可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)的研究

徐立君，王羽婕

(長春理工大學(xué) a.物理學(xué)院，b.數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，長春 130022)

在國際貿(mào)易中，海上船舶運輸發(fā)揮了很重要的作用。而海上船舶運輸中，船舶的靠泊和離泊過程是船舶整個航次中最為復(fù)雜的操作過程。船舶的靠泊和離泊除了與風(fēng)、浪、海流等海洋環(huán)境因素有關(guān)外，還與船舶大小、形狀、裝載量、泊位水深等各種因素有關(guān)，而引發(fā)船舶安全事故的原因還有碼頭的水域條件、通航密度以及裝卸設(shè)備的影響。隨著船舶的大型化發(fā)展，這一操作過程的事故發(fā)生率逐年提高，造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響了碼頭的裝卸效率。

在船舶靠岸停泊的過程中，經(jīng)常會因為海風(fēng)、水流等其他影響導(dǎo)致無法自行停靠碼頭，對于巨型船舶影響更是巨大，造成的后果與損失更是無法估量。而傳統(tǒng)的測量方式易受到氣象、水文等的影響，使測量精度大大降低，甚至無法進行測量。21世紀(jì)60年代以來，激光測距因為具有良好的性能而被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)的測距技術(shù)中。隨著激光測距和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，激光輔助船舶靠泊檢測系統(tǒng)能夠更加直觀、方便、準(zhǔn)確、可靠地實時監(jiān)測船舶靠泊情況并提供船舶靠泊的各方面所需數(shù)據(jù)，以助于船舶可以安全靠泊。其中，利用激光測距技術(shù)的激光輔助靠泊以其精確度高、抗干擾能力強等突出優(yōu)勢在國內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用。激光測距是利用激光對所需測量的目標(biāo)進行精準(zhǔn)測定其距離。由此，如何實現(xiàn)使用激光測距，以安全地指導(dǎo)船舶靠泊作業(yè)是一個亟待解決的重要問題，它直接關(guān)系著船舶行業(yè)的發(fā)展。

目前，國內(nèi)外的各種激光輔助靠泊系統(tǒng)都是固定的，無法及時應(yīng)對不同大小的船只靠泊實際的需求，國內(nèi)外可應(yīng)用于不同船只大小的激光輔助靠泊系統(tǒng)的研究很少， 本研究描述了可移動式的激光輔助靠泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及測量原理。通過控制激光測距儀在導(dǎo)軌上移動，調(diào)節(jié)兩個激光測距儀間的距離，以滿足不同噸位和大小的船舶靠泊需求?？梢苿邮郊す廨o助靠泊系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測量能力強，近距離不出現(xiàn)盲點，全程無縫跟蹤和監(jiān)測，能測量并顯示出船離港口的最近距離，防止發(fā)生碰撞。

此可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)適應(yīng)于多種噸位不同的船只的輔助靠泊，可預(yù)警碰撞事故、有效提高靠泊效率和港口生產(chǎn)效率，為促進船舶業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)功能與構(gòu)成

1.1 可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)功能與工作流程

圖1 可移動式的激光測距船岸系統(tǒng)示意圖

如圖1所示可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)包括安裝在碼頭上的中央控制系統(tǒng)、可移動式系統(tǒng)、兩側(cè)位置測量儀及激光測距系統(tǒng)?？梢苿邮较到y(tǒng)包括兩輛小車、鐵軌及小車上的自穩(wěn)云臺，激光測距儀安裝在小車上的自穩(wěn)平臺上面。兩側(cè)的測量儀可以測量兩臺小車間的距離，中央控制系統(tǒng)可以根據(jù)船只的大小發(fā)出指令，控制小車在軌道上移動，中央控制系統(tǒng)根據(jù)定位系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)建立坐標(biāo)顯示測距系統(tǒng)當(dāng)前位置?？梢苿邮降募す鉁y距系統(tǒng)操作流程圖，如圖2所示。小車上安裝的測距激光測距儀相互平行，并且隨著小車的移動改變相互間的距離，可以監(jiān)測船前身和船尾兩點的離岸距離，利用相同時間間隔測量出的不同距離，可計算出船舶速度，再計算出船舶與碼頭所成的角度。工控機的輸出端與LED大屏、聲光報警系統(tǒng)和顯示器相連接，工控機的輸入端與激光測距儀相連接。當(dāng)船舶進入靠泊區(qū)域時，靠泊引航員可通過計算機或手機控制終端向中央控制系統(tǒng)(工控機)發(fā)出指令，根據(jù)靠泊船舶的大小型號、相應(yīng)地移動測距系統(tǒng)，使測距系統(tǒng)測量船舶指定位置點。當(dāng)船舶靠泊速度和角度超出所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時，聲光報警器就啟動，通過聲音與強光來提醒靠泊的操作人員，防止意外事故的發(fā)生。

