能見度不良條件下的船舶高精度智能靠泊技術(shù)應(yīng)用

陳亮

（大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026）

隨著世界航運經(jīng)濟的不斷推進，船舶逐漸向快速化、大型化發(fā)展。由于獲取船舶位置信息的定位精度低、船舶實時運動參數(shù)的延遲、對環(huán)境信息的掌握不充分，從而對船舶姿態(tài)的錯誤判斷導(dǎo)致船舶操縱失誤。因靠泊速度或靠攏角度過大、復(fù)雜靠泊環(huán)境因素等原因造成的船舶碰撞碼頭的事故時有發(fā)生，特別是能夠在能見度不良的情況下，對船舶靠泊期間的船舶操縱提出了更高的要求。

船舶靠離泊的傳統(tǒng)操作主要靠引航員和船長的船藝經(jīng)驗估計本船的靠泊角度、靠泊速度、離泊角度、與碼頭岸基距離等動態(tài)參數(shù)信息，由于水文氣象等外部因素影響容易引起較大的主觀偏差，隨著船舶大型化的發(fā)展，估算偏差給靠離泊作業(yè)帶來了較大的風(fēng)險影響[1]。在船舶科技的發(fā)展下，國內(nèi)外部分先進港口和船舶開始引進各種測速、測距裝置輔助船舶安全靠泊。從靠泊監(jiān)測設(shè)備的安裝位置不同主要可分為兩種：

（1）船載式。監(jiān)測裝置安放在船舶端，監(jiān)測設(shè)備根據(jù)其在船上位置，給出船舶特定位置的離岸距離。早期應(yīng)用在船上的靠泊系統(tǒng)主要是根據(jù)多普勒計程儀測速原理制成的多普勒聲納靠泊系統(tǒng)[2]，能為船舶提供靠泊過程中的前進和后退的速度，也可以提供船舶靠泊時船首和船尾的橫移速度和方位矢量，為提高船舶靠泊作業(yè)的安全提供了保障基礎(chǔ)，但是由于精度不高等原因使用范圍受到了限制。當(dāng)前，船載靠泊儀多采用衛(wèi)星定位技術(shù)作為系統(tǒng)信息來源，通過DGPS 技術(shù)實現(xiàn)輔助靠泊，采用實時動態(tài)差分法（RTK），可實現(xiàn)對船舶定位、轉(zhuǎn)向角、航行速度等參數(shù)的計算[3]。DGPS 技術(shù)需借助岸基提供的高精度定位信息進行差分解算，同時受限于GPS 的使用制約，雖然GPS 應(yīng)用市場較為成熟，但是從我國港口水域的航運經(jīng)濟安全角度出發(fā)，利用DGPS技術(shù)在船舶靠泊中進行深度開發(fā)研究存在安全隱患[4]。

（2）岸基式。即在碼頭岸基安裝監(jiān)測裝置，通過測量靠泊船舶與岸基之間的距離，推算船舶的靠泊姿態(tài)參數(shù)信息。目前已經(jīng)存在的岸基輔助靠泊設(shè)備有誕生于70 年代的聲納靠泊儀、80 年代應(yīng)用雷達技術(shù)的靠泊儀，后來激光靠泊儀、紅外靠泊儀及空氣聲波靠泊儀等又相繼面世。岸基輔助靠泊儀具有相同的工作原理：即通過安裝在碼頭前端的探頭采集信號回波，探測船與碼頭前沿的距離，從而得到各類數(shù)據(jù)，在一定程度上對靠泊船舶起到輔助作用，但是也都存在一些技術(shù)局限性影響其應(yīng)用前景，例如作用距離短、設(shè)備維護麻煩、受天氣因素影響大等缺點[5]。

船舶靠泊時大多安全靠泊成為港口管理部門、引航員和船長迫切關(guān)心的問題[6]，所以有必要針對在能見度不靈情況下的船舶靠離泊定位監(jiān)測技術(shù)，以獲得船舶高精度的定位信息，從而獲取靠泊速度、角度等信息來輔助船舶安全靠泊[7]。

在當(dāng)前復(fù)雜的國際發(fā)展形勢下，經(jīng)濟全球化和地緣政治間的矛盾不斷凸顯，我國在實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化強國進程中，航運經(jīng)濟的健康發(fā)展離不開航運安全、船舶安全的保障，迫切需要研究利用高精度定位技術(shù)，實現(xiàn)高精度、高可靠、高安全的基于北斗的船舶靠泊[8]，提升我國航運業(yè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航運保障技術(shù)能力，保障我國航運經(jīng)濟的健康發(fā)展。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概況

