北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)在香港三跑填海工程的應(yīng)用

李書瑭，黃雙飛

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

香港國際機(jī)場第三跑道工程（簡稱香港三跑工程）地處香港離島區(qū)大嶼山赤鱲角現(xiàn)有機(jī)場島以北，總投資約為2000 億港幣，業(yè)主為香港機(jī)場管理局。填海面積約為650 hm2，回填施工總量約9200 萬m3，主要施工內(nèi)容包括填海造地、海堤施工、地基處理等工作內(nèi)容。填海材料主要來自內(nèi)地，由港籍皮帶砂船運(yùn)至施工現(xiàn)場配合絞吸船、泵沙船等工藝卸砂。

本項(xiàng)目的皮帶砂船基本覆蓋安裝北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于輔助砂船自航至卸砂點(diǎn)卸砂，提高了卸砂效率，減少了安全違規(guī)事件發(fā)生頻次，應(yīng)用效果較好。本文對(duì)于北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)路線、軟件功能設(shè)計(jì)、定位精度試驗(yàn)驗(yàn)證、應(yīng)用情況、實(shí)施效果等方面做了介紹，對(duì)于有類似項(xiàng)目背景的應(yīng)用具有一定的借鑒作用。

1 應(yīng)用背景

香港三跑工程施工水域由6 個(gè)標(biāo)段同時(shí)在此作業(yè)，高峰期近200 條船舶在此航行、施工。周邊水域復(fù)雜，北邊有高速客運(yùn)船航道及海洋公園水域（禁區(qū)），東側(cè)有規(guī)劃的限速區(qū)、錨地。隨著填海的進(jìn)展，施工區(qū)域水深逐步變淺，隨時(shí)可能發(fā)生擱淺的風(fēng)險(xiǎn)。由于南邊是現(xiàn)有機(jī)場，故鄰近南邊水域，有嚴(yán)苛的限高要求，不同高度的船舶有不同的限高范圍。如發(fā)生超高事件，則有可能對(duì)飛機(jī)運(yùn)行造成影響，是非常嚴(yán)重的違規(guī)事故。

填海作業(yè)高峰期平均每天約20 航次皮帶砂船來香港三跑工程卸砂，船上的導(dǎo)航系統(tǒng)并不能顯示出施工區(qū)周邊水域狀況，隨時(shí)可能發(fā)生各類違規(guī)事件。為了避免發(fā)生這種情況，項(xiàng)目部租賃了大量的拖輪，負(fù)責(zé)將皮帶砂船從施工區(qū)域外引航至卸砂點(diǎn)卸砂，卸完后，再將其引航出施工區(qū)。如此運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了卸砂效率，并且為項(xiàng)目增加了大量的拖輪租賃成本。

在上述的背景下，需開發(fā)出一套適用于香港三跑工程的船端離線導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠使船長了解周邊水域情況，輔助其安全航行。

2 技術(shù)路線

2.1 北斗以及GPS 定位技術(shù)的介紹

北斗導(dǎo)航以及GPS 定位技術(shù)都是屬于衛(wèi)星定位技術(shù)的范圍，主要功能是接受衛(wèi)星所發(fā)來的信號(hào)，并且針對(duì)衛(wèi)星定位進(jìn)行解析，然后通過計(jì)算來確定自己所在的地理位置。

北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它不僅有精確定位、精準(zhǔn)授時(shí)等功能，更具備短報(bào)文通信功能。在2003年5月25日，隨著第3 顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)初步建成，覆蓋區(qū)域包括中國周邊地區(qū)。截至2020年，已發(fā)展成第三代系統(tǒng)，定位精度為平面2 m，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋[1]。

2.2 北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

市場已有成熟的北斗定位天線[2]，僅需開發(fā)一套軟件、再配合筆記本電腦/平板電腦便可達(dá)到離線導(dǎo)航的使用需求，如需數(shù)據(jù)交換，另需3G 上網(wǎng)卡便可實(shí)現(xiàn)。

