基于新航海技術(shù)的船舶避碰自動(dòng)化功能與應(yīng)用探析

陳栢照 交通運(yùn)輸部南海救助局

隨著我國(guó)航海貿(mào)易事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，船舶運(yùn)行安全問題愈發(fā)受到人們重視。倘若在海上航行期間出現(xiàn)碰撞、擱淺等情況，輕則因船體受損導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，重則對(duì)船員人身安全產(chǎn)生威脅。為避免因人員操作不當(dāng)增大船舶出現(xiàn)碰撞問題的概率，需重視對(duì)新航海技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合對(duì)避碰自動(dòng)化功能增設(shè)來(lái)提升船舶航行可靠性、安全性，并為我國(guó)航海貿(mào)易事業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展提供保障。

1.航海自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)階段船舶航行控制朝著自動(dòng)化、智能化的方向持續(xù)邁進(jìn)，得益于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有效構(gòu)建與應(yīng)用，可在有效規(guī)避人為操作失誤的同時(shí)，進(jìn)一步提升船舶控制的便捷性與效率性。結(jié)合對(duì)船舶控制要求的分析，可將航海自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為航向控制、避碰撞系統(tǒng)、最佳航線設(shè)計(jì)、航行綜合管理等模塊。其中最佳航線設(shè)計(jì)功能的增設(shè)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行期間依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行最佳航線的設(shè)計(jì)，對(duì)船舶航行線路進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合其船舶各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行航線的綜合規(guī)劃，進(jìn)而在提升船舶航行效率的同時(shí)，可保證航海安全性不受航線的影響[1]。在實(shí)際船舶控制過(guò)程中，其系統(tǒng)可依據(jù)對(duì)風(fēng)向、船位、航程、船速等方面數(shù)據(jù)的分析來(lái)優(yōu)化航行控制，并依托于自動(dòng)化系統(tǒng)做到對(duì)船舶行駛的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控與管理。同時(shí)，得益于自動(dòng)操舵轉(zhuǎn)向功能的應(yīng)用，可通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的分析，既有船舶定位信息的獲取來(lái)確定行駛方向，以最佳行駛路線為基準(zhǔn)對(duì)船舵進(jìn)行自動(dòng)化控制，以避免在航行期間出現(xiàn)航線偏離的情況。對(duì)于避碰自動(dòng)化模塊的設(shè)置，可做到對(duì)船舶實(shí)時(shí)航行位置、速度、環(huán)境信息的獲取，并依托于系統(tǒng)對(duì)擱淺、觸礁、碰撞等問題進(jìn)行綜合型計(jì)算分析，依據(jù)其分析結(jié)果來(lái)擬定相應(yīng)處理對(duì)策[2]。另外，航海自動(dòng)化系統(tǒng)可支持對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行排查與監(jiān)控，并聯(lián)動(dòng)安保系統(tǒng)制定契合航行安全需求的航行方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)問題的有效規(guī)避，為船舶營(yíng)造更為安全、可靠的運(yùn)行環(huán)境。另外，可將航海自動(dòng)化系統(tǒng)與船舶中央控制中心進(jìn)行連接，相關(guān)操作人員可通過(guò)對(duì)航海行駛相關(guān)信息的獲取為系統(tǒng)決策的優(yōu)化制定提供參考，進(jìn)而為船舶的安全行駛、高效操控提供保障。

2.船舶避碰自動(dòng)化現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 避碰自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀

