雷達和GIS系統(tǒng)在內(nèi)河船舶防碰撞中的應用研究

王端偉 安徽省淮河船舶檢驗局

船舶內(nèi)河航行運輸基于自身環(huán)保性、先進性以及經(jīng)濟性等優(yōu)勢成為國內(nèi)河流水域中的主要交通運輸方式[1]。隨著國內(nèi)船舶制造技術(shù)的不斷發(fā)展、船舶內(nèi)河航行運輸行業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，內(nèi)河船舶的總數(shù)量也越來越多，內(nèi)河水域之上船舶的密集度也越來越高。除此之外，國內(nèi)河流水域的自然環(huán)境以及交通航行狀況也更具有復雜性和多變性，致使船舶與其它船舶、橋梁或是航行障礙物等發(fā)生碰撞事故的可能性不斷上升[2]。基于雷達和GIS系統(tǒng)構(gòu)造并建立起完善的內(nèi)河船舶防碰撞預警系統(tǒng)，為內(nèi)河船舶避免碰撞的決策工作提供具有科學性、精準性和可靠性的數(shù)據(jù)參考，促進船舶的制造與發(fā)展更加自動化、智能化，顯著推動內(nèi)河船舶航行運輸全過程安全性能的提高，有效提升國內(nèi)河流水域交通運輸管理方面的能力和質(zhì)量。

1.雷達和GIS系統(tǒng)的概述

1.1 雷達的發(fā)展以及工作原理

圖1 雷達系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

雷達作為極其常見的助航設(shè)備之一，它主要的作用是支持船舶相互之間以及船舶和岸上統(tǒng)籌管理部門相互之間的信息傳遞和資源交互。雷達系統(tǒng)可以進行自主性考察和探測、對目標船舶進行軌跡跟蹤，還可以依照回波觀察和分析出目標物體的具體大小以及形狀[3]。能夠精準獲取河流水域范圍內(nèi)所有運動、靜止或是固定的障礙物以及周圍環(huán)境相關(guān)信息等的圖像。將雷達應用在內(nèi)河船舶防碰撞當中，保障了船舶行駛的安全系數(shù)，提高了河流水域范圍內(nèi)通航的效率和經(jīng)濟效益[4]。隨著科學領(lǐng)域技術(shù)多樣化的創(chuàng)新發(fā)展和進步，雷達相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識和實用操作技術(shù)都在不斷地革新，雷達整體的性能也更加良好，在海、陸、空三種交通類別當中也得到了更為廣泛的應用。雷達系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）雷達測量距離的基礎(chǔ)原理。雷達測量距離主要是利用電磁波，借助雷達將電磁波發(fā)出，記錄雷達發(fā)射電磁波的具體時刻信息以及雷達接收碰撞到障礙物后電磁波返回的具體時刻信息，通過計算得到船舶當前距離障礙物所在位置的實際間距[5]。計算公式如下：發(fā)出時刻為t1,接收時刻為t2，光波速度為C，具體間距為R。

（2）雷達測量方位的基礎(chǔ)原理。雷達在對障礙物具體方位進行測量的時候主要是借助于雷達天線，通過雷達天線的主波束對目標物體進行探察和測量，如若能夠精準定位就能夠發(fā)現(xiàn)目標物體，如若出現(xiàn)定位偏離就不能發(fā)現(xiàn)目標物體。再者，顯示器掃描線與雷達天線時刻保持著同步旋轉(zhuǎn)，直接查看顯示器掃描線的方位即可[6]。

（3）雷達測量速度的基礎(chǔ)原理。雷達測量速度主要是依據(jù)船舶與障礙物之間存在相對運動，通過頻率計算出目標障礙物相對于船舶自身的運動速度。計算公式如下：發(fā)射出的頻率為f1，接收到回波頻率為f2，載波波長為λ，目標障礙物相對于船舶自身的運動速度為v。