利用市場成熟的硬件產(chǎn)品結(jié)合自身需求開發(fā)軟件功能，這是最快捷、最可靠的技術(shù)路線，從開發(fā)周期、成本、可操作性來說，均可滿足香港三跑工程的迫切需求。

2.3 精度及穩(wěn)定性試驗(yàn)測試

1） 為驗(yàn)證市場上北斗定位天線的精度及穩(wěn)定性，將北斗定位天線與RTK-GPS 天線綁定在船端進(jìn)行測試，經(jīng)過近半天的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者軌跡始終存在固定偏差（2 m），見圖1，固定偏差可通過后期軟件進(jìn)行修正，精度完全滿足船端導(dǎo)航的使用需求。

圖1 北斗信號(hào)與RTK-GPS 進(jìn)行測試Fig.1 Beidou signal compare with RTK-GPS

2） 在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面，采用20 套北斗天線進(jìn)行為期1 周的測試。試驗(yàn)結(jié)果證明所有產(chǎn)品質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，位置刷新頻率每1～2 s 一次，無跳點(diǎn)現(xiàn)象發(fā)生，20 套天線均可滿足使用需求。

3） 定位數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)回傳調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)中顯示的船舶位置準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)刷新頻率穩(wěn)定（秒級(jí)），形成的軌跡完整、連續(xù)，滿足使用需求。

3 導(dǎo)航軟件的開發(fā)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)功能包括船標(biāo)配置、船舶定位、定向、實(shí)時(shí)香港坐標(biāo)顯示、導(dǎo)入背景文件（dxf 格式）、導(dǎo)入測量水深數(shù)據(jù)（xyz 格式）、水深色塊顯示、聯(lián)網(wǎng)情況下船舶信息、定位信息實(shí)時(shí)回傳至調(diào)度系統(tǒng)[3]、無網(wǎng)狀況下船舶軌跡數(shù)據(jù)存入緩存等。

高級(jí)功能包括背景圖、水深文件、定制航線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程推送，安全圍欄預(yù)警等[4-8]。

3.2 軟件功能特色

根據(jù)本項(xiàng)目的需求，針對(duì)軟件進(jìn)行了定制化開發(fā)。相比較其他定位導(dǎo)航軟件，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1） 船標(biāo)可根據(jù)船舶實(shí)際大小、形狀進(jìn)行繪制顯示。

2） 在聯(lián)網(wǎng)的狀況下，軟件可將船舶實(shí)時(shí)定位信息回傳至調(diào)度系統(tǒng)，大大提高調(diào)度系統(tǒng)的船舶動(dòng)態(tài)狀況。

3） 在無網(wǎng)絡(luò)情況下，船舶的歷史軌跡數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在電腦緩存中，待聯(lián)網(wǎng)后，再將其回傳至調(diào)度系統(tǒng)，形成完整的軌跡記錄。

4） 可針對(duì)每條船舶配置不同的安全圍欄（禁區(qū)），當(dāng)船舶接近禁區(qū)范圍100 m/200 m 發(fā)出不同預(yù)警，提醒船長應(yīng)立即遠(yuǎn)離禁區(qū)。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 輔助砂船、拖輪船長航行

通過該系統(tǒng)，船長在顯示屏可了解施工區(qū)周邊水域狀況及船舶實(shí)時(shí)位置，輔助其航行及停泊，包括以下應(yīng)用：

1） 將船停泊在指定的錨地區(qū)域，等待驗(yàn)砂。

2） 若船舶進(jìn)入限速區(qū)后，限速航行。

3） 避免船舶進(jìn)入禁區(qū)、限高區(qū)。

4） 按照規(guī)劃的航道航行，避免進(jìn)入高速客運(yùn)船航道。

5） 方便向引航拖輪船長下達(dá)指令，根據(jù)系統(tǒng)中顯示的A、B、C、D 等航線，將砂船引航至指定的卸砂點(diǎn)。

4.2 皮帶砂船按定制航線自助航行至卸砂點(diǎn)卸砂

隨著填海的進(jìn)展，皮帶砂船需按照指定的A、B、C 等航線航至不同的卸砂點(diǎn)卸砂，否則會(huì)發(fā)生擱淺的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于不熟悉該水域的船舶，利用拖輪將其引航至卸砂點(diǎn)卸砂。卸砂完成后，再由拖輪將其引航駛離施工區(qū)。