得益于科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促使船舶駕駛朝著自動(dòng)化、集成化的方向持續(xù)發(fā)展，基于對(duì)自動(dòng)化集成駕駛臺(tái)的應(yīng)用，可促進(jìn)船舶運(yùn)行管理能力的顯著提升[3]。同時(shí)，在航向、航線相關(guān)數(shù)據(jù)錄入的前提下，可在運(yùn)行階段對(duì)水深、子午測(cè)試的自動(dòng)執(zhí)行，并保證其相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取符合標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)所需數(shù)據(jù)的整合處理，為船舶航行路線的科學(xué)制定提供參考[4]。在具體運(yùn)行過(guò)程中，雷達(dá)繪圖系統(tǒng)可針對(duì)逆行船情況自動(dòng)開啟，并按照相關(guān)指令對(duì)逆行船相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、掃描，結(jié)合對(duì)航行動(dòng)態(tài)的分析來(lái)確定避碰決策，通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的提前規(guī)避來(lái)提升船舶航行安全性。依托于避碰系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)處理，可基于對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)、信息的采集對(duì)船舶涉及危險(xiǎn)進(jìn)行概率計(jì)算，以及時(shí)預(yù)警的方式來(lái)規(guī)避碰撞。若預(yù)警發(fā)出后駕駛?cè)藛T并未加以重視，系統(tǒng)會(huì)在繼續(xù)航行期間發(fā)出強(qiáng)烈預(yù)警，提高駕駛?cè)藛T對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避。通常情況下，避碰系統(tǒng)可連接顯示屏對(duì)航行相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行直觀化展示，并具備檢索查詢功能，幫助駕駛?cè)藛T在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索所需信息。以避碰自動(dòng)化模式的應(yīng)用為前提，可做到對(duì)船舶航線進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃。但注意，若船舶航行處于密閉水域環(huán)境，意味著避碰自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法做到對(duì)所有風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避。在此形勢(shì)下，駕駛?cè)藛T在察覺風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)需及時(shí)人工介入，以降低船舶出現(xiàn)碰撞問題的概率。

2.2 避碰自動(dòng)化應(yīng)用問題

得益于通信技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)等在我國(guó)船舶駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用，促使船舶避碰方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，但在些許因素的影響下，仍存在些許問題影響到避碰自動(dòng)化功能的應(yīng)用，具體表現(xiàn)為：以水域有限為前提，仍存在自動(dòng)避碰決策制定方面的問題，同時(shí)船舶對(duì)水下物體的檢測(cè)精準(zhǔn)性、全面性仍有待提升?？v觀以往船舶航行，其中導(dǎo)航雷達(dá)作為水下物體檢測(cè)的主要手段，但因?qū)Ш嚼走_(dá)技術(shù)的限制，使得船舶避碰系統(tǒng)仍無(wú)法保證物體信息的精準(zhǔn)檢測(cè)[5]。鑒于此，需重視對(duì)避碰系統(tǒng)信息檢測(cè)的深入研究，在加大成本投入力度的前提下，積極借助先進(jìn)技術(shù)來(lái)解決以往導(dǎo)航雷達(dá)無(wú)法精準(zhǔn)檢測(cè)的問題，進(jìn)而為避碰自動(dòng)化功能的有效應(yīng)用提供技術(shù)支撐[6]。

3.新航海技術(shù)在船舶避碰自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.1 AIS的作用

隨著船舶航行安全性研究的愈發(fā)深入，其中陸岸與船舶、船舶與船舶間的信息交換的重要作用逐漸凸顯，而為有效解決以往通信導(dǎo)航存在的局限性問題，AIS技術(shù)應(yīng)勢(shì)而生，并為船舶避碰自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)打下良好基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，AIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為信息量大、目標(biāo)顯示、抗天氣干擾等，作為支撐船舶避碰自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)的傳感器之一，能夠?yàn)槠錄Q策的制定提供更多信息，并作為信息源來(lái)促進(jìn)船舶雷達(dá)信息的高效獲取[7]。同時(shí)，運(yùn)行期間可借助AIS技術(shù)對(duì)目標(biāo)船以短信的方式進(jìn)行意圖傳輸，并做到對(duì)本船相關(guān)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行同步發(fā)送，具體涉及到避讓時(shí)機(jī)、恢復(fù)時(shí)機(jī)、避讓幅度等。所以，通過(guò)對(duì)AIS系統(tǒng)的合理安設(shè)，可幫助船舶進(jìn)行操船意圖的識(shí)別與接收，并以此為基準(zhǔn)制定最佳調(diào)配方案，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞情況的有效規(guī)避。分析船舶避碰自動(dòng)化中AIS的具體應(yīng)用，具體表現(xiàn)為：