1.2 GIS系統(tǒng)的發(fā)展以及應用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是綜合性能極強的系統(tǒng)，廣泛涵蓋了地理學、地圖學、遠距離探測技術(shù)、計算機科學以及應用軟件開發(fā)技術(shù)等基礎(chǔ)理論和先進技術(shù)[7]。當前GIS系統(tǒng)的實際應用主要可以分為兩大類，一類是基于GIS系統(tǒng)和技術(shù)對平臺存儲的海量用戶數(shù)據(jù)信息進行處理和分析，另一類是基于GIS系統(tǒng)和技術(shù)構(gòu)建并開發(fā)出可以為平臺用戶群體提供專屬GIS應用軟件。隨著我國社會、經(jīng)濟以及科技等領(lǐng)域更加深層次的融合與發(fā)展，當前GIS系統(tǒng)在國內(nèi)各個領(lǐng)域也有了更多的融合與應用，例如：交通運輸領(lǐng)域、國家軍事領(lǐng)域、社會公安治理領(lǐng)域、國土安全維護管理領(lǐng)域等等，GIS系統(tǒng)當中地理數(shù)據(jù)信息的錄入、存儲、查詢、解析以及顯示等眾多極具實用性的應用功能為各個領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展都有著顯著促進作用[8]。

2.內(nèi)河船舶碰撞概述分析

針對內(nèi)河船舶之間發(fā)生碰撞事故的可能性可以通過碰撞危險度（Collision Risk Index，CRI）數(shù)值的大小來衡量碰撞事故發(fā)生可能性的大小[9]。碰撞危險度的取值范圍在0-1之間：如若碰撞危險度為0，則代表船舶相互之間不存在發(fā)生碰撞事故的可能性；如若碰撞危險度為1，則代表船舶相互之間無法通過避免碰撞策略阻止碰撞事故的發(fā)生。

圖2 船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)組成

造成內(nèi)河船舶之間發(fā)生碰撞事故，造成內(nèi)河船舶碰撞危險度數(shù)值上升的因素有很多。內(nèi)河船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)組成如圖2所示[10]。依照船舶基礎(chǔ)操縱系統(tǒng)的各個組成部分，對內(nèi)河船舶相互之間發(fā)生碰撞事故的主要因素進行分析。

從船舶駕駛?cè)藛T層面進行分析。首先是船舶駕駛?cè)藛T的感知能力缺失，基于船舶駕駛?cè)后w之間的差異性，部分船舶駕駛?cè)藛T在船舶內(nèi)部和外部管理的通信過程中會出現(xiàn)錯誤，對于先進的設(shè)備無法做到充分利用等等。同時還存在部分船舶駕駛?cè)藛T工作態(tài)度不端正或是航行運輸實踐經(jīng)驗積累較少[11]。其次是船舶駕駛?cè)藛T的決策能力較弱，無法將船舶實際狀況以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息相互結(jié)合進行綜合全面的分析。從船舶自身層面進行分析。由于船舶自身噸位、尺寸大小、實際操作性能以及內(nèi)河船舶實際航行速度等因素都會在不同程度上提高船舶在河流水域范圍內(nèi)與其它船舶之間發(fā)生碰撞事故的可能性[12]。從內(nèi)河船舶交通航行環(huán)境層面進行分析。環(huán)境層面主要分為兩類環(huán)境：首先是河流水域范圍內(nèi)的自然環(huán)境，自然環(huán)境的優(yōu)劣狀況會直接影響內(nèi)河船舶航行運輸?shù)陌踩禂?shù)，如若出現(xiàn)能見度較低、太陽光照較強等不良氣象就會直接影響船舶駕駛?cè)藛T的航行視線，從而導致船舶操縱出現(xiàn)偏離既定航線風險的升高，進而增大船舶相互之間發(fā)生碰撞事故的可能性；其次是河流水域范圍內(nèi)航行運輸?shù)慕煌ōh(huán)境，隨著內(nèi)河船舶航行運輸行業(yè)的不斷發(fā)展與擴張，當前河流水域范圍內(nèi)的航行運輸環(huán)境更加復雜多變[13]。船舶依照避碰策略進行緊急避讓的過程當中，船舶駕駛?cè)藛T還需要對實際的河流水域交通形態(tài)和趨勢進行分析，系統(tǒng)全面的考慮內(nèi)河航道當下的實際航行運輸環(huán)境。

