基于DDS 協(xié)議的離岸船舶實(shí)時(shí)定位方法

張罡

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050)

0 引言

離岸船舶安全航行的前提之一是依據(jù)自身的實(shí)時(shí)位置，制定路徑規(guī)劃方案，并在航行過程中，依據(jù)實(shí)時(shí)位置、航行速度等信息，持續(xù)調(diào)整航行偏差，確保船舶安全抵達(dá)目的地[1?3]。

張嘯塵等[4]利用YOLOv3 算法提取船舶特征，通過SURF 算法匹配提取的特征，實(shí)現(xiàn)船舶的測(cè)距和定位。楊浩琪等[5]在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，引入注意力機(jī)制，提升特征提取精度，通過難樣本重學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)策略，抑制特征圖像的背景干擾，依據(jù)背景抑制后的特征，得到船舶定位結(jié)果。但是，上述2 種方法均需要利用相機(jī)采集離岸船舶航行圖像，在采集圖像過程中，存在初始校準(zhǔn)時(shí)間長的缺陷，導(dǎo)致定位方法無法滿足離岸船舶的實(shí)時(shí)性需求，且易受外界環(huán)境影響，導(dǎo)致離岸船舶航行圖像采集精度下降，從而影響定位效果。

DDS 協(xié)議屬于一個(gè)發(fā)布/訂閱模型的通用數(shù)據(jù)分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，具備較優(yōu)的實(shí)時(shí)性與高效性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[6?7]。在位置定位領(lǐng)域中，應(yīng)用DDS 協(xié)議可快速、可靠、實(shí)時(shí)地傳輸定位信息。為此，研究基于DDS協(xié)議的離岸船舶實(shí)時(shí)定位方法。

1 離岸船舶實(shí)時(shí)定位方法設(shè)計(jì)

在離岸船舶上安裝移動(dòng)閱讀器，航道兩側(cè)安裝固定標(biāo)簽，航道兩側(cè)的固定標(biāo)簽位置已知。當(dāng)固定標(biāo)簽位于離岸船舶的移動(dòng)閱讀器范圍內(nèi)時(shí)，移動(dòng)閱讀器以無線射頻的方式，傳輸該范圍內(nèi)固定標(biāo)簽信息至移動(dòng)閱讀器內(nèi)。移動(dòng)閱讀器利用改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法，結(jié)合移動(dòng)閱讀器接收固定標(biāo)簽信息的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）值，計(jì)算移動(dòng)閱讀器的位置信息，即離岸船舶的位置信息。

通過DDS 協(xié)議信息分發(fā)單元，傳輸離岸船舶位置信息至后臺(tái)服務(wù)器。DDS 協(xié)議信息分發(fā)單元中信息發(fā)布者為移動(dòng)閱讀器。移動(dòng)閱讀器通過啟動(dòng)分發(fā)服務(wù)，結(jié)合DDS 接口完成數(shù)據(jù)分發(fā)，將離岸船舶的實(shí)時(shí)位置信息，傳輸至全局?jǐn)?shù)據(jù)空間內(nèi)。

全局?jǐn)?shù)據(jù)空間負(fù)責(zé)登記移動(dòng)閱讀器與服務(wù)器全部信息，還負(fù)責(zé)緩存移動(dòng)閱讀器發(fā)布的離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息，確保服務(wù)器能夠精準(zhǔn)查詢到需要的信息。全局?jǐn)?shù)據(jù)空間會(huì)按照位置信息的有效期，動(dòng)態(tài)刪除或調(diào)整信息，形成一個(gè)信息緩沖隊(duì)列。信息緩沖隊(duì)列的作用是緩沖服務(wù)器已訂閱卻沒有及時(shí)接收的離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息。全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中分發(fā)代理負(fù)責(zé)控制分發(fā)服務(wù)中的傳輸過程、QoS 與優(yōu)先級(jí)，確保離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息，發(fā)送至指定服務(wù)器內(nèi)。信息分發(fā)管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)根據(jù)服務(wù)器的訂閱請(qǐng)求，以及移動(dòng)閱讀器的發(fā)布請(qǐng)求，管理各節(jié)點(diǎn)的信息分發(fā)路徑，提升離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息傳輸?shù)陌踩煽啃浴?/p>

服務(wù)器為信息訂閱者。服務(wù)器通過調(diào)用DDS 接口對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)空間存儲(chǔ)的離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息，進(jìn)行訂閱或退訂[8]，利用顯示器呈現(xiàn)訂閱的離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)現(xiàn)離岸船舶實(shí)時(shí)定位。

基于DDS 協(xié)議的離岸船舶實(shí)時(shí)定位方法的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture

1.1 基于DDS 協(xié)議的船舶位置信息傳輸過程

DDS 協(xié)議中，移動(dòng)閱讀器為信息發(fā)布者，用于發(fā)布離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息，服務(wù)器為訂閱者，用于查詢離岸船舶的實(shí)時(shí)位置信息。利用DDS 協(xié)議傳輸離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息的流程如圖2 所示。

圖2 離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息傳輸流程Fig.2 Real-time location information transmission process of offshore ships