根據(jù)香港三跑工程《海事管控流程》，若近期3 個(gè)月內(nèi)頻繁來香港三跑工程卸砂，船長未更換過，北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行正常，且背景圖更新至最新版的船舶可獲得引航豁免，由其自航至卸砂點(diǎn)卸砂，卸完后自航駛離。

供應(yīng)商為了加快皮帶砂船運(yùn)轉(zhuǎn)周期，積極申請(qǐng)取得豁免，目前大部分船均實(shí)現(xiàn)了利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)自主航行卸砂。

4.3 北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穿透

為監(jiān)控船舶動(dòng)態(tài)，方便船舶調(diào)度，香港三跑工程開發(fā)了船舶調(diào)度系統(tǒng)（簡稱調(diào)度系統(tǒng)），見圖2?？娠@示船舶位置信息，該系統(tǒng)中船舶定位數(shù)據(jù)源主要來自AIS（Aeronautical Information Service），船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[2]，但有刷新頻率低，定位不準(zhǔn)確的缺陷。

圖2 調(diào)度系統(tǒng)及船舶接收的北斗信號(hào)&AIS 信號(hào)源Fig.2 Barge system and Beidou&AIS signal received by barges

考慮將北斗定位導(dǎo)航的信號(hào)接入調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穿透。通過在調(diào)度系統(tǒng)中增設(shè)臨時(shí)中間數(shù)據(jù)庫，AIS 及北斗數(shù)據(jù)源均先寫入中間庫，再通過算法篩選、排序后，將最新的數(shù)據(jù)寫入最終數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)始終顯示AIS 與北斗信號(hào)二者中最新的數(shù)據(jù)源。

在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，首先將歷史位置數(shù)據(jù)存入緩存文件，待有網(wǎng)絡(luò)時(shí)一并發(fā)回調(diào)度系統(tǒng)，形成完整的歷史軌跡，便于向業(yè)主方提供航次驗(yàn)收資料。

5 應(yīng)用效果及效益

5.1 提高卸砂效率，產(chǎn)生較好經(jīng)濟(jì)效益

相比較拖輪引航的方式，皮帶砂船根據(jù)北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，自航至卸砂點(diǎn)卸砂，不僅大大提高了船舶周轉(zhuǎn)效率，卸砂效率，并且為香港三跑工程減少了拖輪租賃數(shù)量，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，已有約50 條皮帶砂船利用北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自主卸砂，占比80%。

5.2 有效地降低違規(guī)事件發(fā)生概率

通過安裝北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，香港三跑工程降低了超高、超速、違規(guī)停泊等事件的發(fā)生。北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)以較低成本進(jìn)行部署，發(fā)揮了較大的作用，是項(xiàng)目部進(jìn)行海事管控的有效措施之一。

5.3 提升香港三跑工程海事安全管控手段

北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)合，使得調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確、完整。在船舶調(diào)度、軌跡查詢、超高預(yù)警、安全圍欄等方面發(fā)揮了作用，為香港三跑工程的海事安全管控發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié)語

北斗定位導(dǎo)航技術(shù)目前已非常成熟，市場有足夠多性價(jià)比高的產(chǎn)品可供選擇，能夠滿足各領(lǐng)域的應(yīng)用需求。通過北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)在香港三跑工程的實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了其巨大應(yīng)用價(jià)值，提高了生產(chǎn)效率，提升了海事安全保障，也間接提高了船長應(yīng)用新技術(shù)的能力。

隨著我國北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，精度的提升，相信未來對(duì)于大型填海項(xiàng)目會(huì)有更多、更深入的應(yīng)用。