（1）A IS關(guān)鍵技術(shù)。通常情況下，AIS系統(tǒng)構(gòu)成涉及到通信、信息處理、信號(hào)差采集、顯示等模塊。其中通信模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)船舶信息的高效轉(zhuǎn)發(fā)與接收，以VHF 數(shù)字通信模式為主[8]。信息采集模塊的設(shè)置，主要是按指令規(guī)定進(jìn)行接收信息的解碼、轉(zhuǎn)換處理，將采集處理后的信息作為航向調(diào)整的主要參考。信息處理模塊涉及到對(duì)嵌入式微處理器應(yīng)用，相關(guān)人員可借助處理模塊進(jìn)行信息發(fā)送處理，并以顯示屏為載體進(jìn)行發(fā)送、接收信息的直觀呈現(xiàn)。

（2）避碰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。船舶避碰自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)受到避碰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接影響，結(jié)合對(duì)船舶控制要求的分析，可依托于FPGA與DSP進(jìn)行避碰系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，融合DSP來(lái)設(shè)計(jì)避碰系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)接收、避碰算法的接收，將FPGA融入到避碰系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可依托于I/O功能對(duì)串行口與輸出接口進(jìn)行有效連接，結(jié)合對(duì)ADC數(shù)據(jù)采集緩存的應(yīng)用，可做到在運(yùn)行期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的共同完成，以更為簡(jiǎn)化的算法進(jìn)行船舶避碰計(jì)算。要想最大化發(fā)揮出避碰自動(dòng)化功能，需在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)囊括AIS信息模塊、鍵盤LED模塊、存儲(chǔ)器拓展模塊、A/D模塊、LCD模塊、D/A模塊等[9]。以FPGA與DSP為基礎(chǔ)進(jìn)行避碰系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可保證在運(yùn)行階段系統(tǒng)各模塊之間保持穩(wěn)定、和諧運(yùn)行狀態(tài)。

（3）主要模塊設(shè)計(jì)?；趯?duì)避碰系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)AIS系統(tǒng)進(jìn)行避碰參數(shù)、信號(hào)接收等功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用C5402型號(hào)CPU，可支持避碰系統(tǒng)在不同模式下均可保持高效運(yùn)行狀態(tài)。以電平模式為例，若避碰系統(tǒng)在運(yùn)行期間呈現(xiàn)出高電平狀態(tài)，可以微處理形式為基準(zhǔn)進(jìn)行DSP系統(tǒng)處理，以期在使用過(guò)程中對(duì)AIS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收與獲取，確保系統(tǒng)運(yùn)行符合穩(wěn)定性要求。倘若系統(tǒng)以低電平狀態(tài)為基準(zhǔn)，可讓DSP系統(tǒng)保持微計(jì)算機(jī)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行，以期在航行階段做到對(duì)避碰數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計(jì)算，確保避碰功能得以充分體現(xiàn)[10]。

在避碰系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要模塊包括FPGA接口設(shè)計(jì)、AIS信息采集、DSP設(shè)計(jì)等。對(duì)于AIS信息采集模塊設(shè)計(jì)，需在設(shè)計(jì)期間做到對(duì)應(yīng)用程序流程圖的嚴(yán)格遵循，其具體設(shè)計(jì)流程需包括系統(tǒng)初始化、6位二進(jìn)制碼、bit分配、數(shù)據(jù)計(jì)算與顯示等。

作為船舶避碰自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)的重要前提，在船舶航行過(guò)程中可以AIS為載體進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的交換處理，進(jìn)而為航行線路的熱度分析提供參考，結(jié)合對(duì)航向規(guī)劃、周邊天氣等方面的分析，制定契合實(shí)際避碰要求的航行控制對(duì)策。相較于傳統(tǒng)避碰模式的應(yīng)用，基于AIS技術(shù)的避碰自動(dòng)化能夠避免因人員主觀判斷失誤出現(xiàn)影響到船舶安全性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信息混亂情況的有效解決。另外，考慮到仍有部分船舶尚未做到對(duì)AIS系統(tǒng)的有效安裝，在面對(duì)船舶碰撞問題時(shí)仍以雷達(dá)信息采集為主，使得船舶間信息交互無(wú)法以AIS系統(tǒng)為載體，進(jìn)而對(duì)決策信息的全面性產(chǎn)生影響。鑒于此，需在設(shè)計(jì)AIS模塊時(shí)考慮到對(duì)信息源的動(dòng)態(tài)修正，以期在船舶信息互動(dòng)期間可將AIS作為載體，進(jìn)而發(fā)揮出船舶避碰功能應(yīng)有的效用。

