無線遙控系統應用于小型開體拋石船的設計

鄭欽佳

（中交四航局江門航通船業有限公司，江門 529145）

1 前言

在碼頭防波堤施工中，通常采用大噸位拋石船進行深水區域的拋石作業，采用小型開體拋石船進行淺水區域的拋石作業。目前的開體拋石船，配置駕駛員在船上進行操控，開體拋石過程具有一定的危險性，尤其是在大風浪區域中進行拋石作業，如果操作不當，有可能會出現開體駁傾翻，危險性極高。

安全生產是企業發展的紅線，為保證開體拋石船施工安全，我司自主開發研制了遙控開體拋石船，實現在岸端顯控臺遙控駕駛、船上無人化開體拋石施工。目前，無線遙控系統應用于開體拋石船進行開體拋石屬于一項創新技術，國內尚無應用案例，具有很大的市場需求。

2 船舶概述

某開體拋石船是一艘小型的具備遙控駕駛功能、用于運輸小型石頭、高精度定位的拋石船，采用去機艙化設計，整體艙室為浮體結構，動力系統采用單機單槳的尾甲板裝配式集成動力艙形式，如圖1 所示。

圖1 開體拋石船實拍外形圖

該船裝配式集成動力艙，包含：柴油機、蓄電池組、油箱、軸帶發電機、軸帶液壓泵站、閥組、控制箱、駕控臺等。其中，柴油機直接驅動推進器，軸帶液壓泵站控制舵槳回轉和開體油缸動作，蓄電池組和軸帶發電機提供船端用電。

船的主要參數：

總長19.80 m、型寬6.00 m、型深1.85 m；滿載吃水1.50 m；

設計空載航速7 kn；

裝載量50.00 m3；

最大開體寬度0.98 m；

遙控距離2 km。

3 無線遙控系統設計

該船的無線遙控系統設計，要求系統運行穩定、可靠、安全，通訊設備本身具備高質量，設備之間在配置上能良好的銜接和融合，無線傳輸導致的系統延時不能影響船舶的正常航行和施工作業，確保系統軟件運行穩定，并設置遙控安全保護機制。

3.1 系統組成

無線遙控系統，由船端通訊設備、無線網絡、岸端通訊設備三部分組成：在網絡配置上，獨立存在主鏈路和備用鏈路。主鏈路可同時進行數字傳輸、圖像傳輸和控制信號傳輸；備用鏈路可實現數字傳輸和控制信號傳輸。當主鏈路出現故障或被干擾出現異常時，系統會自動切換到備用鏈路工作，此時岸端可繼續操控并獲取船端狀態的數據信息。無線遙控系統示意圖，如圖2 所示。系統的設備供電電壓等級有三種：DC12 V、DC24 V、AC220 V。其中，攝像頭采用DC12 V 供電，智能主控、通信電臺和GPS 采用DC24 V，岸端顯控臺采用AC220 V 供電。

圖2 無線遙控系統示意圖

3.2 船端通訊設備

船端通訊設備，由智能主控、船端通信電臺、GPS、高清攝像頭組成。船端設備鏈接示意圖，如圖3所示。

圖3 船端設備鏈接示意圖

3.2.1 智能主控

智能主控連接船端通信電臺、GPS、高清攝像頭、PLC，預留了輔助駕駛、任務規劃等功能的相關軟硬件接口；智能主控通過船端通訊電臺接收岸端遙控指令，經串口下發控制指令到PLC；智能主控接收PLC、GPS上送的狀態報文和高清攝像頭的圖像，通過船端通訊電臺傳輸至岸端進行處理和顯示。

智能主控是一款定制化的智能航行控制模塊，具備標準化配置且包含軟硬件系統，包含船載航行控制系統和指揮航行控制系統，可實現無人船自主/遠程遙控航行、自動避障等功能。

智能主控的參數如下：鋁合金機箱；MCU&CPU：ROM-3310WS-MCA1E；RAM：512 MB；Nand Flash：4 GB；外部接口：10 路10/100/1 000 M，自適應網絡電接口M12-8，3 路RS232 串口，1 路RS422 串口；系統供電：DC24 V；指示燈：GPIO 指示燈；操作系統：Linux；防水性能：IP67； 重量：不大于5 kg；安裝方式：壁掛。

3.2.2 船端通信電臺

船端通信電臺，包含通信數據鏈接收機和通信天線：通信數據鏈接收機，通過RS232 串口線+網線連接智能主控，提供主/備兩路通信鏈路；主/備通信天線，采用1 組雙發雙收的主天線和1 組單發單收的備用天線。當主鏈路失效時，可自動切換至備份鏈路；當主鏈路和備份鏈路同時失效時，嘗試重連三次未恢復通信，自動進入預定安全模式，立刻執行柴油機怠速、離合器脫排、舵角歸零等操作，同時觸發失控信號燈進行聲光報警。

通信數據鏈接收機，是集視頻、數據、控制信號傳輸于一體，專門針對無人機、無人車以及無人船而研發的數據鏈設備，具備最大5 W 的發射功率，最遠覆蓋距離可達50 km。具體參數如下：傳輸距離：10～50 km；系統延時：≤40 ms；設備功耗：≤30 W；工作頻段：800 MHz、1.4 GHz；信道帶寬：5/10/20 MHz；調制方式：QPSK、16Q AM、64Q AM；發射功率：25～37 dbm；視頻接口：HDMI/SDI/LAN;視頻延時：≤200 ms；視頻數據接口：網口*1，串口*2（串口速率≤115.2 kbps）；供電/數據：J30J-21；視頻輸入：SMA-K/miniHDMI;天線接口：SMA-K*2。