圖2 可移動式的激光測距系統(tǒng)操作流程圖

此可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)包括兩臺激光測距儀，激光測距儀設(shè)置的位置相對并相隔的距離一定、平行設(shè)置的兩臺可以由中央控制系統(tǒng)控制的可以在導(dǎo)軌上平動的激光測距儀。激光測距儀相對放置，中間由鐵軌連接，用于探測測距系統(tǒng)兩個激光測距儀的位置。同時，定位系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的靠泊坐標(biāo)系，可以精確控制兩個測距點的具體位置。激光測距儀可以監(jiān)測出船舶上任意兩點的離岸距離，同時利用相同時間間隔測量出的不同距離，計算出靠泊船舶的速度，并根據(jù)兩點的距離計算出船舶與碼頭的角度，當(dāng)船舶靠泊速度與船舶與碼頭的角度超出碼頭所設(shè)定的正常范圍值時，則碼頭的報警器就會報警，提醒碼頭引航員做出及時的調(diào)整，防止碼頭設(shè)施的損壞。激光測距儀固定在小車上，可在水平導(dǎo)軌上運動，平動驅(qū)動裝置與中央控制系統(tǒng)相連，由中央控制系統(tǒng)進行控制。

1.2 可移動式系統(tǒng)構(gòu)成

此可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)采用正常鐵軌鋪設(shè)。移動裝置包括：車體、蓄電池組、導(dǎo)軌、行走及驅(qū)動系統(tǒng)；小車依靠蓄電池組供電驅(qū)動，車體下部安裝走行及驅(qū)動系統(tǒng)，車體上安裝有塔座，塔座上可以連接自穩(wěn)云臺。走行及驅(qū)動系統(tǒng)包括：4個驅(qū)動輪、直流電機；4個走行輪車體兩側(cè)至少各有1個為由直流電機直接驅(qū)動的驅(qū)動輪；保證可在軌道線路上滾動行駛。系統(tǒng)中的蓄電池組的蓄電池電壓48 V,容量375 Ah，在提供電源的同時也被用作配重，每組的重量為310 kg，是保證穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。

自穩(wěn)云臺包括調(diào)平盤、伺服電機、固定盤，固定盤水平安裝在小車塔座之上，調(diào)平盤位于固定盤上方，調(diào)平盤上安裝有傾角傳感器，在自穩(wěn)云臺上還設(shè)置有用于讀取傾角傳感器數(shù)據(jù)的外接單片機控制模塊；在固定盤上設(shè)有伺服電機，通過控制連桿機構(gòu)確保調(diào)平盤處于水平工作狀態(tài)。測距系統(tǒng)的激光測距儀固定在自穩(wěn)云臺調(diào)平盤上。

圖3 可移動式的激光測距系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 可移動式系統(tǒng)激光測量基本原理

2.1 激光測距的理論基礎(chǔ)

激光測距儀的工作原理是利用脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或激光脈沖串,計數(shù)器測量激光脈沖到達目標(biāo)，再利用從目標(biāo)返回到接收機的時間,從而計算出目標(biāo)點的距離。工作過程是:首先瞄準(zhǔn)目標(biāo),然后啟動激光器,通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),向瞄準(zhǔn)的目標(biāo)發(fā)射激光脈沖信號。同時,發(fā)射信號由采樣器采集,作為計數(shù)器開門的脈沖信號,啟動計數(shù)器,鐘頻振蕩器向計數(shù)器有效地輸入鐘頻脈沖,由目標(biāo)反射回來的激光回波經(jīng)過大氣傳輸,進入接收光學(xué)系統(tǒng),作用在光電探測器上,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號,經(jīng)過放大器放大,進入計數(shù)器,計數(shù)器停止計數(shù)。計數(shù)器從開門到關(guān)門期間,所進入的鐘頻脈沖個數(shù),經(jīng)過運算得到目標(biāo)距離,在顯示器上顯示出來。

