基于系統(tǒng)集成及避碰技術(shù)的船舶智能化

徐 浩，富玲峰

(中電科(寧波)海洋電子研究院有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

智能船舶是目前船舶新技術(shù)研究的一個熱點，近幾年獲得了極大的關(guān)注。中國船級社(CCS)在2015年12月1日發(fā)布了《智能船舶規(guī)范》，從智能航行、智能機(jī)艙、智能船體、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺6個方面對智能船舶能要求進(jìn)行了規(guī)范，旨在引領(lǐng)船舶和配套技術(shù)的發(fā)展[1]。

本文主要研究智能船舶的智能航行領(lǐng)域，目前國內(nèi)外在這方面的研究主要集中在航線優(yōu)化與設(shè)計和自主航行這兩方面[2]，很多航行控制算法和產(chǎn)品已經(jīng)在小型無人艇上進(jìn)行使用和試驗，但都作為單獨的無人艇個體進(jìn)行研究，在商用船舶和營運船舶領(lǐng)域目前仍在積極研究中。而關(guān)于智能航行的研究都集中在海船和江船，在內(nèi)河智能船舶方面也僅限于船舶位置監(jiān)視、?；愤^境監(jiān)控及過閘控制等方面，沒有涉及船舶智能航行、船岸一體化調(diào)度、綜合業(yè)務(wù)管理等領(lǐng)域。

1 集成系統(tǒng)組成

智能船舶系統(tǒng)中，一方面借助船舶通導(dǎo)設(shè)備、環(huán)境感知設(shè)備等如航行/姿態(tài)檢測、AIS、RFID、CCTV、北斗衛(wèi)星、導(dǎo)航雷達(dá)等技術(shù)手段，形成多方位立體化的航運要素信息感知體系，實現(xiàn)船舶對助航設(shè)施、礙航物等航行環(huán)境的智能感知；另一方面，依靠先進(jìn)的船岸一體化通信技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)等，實現(xiàn)監(jiān)管單位對智能船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度及指揮。智能船舶系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能船舶系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能船舶系統(tǒng)通過公網(wǎng)4G，AIS，VHF等通信手段接入海河聯(lián)運項目的通信網(wǎng)絡(luò)，與綜合信息平臺進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交互。智能船舶的通信手段及與系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 智能船舶通信系統(tǒng)

2 工作原理

智能船舶系統(tǒng)利用計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等對感知和獲得的信息進(jìn)行分析和處理，將原先由人工實現(xiàn)的環(huán)境感知、事態(tài)認(rèn)知和決策執(zhí)行等環(huán)節(jié)通過信息化系統(tǒng)進(jìn)行替代，具體如圖3所示。利用信息化系統(tǒng)實現(xiàn)對船舶航行進(jìn)行實時監(jiān)管和安全預(yù)警，實現(xiàn)航行過程中的避障預(yù)警，實現(xiàn)岸基一體化的數(shù)據(jù)交互，最終實現(xiàn)船舶在寬廣水域的自動航行。

圖3 智能船舶系統(tǒng)工作原理

智能船舶系統(tǒng)中的信息系統(tǒng)是指架設(shè)在船上的數(shù)據(jù)處理中心。其中，信息化顯控終端承擔(dān)信號匯集、分析、處理、顯示、人機(jī)交互及對內(nèi)外通信的任務(wù)；感知空間是借助船載的通導(dǎo)系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶狀態(tài)及周邊環(huán)境狀態(tài)的感知；認(rèn)知空間是對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，評估航行過程中潛在的各種效率、風(fēng)險及危險，為保障航行安全和提高能效提供支撐依據(jù)；決策執(zhí)行是根據(jù)認(rèn)知的結(jié)果做出合理判斷；決策的目標(biāo)是保障航行安全、提高航行效率。

3 避碰技術(shù)及DCPA原理

避碰技術(shù)的核心在于障礙物的探測與識別技術(shù)。對周邊環(huán)境進(jìn)行檢測、識別障礙物，預(yù)測距離、運動方向和速度，判斷船舶與其它空間物體之間的距離是否已經(jīng)構(gòu)成碰撞危險。根據(jù)安全規(guī)避策略控制船舶進(jìn)行路徑調(diào)整，針對運動目標(biāo)需要，進(jìn)行動態(tài)跟蹤及運動軌跡預(yù)測；針對多障礙目標(biāo)的感知，選擇路徑調(diào)整及避碰策略。對于船舶來說，還要將識別目標(biāo)信息與電子航道信息、動力信息、線路信息進(jìn)行綜合處理，形成避碰決策[3]。

最近會遇距離(DCPA)表示兩船或船與障礙物在會遇過程中最近時的距離，是衡量兩船是否發(fā)生碰撞可能的重要標(biāo)準(zhǔn)。到達(dá)最近會遇距離處的時間(TCPA)，表示兩船或船與障礙物在會遇過程中的時間概念。若DCPA=0，說明若船只保持航向和航速不變，本船將與他船或障礙物同時達(dá)到某一點，必然發(fā)生碰撞危險；若DCPA>0，說明本船尚有一定的通過距離，但能否安全通過，取決于當(dāng)時的環(huán)境和具體情況。當(dāng)DCPA=0或DCPA小于安全距離的情況下，TCPA越小，表明船舶到達(dá)最近會遇距離處的時間越短，碰撞的危險程度越大；反之，TCPA越大，表明船舶到達(dá)最近會遇距離處的時間較長，碰撞的危險程度相對較小。

如果障礙物羅經(jīng)方位有所變化，但變化幅度不大，雖然DCPA≠0，但不能確定在安全距離以外通過，需要了解障礙物方位變化和距離變化之間的關(guān)系，以便確定會遇的DCPA值。

如圖4所示，設(shè)本船位于O點，AC為障礙物相對本船的運動線。當(dāng)障礙物從距本船距離為D1的B處運動到距離為D2的A處時，障礙物與本船航向偏差為α1，此時最近會遇距離DCPA=d。因此，可推導(dǎo)得到：

圖4 方位變化與距離變化的關(guān)系

DCPA=D2Sinα1

TCPA=D2Cosα1/Vr

其中，α1和α2是障礙物航向與本船航向的夾角(范圍為0～180°)；Vr是障礙物相對于本船的運動速度。通過分析可知，同一路徑前提下D越大，對應(yīng)的α就越小，DCPA也會越來越小，但TCPA會遇的時間會越長。因此，可以判斷是否存在碰撞危險，從而實現(xiàn)了避碰的要求。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了一種可實用于智能船舶的系統(tǒng)集成方法，可以降低開發(fā)成本并縮短開發(fā)時間，能保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，詳細(xì)介紹了DPCA的避碰技術(shù)，通過采集船舶與障礙物相對于船舶的運動路線的距離，以推導(dǎo)的公式計算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，把計算出的數(shù)據(jù)和給定的表格進(jìn)行比對，就能夠得出船舶碰撞的危險級別，當(dāng)比較危險時，就需要調(diào)整船舵及船舶航速。