3.2.3 GPS

GPS 采用P3-DU 北斗高精度定位測向接收機，采用雙天線進行定位測向解算，RTK 定位精度可達厘米級，測向精度最高可達 0.2°（1 m 基線）；GPS 接收機通過RS232 串口線與智能主控連接，可實時獲取經緯度坐標，精確判斷開體拋石船的位置、速度和航向信息，上傳到岸端通訊設備。

3.2.4 高清攝像頭

船端攝像頭采用海康威視400 萬高清攝像頭，支持POE 供電，180°廣角，室外防水型；采用2 個180°廣角攝像頭組合，實現360°全景監控；攝像頭通過網線連接智能主控，輸出實時航行視頻畫面，通過圖傳電臺傳輸到岸端通訊設備進行顯示。

3.2.5 PLC

智能主控通過RS422 串口線與開體拋石船S7-1200 控制器PLC 連接，可采集船端柴油機、發電機、推進系統、液壓系統等設備的重要指標參數，上傳到岸端通訊設備；同時可以接收岸端通訊設備的控制指令，下傳給PLC，實現柴油機操作、推進系統操控、拋石船開體操控。

3.3 無線網絡

無線數據鏈通訊設備，集視頻、數據、控制信號傳輸于一體。該設備具備最大10 W 的發射功率，具有主備兩條不同頻段的通信鏈路，三根天線工作，兩條通信鏈路，可以分別完成數傳+遠程控制和圖傳+遠程控制功能。當主鏈路受到干擾或者鏈路工作異常時，備份鏈路可以及時響應，確保無人船的控制正常；地對地覆蓋距離可達3～5 km，具體參數見表1。

表1 主備鏈路參數表

無線數據鏈還具備以下特點：

（1）采用先進的調制技術，具備優秀的抗干擾能力；

（2）傳輸兩路視頻信號（HDMI/SDI/LAN）和兩路串口數據；

（3）最高傳輸數率可達 25 Mbps；

（4）支持點對點、點對多點等組網模式；

（5）具有主備兩套鏈路。

3.4 岸端通訊設備

岸端通訊設備，由移動拉桿箱式顯控臺和岸端通信電臺組成（見圖2）。其中，移動拉桿箱式顯控臺，主要包含工控機、搖桿推桿控制器、兩臺顯示器等設備。

（1）工控機

采用嵌入式工控機、X86 架構處理器、i3-8145 U/8 G/6 4G，用于運行遙控系統軟件和視頻監控系統軟件；外接推桿和搖桿控制器、兩臺顯示器以及岸端通信電臺等設備。

（2）遙桿推桿控制器

遙桿推桿控制器通過串口線連接至工控機，通過搖桿推桿和按鈕，可實現遠程操控柴油機、推進系統、船舶開體。

其中，本地/遠程切換、發電機空開合閘/脫閘、急停、船舶開體/合體、合排/脫排、柴油機啟動/停止等功能的控制，由顯控臺上實體按鈕進行操作；前進/后退、加速/減速、舵槳機360°全回轉操作，由遙桿推桿進行操作。

（3）顯示器

配置了兩臺13.3 ft 的工業顯示器，通過VGA 線連接至工控機，顯示運行軟件界面進行遠程控船、遠程拋石和遠程監控船舶狀態。其中，一臺顯示器用于顯示航行及拋石控制顯控界面、基于海圖的航行狀態顯示及拋石操作界面，并設置報警彈框確認的安全保護措施，方便遙控人員了解當前系統狀態；另一臺顯示器用于顯示船端攝像頭的實時回傳圖像。

（4）岸端通信電臺

岸端通信電臺與船端通信電臺的組成配置和功能一樣，電臺通信示意圖，如圖4 所示。

圖4 電臺通信示意圖

4 應用效果

該開體拋石船應用于秘魯錢凱綜合港新一期碼頭圍堰拋石施工，無線遙控系統運行穩定可靠，總體應用效果良好：

（1）在浪高1 m 以下的海況遙控航行，船體穩性表現良好；

（2）自建網絡通訊穩定，滿足設計使用要求，實船遙控測試通訊距離大于6 km；

（3）岸端軟件界面顯示準確、無延時，內容包含：狀態欄的指令、報警、狀態等信息，地圖的顯示、坐標、方位、工具等信息；設置目標拋石位置坐標，地圖界面顯示拋石船與目標位置的偏差值并指引航行，系統記錄并顯示航行軌跡，偏差值作為定位拋石動作操作的依據；

（4）拋石船各機構的遙控動作執行和信息反饋，功能正常且無延時；

（5）拋石船遙控運輸石頭、遙控開合體拋石功能正常；

（6）船端攝像頭回傳的畫面效果清晰、流暢、穩定。

5 結束語

無線遙控系統首次應用于小型開體拋石船，系統的穩定性、可靠性和安全性整體達到預期效果，但功能和操作上還可以不斷的優化，也可以實現船隊集群管理，以更好的滿足工程船舶航行作業的舒適感和安全性。遙控工程船舶在完全自主工程船舶的發展階段起著促進作用，本文所述實例，可為智能船舶設計提供借鑒。