激光具有四個特點：

(1)亮度高。因為激光有很強的能量和強烈的發(fā)射能力，所以它的亮度比其他光高億萬倍。激光的光的質(zhì)量比其他光的質(zhì)量高，更適應(yīng)于環(huán)境復(fù)雜難測的海上情況。

(2)方向性好。由于激光的發(fā)射能力強，所以發(fā)射后激光的發(fā)散角非常小，可以使光的偏角小，測量的更加精確，適用于環(huán)境復(fù)雜難測、光污染嚴(yán)重的海上情況。

(3) 單色性好。激光有相似的波長，顏色單一純凈，故激光的單色性很好。激光在航海技術(shù)中應(yīng)用很廣范也是因為單色性好。

(4)相干性好。激光受激輻射光，具有極強的相干性。

此特性非常適用于環(huán)境復(fù)雜難測，光污染嚴(yán)重的海上靠泊情況。

2.2 可移動式系統(tǒng)激光測量基本原理

整個系統(tǒng)的測試原理如圖4所示，通過兩個平行的激光探頭，探測船舶上點的離岸距離，根據(jù)一定時間間隔的不同距離，先計算出速度，再根據(jù)兩點的距離得出船舶與碼頭的角度。

(1)

其中，v為船舶行駛的速度，t是一定的時間間隔，y是船舶行駛的距離變化。

(2)

其中，θ是船舶與碼頭的角度，y是船舶行駛的距離變化，x是兩個平行激光探頭的距離。

圖4 船只位置、速度和角度的測量原理

3 系統(tǒng)指標(biāo)與結(jié)果分析

課題組研制的可移動式的激光輔助靠泊系統(tǒng)的測量指標(biāo)如下：

測量范圍：0.05 m～350 m

測量船只的噸位：5 萬t～20 萬t

測量精度：+/- 3.5 cm 基于特定條件下180 m的重復(fù)精度

速度范圍：0 ～ 90 cm/s

分辨率：1.5 cm

可測船只長度：200 m～300 m

氣象條件：適合在雨、霧條件下使用

溫度范圍：-10 ℃ ～+50 ℃

濕度：90%

4 結(jié)語

我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展為國內(nèi)港口碼頭提供了前所未有的機遇?？梢苿邮郊す廨o助靠泊監(jiān)測系統(tǒng)若被國內(nèi)眾多的港口碼頭使用，可提高港口的工作效率和收益效益。

本可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)是碼頭為了保證船舶靠岸安全必須裝配的器件。為了安全、高效地指導(dǎo)貨輪停靠碼頭，我國十大碼頭現(xiàn)有三大碼頭都已經(jīng)裝配了先進的靠泊系統(tǒng)。本可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)是一種可適用于多種噸位船只的可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)。通過兩個安裝在碼頭上在系統(tǒng)前端且距離平行的激光測距儀來測量船舶的離岸距離，以計算出船舶此時的速度及船舶與碼頭的角度，從而定位船舶。激光測距儀固定在小車上的自穩(wěn)平臺上，通過遠(yuǎn)程控制小車在導(dǎo)軌上移動，改變兩個測距儀間的距離，以適應(yīng)多種噸位船只的監(jiān)測。此系統(tǒng)可以精確測量船體離碼頭的距離，感測船體的姿態(tài)，顯示當(dāng)前的環(huán)境條件，為靠泊提供安全保障，在靠泊等領(lǐng)域有具有一定的應(yīng)用前景。目前該產(chǎn)品未見有報道，且碼頭市場需求量很大，如將該靠泊系統(tǒng)投入到碼頭、港口市場，將會有效減少單只船只靠泊的時間，能使更多船只靠泊，提升碼頭收益。

相比于其他靠泊系統(tǒng)，我們的可移動式激光輔助靠泊系統(tǒng)大大提高了監(jiān)測船舶距離的準(zhǔn)確度以及精度，系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測量能力強，近距離不出現(xiàn)盲點，全程無縫跟蹤和監(jiān)測。并且適應(yīng)性強，可在多種極端環(huán)境下工作，可適用與各種大小船只，讓引航人員及時地掌握靠泊信息，使靠泊事故減少，減少碼頭的經(jīng)濟損失，使靠泊更加安全高效。