建立能見度不良條件下的高精度船舶靠泊系統(tǒng)，首先需要在岸基建立北斗地面參考站和岸基相控陣?yán)走_，通過獲取已知位置點定位信息，將接收的相位資料以及改正數(shù)據(jù)通過北斗地面參考站的數(shù)據(jù)通信鏈路傳送給船載端，同時將碼頭附近水域的實時雷達掃測信息數(shù)據(jù)通信鏈路傳送給船載端，以此為船舶在高精度靠離泊作業(yè)中提供數(shù)據(jù)信息。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立高精度的船舶靠泊系統(tǒng)，需要在岸基建立北斗地面參考站和岸基相控陣?yán)走_，通過獲取已知位置點定位信息，將接收的相位資料以及改正數(shù)據(jù)通過北斗地面參考站的數(shù)據(jù)通信鏈路傳送給船載端，同時將碼頭附近水域的實時水文氣象信息也通過數(shù)據(jù)通信鏈路傳送給船載端。根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)特性，在船載端布設(shè)北斗接收天線進行同步觀測，根據(jù)差分計算結(jié)果，結(jié)合船舶自身導(dǎo)航設(shè)備如雷達、AIS、羅經(jīng)等設(shè)備信息，綜合實時水文氣象信息，建立船舶運動姿態(tài)和參數(shù)模型，以此掌握船舶靠泊期間的高精度位置信息和姿態(tài)信息，輔助船長或引航員實施船舶靠泊，提高船舶靠泊的安全及效率。利用移動信息化技術(shù)，將船舶靠泊期間的高精度位置信息和姿態(tài)信息以APP 形式實時顯示在移動端設(shè)備如智能手機、手持pad、智能手表等設(shè)備上，提高船長及引航員的操作便捷性。整體系統(tǒng)實施方案如下圖。

圖1 智能靠泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 高精度AIS 虛擬航標(biāo)基站

圖3 靠泊水域環(huán)境監(jiān)測

2 系統(tǒng)功能與應(yīng)用

2.1 船載北斗衛(wèi)星觀測點的布設(shè)

實現(xiàn)高精度的定位信息獲取，需要在船載端建設(shè)兩個及以上的北斗衛(wèi)星觀測點，通過不同觀測點之間的位置，建立位置信息解算模型，觀測點的布設(shè)需要結(jié)合船型及碼頭尺度結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合船舶已有的導(dǎo)航設(shè)備進行系統(tǒng)性優(yōu)化，提高船載端高精度定位信息的獲取效率，有效提高位置信息的解算精度。

2.2 高精度AIS 虛擬航標(biāo)基站

通過布設(shè)高精度AIS 虛擬航標(biāo)基站，利用高精度的船舶定位信息，結(jié)合碼頭附近水域的實時水文氣象信息、北斗/GPS 高精度碼頭CORS 站數(shù)據(jù)和相控陣?yán)走_的掃測數(shù)據(jù)，通過虛擬AIS 航標(biāo)的形式播發(fā)給當(dāng)前水域船舶，以此提高該在能見度不良的條件下靠離泊所需要的航行環(huán)境信息，實現(xiàn)船舶在靠泊期間獲得所需要的高精度船艏及船尾位置，根據(jù)船速和水文氣象信息，推算船舶運動姿態(tài)和狀態(tài)，為船舶靠泊提供高精度的靠泊信息參考。

2.3 靠泊水域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

在靠離泊水域建立水域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，船舶在接收到通過高精度AIS 虛擬航標(biāo)基站播發(fā)的岸基相控陣?yán)走_掃側(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將結(jié)合船舶自身的導(dǎo)航設(shè)備信息，進行多源數(shù)據(jù)融合，以當(dāng)前本船為中心視角，提供船舶周邊水域環(huán)境的航行動態(tài)信息，以此保障船舶在能見度不良環(huán)境下的港區(qū)安全航行和靠離泊作業(yè)。

船載端所獲取的各項高精度靠泊信息，需要通過岸端的相關(guān)設(shè)備將采集和解算的信息發(fā)送至船端，結(jié)合移動端的設(shè)備信息需求，將船載端的移動式、可穿戴式設(shè)備的通信集成到靠泊輔助信息數(shù)據(jù)通信鏈路中，實現(xiàn)跨平臺多區(qū)域的數(shù)據(jù)通信鏈路。

2.4 智能靠泊技術(shù)在便攜性移動端的應(yīng)用

船舶靠泊期間，需要船長及引航員更多地關(guān)注船舶的靠泊方向舷側(cè)實際動態(tài)信息，移動式終端和可穿戴式終端可解決船長及引航員在靠泊過程中既能實時掌握船舶靠泊信息數(shù)據(jù)，又能提供很好的便捷性。基于實操需求和環(huán)境需求條件下，智能靠泊技術(shù)可以在便攜性移動端進行實現(xiàn)，能夠有效提高船長及引航員靠泊期間的操縱效率，提高船舶靠泊的安全性和效率性。

3 結(jié)論

在船舶快速化、大型化發(fā)展過程中，由于缺少有效的技術(shù)手段，存在獲取船舶位置信息的定位精度低、船舶實時運動參數(shù)的延遲、對環(huán)境信息的掌握不充分等現(xiàn)狀，從而對船舶姿態(tài)的錯誤判斷導(dǎo)致船舶在靠離泊過程中的操縱失誤，特別是在能見度不良條件下，給船舶靠離泊作業(yè)帶來較大安全風(fēng)險。本文提出的在能見度不良條件下的船舶高精度智能靠泊技術(shù)，能夠有滿足對傳統(tǒng)靠離泊作業(yè)中對高精度靠泊動態(tài)數(shù)據(jù)的需求，提高船舶靠泊的安全性和效率性。