3.雷達和GIS系統(tǒng)的應用

將雷達和GIS系統(tǒng)應用在內(nèi)河船舶防碰撞統(tǒng)籌與管理當中，選取合適研究的雷達設(shè)備，獲取精準的數(shù)據(jù)信息，選取性能較高的GIS系統(tǒng)對雷達所獲取的數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)全面的處理和分析，為內(nèi)河船舶防碰撞策略的制定提供更具科學性和精準性的數(shù)據(jù)保障和支撐。

3.1 雷達數(shù)據(jù)信息的解讀和分析

在進行雷達設(shè)備篩查和選擇的過程中，要選取符合國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）以及國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEO）既定標準的，還要選取微小目標物體勘察和探測性能較高，可以在惡劣航行運輸環(huán)境當中保持較高實用性能的雷達設(shè)備。依照雷達數(shù)據(jù)信息標準協(xié)議的數(shù)據(jù)信息格式進行解讀和分析。具體雷達數(shù)據(jù)信息標準格式如表1所示。通過表格數(shù)據(jù)信息進行分析，計算出船舶和目標物體之間的實際間距、方位角度以及相對速度。

表1 雷達數(shù)據(jù)信息標準格式

圖3 雷達數(shù)據(jù)信息判定和過濾的具體流程

3.2 雷達數(shù)據(jù)信息的處理和顯示

具體操縱過程當中，雷達設(shè)備實際的掃描周期通常較短，就會出現(xiàn)較短時間內(nèi)雷達設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)冗余現(xiàn)象，因此就需要對部分雷達設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)信息進行處理，保留具有實用價值的目標數(shù)據(jù)信息。在完成雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息解讀和分析之后，結(jié)合GIS系統(tǒng)的顯示應用功能，將實際的目標物體的具體位置信息顯示在地圖畫面當中，讓雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息更好的應用在內(nèi)河船舶防碰撞統(tǒng)籌管理工作實踐過程當中[14]。隨后再通過GIS系統(tǒng)對雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息進行過濾操作，用GIS系統(tǒng)算法對剩余雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息進行深度處理，最終保留最具實用性的目標點，并通過GIS系統(tǒng)著重標注顯示。

3.3 雷達數(shù)據(jù)信息的判定和過濾

將雷達設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)信息通過GIS系統(tǒng)呈現(xiàn)出來之后，對海量的障礙物數(shù)據(jù)信息進行判定和過濾。進行雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息過濾的主要思路就是將海量雷達設(shè)備數(shù)據(jù)信息當中與河道類似的靜態(tài)障礙物進行過濾、將與船舶處于同一緯度的數(shù)據(jù)信息進行過濾、對GIS系統(tǒng)地圖中不存在的數(shù)據(jù)信息進行過濾。雷達數(shù)據(jù)信息判定和過濾的具體流程如圖3所示。

4.結(jié)束語

綜上所述，本文首先對雷達和GIS系統(tǒng)進行了全面細致地了解與分析，能夠明確將雷達和GIS系統(tǒng)融合并應用到內(nèi)河船舶管理與船舶防碰撞的預警當中有著鮮明的優(yōu)勢。其次對內(nèi)河船舶碰撞事故的重要概念以及眾多因素等進行詳細的分析和明確。最后深入探索和研究雷達和GIS系統(tǒng)在內(nèi)河船舶防碰撞中的實際應用途徑。通過系統(tǒng)全面的研究可以明確將雷達和GIS系統(tǒng)融合應用到內(nèi)河船舶防碰撞當中，可以有效降低船舶在高密集度內(nèi)河水域之內(nèi)船舶碰撞交通事故的發(fā)生頻率，最大程度保障了船舶駕駛?cè)后w的生命健康和安全。