養(yǎng)問題，同時還牽扯到貨物、港口、航道設施等的安全。近些年海上油田多次發(fā)生三用工作船靠泊碰撞事故事件，例如2005年某輪離塘沽某碼頭到NB35-2送料值班，因能見度不良等原因撞斷錨纜。2017年5月30日 某三用工作船在東海某油田發(fā)生碰撞平臺事故。

分析事故原因，固然存在人為操船因素，但以下因素也是造成事故不可忽視的原因，需要技術手段予以克服。

（1）三用工作船需要靠泊在平臺下指定位置。船長在靠泊操作過程中主要依據視覺來測距和由此感知的環(huán)境因素來預估安全程度。尤其是平臺周圍參照物少、靠泊作業(yè)時間長，造成了船長和操作人員的疲勞和疏忽，進而導致事故發(fā)生。另外，船長操作還有視覺盲區(qū)，需要現場人力進行視覺觀測距離，這又增加了靠泊的操作風險。

（2）風浪流的不斷變化，增加了?？侩y度，需要技術手段觀測距離。

（3）靠泊作業(yè)要求船舶控制在離設施較小的范圍內，需要技術手段支持。

（4）長時間靠泊操作，需要船長保持精力充沛、精神集中，工作壓力大，易麻痹大意和疏忽。

為此，需要針對上述情況，開展相關研究，對三用工作船靠泊工作予以技術裝備輔助支持。

近年來無人車、無人船等智能感知技術與激光雷達快速發(fā)展。激光雷達在智能駕駛領域也得到了較快的發(fā)展，用于物標檢測和避障等輔助功能，這為本研究提供了較好的基礎。開展“三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)開發(fā)與應用”，在三用工作船上部署激光攝像頭、后端服務器，研制出一套基于激光雷達的智能輔助靠泊系統(tǒng)，實現三用工作船在船尾靠泊的橫向和縱向測距和并靠中的測距，可以有效消除船長觀測盲區(qū)，顯示出可操作縱向和橫向空間的大小，為船長的安全操作提供精準支持，減輕人為觀測的壓力，提升安全靠泊能力。

圖1 某三用工作船碰撞平臺事故示意圖

圖2 激光點云成像示意圖

2.激光測距和成像原理

激光雷達最大優(yōu)勢是三維點云建模技術。激光雷達通過測量激光信號的時間差和相位差來確定距離，通過水平旋轉掃描來測角度，并根據這兩個參數建立二維的極坐標系，再通過獲取不同俯仰角度信號獲得三維中的高度信息。高頻激光可在一秒內獲取大量（約150萬個）的位置點信息（稱為點云），并根據這些信息進行三維建模。

圖3 主激光雷達配置示意圖

圖4 補盲雷達達配置示意圖

3.三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)設計

研發(fā)符合實際工作需要的三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)，可以有效消除船長觀測盲區(qū)，顯示出可操作縱向和橫向空間的大小，為船長的安全操作提供精準支持，減輕人為觀測的壓力，提升安全靠泊能力。另外，還可以用于船舶在石油平臺附近巡航時候的異物侵入航線，助力船舶安全航行。通過使用三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)，可以提高三用工作船靠離泊安全水平，節(jié)約操作時間和減輕工作強度，降低靠離泊作業(yè)經濟成本。

（1）主激光雷達。在三用工作船頂部安裝主雷達，雷達水平掃描360度，上下視野在30-40度左右，可以有效抵消船舶周期性搖擺對雷達成像的影響問題。

（2）補盲雷達。在三用工作船下層安裝補盲雷達，可以用于消除主雷達盲區(qū)，其中前部和后部需要設置高精度激光雷達。

（3）視頻與激光雷達信息融合。在關鍵位置設置視頻采集裝置，并實現激光雷達測距和3D成像（如圖5所示）。測距結果數據與紅外攝像數據相融合，在圖像上顯示距離平臺的距離并予以報警。

圖5 視頻信息融合示意圖

4.系統(tǒng)的創(chuàng)新

（1）首次提出了基于多激光雷達與攝像頭的三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)概念，實現“船”與“外界環(huán)境”的智能交互，對外界環(huán)境進行實時感應和監(jiān)測。

（2）采用先進算法，提供了船舶靠泊的智能化、數據化和可視化的能力，提示出三用工作船靠泊平臺、碼頭和并靠其他船舶的空間大小，提升了靠泊的安全能力，結束了傳統(tǒng)靠泊工作以人眼觀察誤差大的弊端。

（3）采用先進算法，提供了船舶巡航、航行中物標侵入的檢測能力，提升了航行安全能力，降低了人為觀測難度，緩解了人的操作疲勞。

5.總結

本研究開發(fā)方雖作出了最大限度的努力，初步實現了系統(tǒng)功能，但由于現有的認識水平、技術水平、科學知識及其他現有條件的限制，還存在一定的提升空間，期望再進行深入的研究，為同類型船舶提供一個智能安全解決方案。