3.2 海圖信息數(shù)字化的作用

在現(xiàn)階段船舶航行過(guò)程中，海圖信息數(shù)字化在避碰系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，可促進(jìn)船舶避碰能力的顯著提升，突破以往避碰系統(tǒng)存在的限制，實(shí)現(xiàn)將船舶碰撞事故控制在預(yù)期范圍內(nèi)。同時(shí)，在避碰自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，海圖信息化技術(shù)可發(fā)揮以下作用：一是對(duì)船舶的相關(guān)靜態(tài)信息進(jìn)行全面、快速獲取，二是做到對(duì)動(dòng)態(tài)避碰信息與靜態(tài)信息的有機(jī)融合，通過(guò)對(duì)避碰系統(tǒng)信息處理能力的提升，為船舶的安全航行提供支撐。另外，在實(shí)際使用過(guò)程中，海圖信息數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)成包括電子顯示、聲吶探測(cè)、信息處理系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)各子模塊系統(tǒng)的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶避碰信息采集范圍的拓廣。而要想最大化體現(xiàn)出海圖信息數(shù)字化的作用，可依據(jù)避碰自動(dòng)化需求的分析進(jìn)行ECDIS模塊設(shè)置，以此為船舶避碰決策的制定提供基礎(chǔ)，并結(jié)合對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)交互平臺(tái)的構(gòu)建來(lái)促進(jìn)避碰功能充分發(fā)揮。

3.3 監(jiān)測(cè)報(bào)警

要想發(fā)揮出避碰自動(dòng)化系統(tǒng)的功能與作用，可以局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)進(jìn)行信號(hào)采集，結(jié)合對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的有效建構(gòu)來(lái)達(dá)到有效預(yù)警的目的。依據(jù)對(duì)避碰系統(tǒng)運(yùn)行要求的分析，將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為管理基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶碰撞信息的全面采集與快速響應(yīng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，控制室大屏幕會(huì)直觀顯示測(cè)量、掃描參數(shù)，其中某個(gè)檢測(cè)數(shù)值倘若出現(xiàn)低于或高于閾值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，且大屏幕會(huì)自主進(jìn)行測(cè)量數(shù)值的實(shí)時(shí)更新。同時(shí)，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鬟\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，倘若在使用期間出現(xiàn)傳感器故障、異常，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警并精準(zhǔn)定位故障位置，以幫助維護(hù)人員第一時(shí)間解決問題。另外，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行階段大屏幕可做到對(duì)整體監(jiān)控界面的顯示，若管理人員需對(duì)巡回測(cè)量參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行查看，可點(diǎn)擊參數(shù)要點(diǎn)測(cè)點(diǎn)表格，通過(guò)對(duì)功能按鍵的打開來(lái)彈出對(duì)話框。在測(cè)量值超出閾值的前提下，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)形成聲光警報(bào)，管理人員在掌握情況后可點(diǎn)擊“靜音”來(lái)消除警報(bào)，且系統(tǒng)具備船舶測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤的功能。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，避碰自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，不僅是提升船舶安全、高效行駛的技術(shù)支撐，亦是助力我國(guó)航海貿(mào)易事業(yè)有效發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。鑒于此，要想在船舶行駛過(guò)程中充分發(fā)揮避碰自動(dòng)化功能，需在明確船舶安全管理要求的前提下，立足航海技術(shù)創(chuàng)新視角，借助新航海技術(shù)來(lái)促進(jìn)避碰系統(tǒng)的革新與升級(jí)，以自動(dòng)化的方式來(lái)提升船舶避碰有效性，在促進(jìn)船舶避碰自動(dòng)化、智能化發(fā)展的同時(shí)，為船舶可靠、安全航行提供保障。