位置信息發(fā)布過程：移動(dòng)閱讀器在發(fā)布離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息時(shí)，會(huì)構(gòu)造一個(gè)信息寫入者，寫入者將要發(fā)布的實(shí)時(shí)位置信息主題以及服務(wù)質(zhì)量，發(fā)布至發(fā)布者數(shù)據(jù)空間的信息緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)布成功后，寫入者進(jìn)入阻塞等待狀態(tài)，其余各移動(dòng)閱讀器陸續(xù)在發(fā)布信息緩沖區(qū)內(nèi)添加發(fā)布記錄。

位置信息訂閱過程：在服務(wù)器要訂閱某主題的離岸船舶實(shí)時(shí)位置信息時(shí)，移動(dòng)閱讀器需構(gòu)造一個(gè)信息讀取者。讀取者會(huì)先在發(fā)布信息緩沖區(qū)內(nèi)尋找匹配的發(fā)布者，再傳輸主題與服務(wù)質(zhì)量信息至發(fā)布者數(shù)據(jù)空間內(nèi)，然后進(jìn)入阻塞狀態(tài)等待實(shí)時(shí)位置信息讀取過程中被激活。最后，讀取者被激活后，移動(dòng)閱讀器會(huì)接收讀取者訂閱的實(shí)時(shí)位置信息。

1.2 離岸船舶實(shí)時(shí)定位的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)閱讀器利用改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法，根據(jù)移動(dòng)閱讀器與固定標(biāo)簽間的RSSI 值，計(jì)算移動(dòng)閱讀器的實(shí)時(shí)位置，即離岸船舶實(shí)時(shí)位置。

移動(dòng)閱讀器位置坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：為固定標(biāo)簽A，B，C至移動(dòng)閱讀器間的距離lA，lB，lC；(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)為A，B，C的坐標(biāo)；(x,y)為移動(dòng)閱讀器的坐標(biāo)。

令移動(dòng)閱讀器接收第A個(gè)固定標(biāo)簽ZA的RSSI 均值為RS S IA，來自ZA的信號(hào)強(qiáng)度均值為PA，則

ZA接收來自固定標(biāo)簽ZB的RSSI 均值是RS S IAB；信號(hào)強(qiáng)度均值為PAB。公式如下：

令固定標(biāo)簽ZA和ZB間的距離是lAB，以ZA和ZB為參考，計(jì)算ZA和移動(dòng)閱讀器間的距離lA，公式如下：

同理獲取lB，lC的計(jì)算結(jié)果，并將lA，lB，lC代入式（1）和式（2）中獲取移動(dòng)閱讀器的坐標(biāo)，即離岸船舶實(shí)時(shí)位置。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以民用船舶為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，類型主要包括商船、漁船與工程作業(yè)船，3 種類型船舶的具體參數(shù)如表1所示。

表1 船舶的具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of ships

隨機(jī)選擇15 艘離岸船舶，利用本文方法對(duì)這15 艘離岸船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，離岸船舶運(yùn)行120 min后的實(shí)時(shí)定位結(jié)果如圖3 所示。

圖3 離岸船舶實(shí)時(shí)定位結(jié)果Fig.3 Real-time location results of offshore ships

可知，當(dāng)離岸船舶航行120 min 后，本文方法可以有效實(shí)時(shí)定位離岸船舶位置，且定位結(jié)果與實(shí)際位置非常接近。上述實(shí)驗(yàn)證明，本文方法可精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位離岸船舶。

以其中1 艘離岸船舶為例，利用本文方法對(duì)該艘離岸船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并根據(jù)實(shí)時(shí)定位結(jié)果生成離岸船舶航行軌跡，分析本文方法的實(shí)時(shí)定位效果，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 本文方法的實(shí)時(shí)定位效果Fig.4 Real-time positioning effect of the proposed method

可知，本文方法可有效定位不同時(shí)刻離岸船舶的位置，根據(jù)本文方法定位生成的實(shí)際航行路徑，與規(guī)劃的航行路徑非常接近，說明本文方法的實(shí)時(shí)定位結(jié)果精度較高。

分析本文方法在不同信息量時(shí)的信息分發(fā)效果，通過信息分發(fā)丟包率衡量本文方法的信息分發(fā)效果，信息分發(fā)丟包率越低，說明信息分發(fā)效果越佳，信息分發(fā)丟包率閾值為20%。信息分發(fā)丟包率分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 信息分發(fā)丟包率分析結(jié)果Fig.5 Analysis result of packet loss rate of information distribution

可知，隨著信息量的增加，本文方法的信息分發(fā)丟包率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)信息量達(dá)到14 GB 時(shí)，信息分發(fā)丟包率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在16%左右，并未超過設(shè)置閾值，說明不同信息量時(shí)，本文方法的信息分發(fā)效果較優(yōu)。

3 結(jié)語

離岸船舶定位精度，直接影響離岸船舶的航行安全。為此，依據(jù)DDS 協(xié)議的高效性，研究基于DDS協(xié)議的離岸船舶實(shí)時(shí)定位方法，精準(zhǔn)定位離岸船舶位置，并滿足船舶定位的實(shí)時(shí)性需求。應(yīng)用本文方法可幫助船舶管理岸上總站，實(shí)時(shí)了解各離岸船舶的實(shí)時(shí)位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)離岸船舶潛在的碰撞危險(xiǎn)，并加以糾正，提升離岸船舶航行安全性。