基于人機交互技術的船舶實時導航系統

張龍龍，袁靜雯，金喆洙

(韓國國立釜慶大學 海洋融合設計工學學科 設計工學，韓國 釜山 48513)

0 引 言

船舶是通過導航系統進行任務執行以及實時航行路線的確定[1]。船舶導航系統提供船舶位置、航向、航速、水平以及方位基準等相關數據，主要由導航系統、定位設備等多個部分組成[2]，通過各個部分之間的協作和運行，實現船舶的航行計劃。由于海上環境多變且復雜程度較高[3]，海上船舶數量較多，對船舶實時導航效果造成一定影響，導致其航行情況發生不同程度的偏差[4]，導航結果的可視化效果不理想。此外，海上交通管理水平不斷提升，對于智慧導航的需求也不斷提升。羅春艷等[5]為實現船舶自主導航，以水面環境信息為基礎，以獲取最優路徑為核心，完成船舶航行導航路徑規劃。該方法在應用過程中，能夠精準完成導航路徑的規劃，但是無法實現導航結果的可視化交互。張莉等[6]為實現船舶精準導航，通過仿真模型對船舶的航行位姿和位置進行仿真模擬，實現導航系統的建模，保證船舶導航的可靠性。但是該系統在應用過程中，對于海量導航信息的處理效率較低。

人機交互技術是以計算機等輸入和輸出設備為依據，完成計算機和人之間的交互，該交互結果可以是二維圖形交互或者三維圖形交互等，并且該交互結果具有較好的視覺渲染效果，可全面呈現交互內容[7]。本文結合船舶導航存在的問題以及實時導航的需求，設計基于人機交互技術的船舶實時導航系統。

1 船舶實時導航系統

1.1 系統總體架構

為實現船舶智慧實時導航，降低環境或者天氣等因素對于導航效果的影響，并全面、可靠呈現船舶導航結果，設計基于人機交互技術的船舶實時導航系統，通過該系統完成船舶智慧導航，并生成海上地圖，呈現導航結果。系統整體分為3 個模塊，分別為信息集成模塊、導航管理模塊以及人機交互模塊。信息集成模塊依據衛星、GPS 接收器、傳感器以及紙質海圖導入等，獲取船舶的實時航行狀態以及海圖信息等，通過工業控制總線PC104 的嵌入式計算機完成上述信息的綜合處理后，經由網絡接口將信息傳送至導航管理模塊中。該模塊主要依據GPS 和捷聯慣導系統(SINS)系統完成船舶智慧導航，并且可完成船舶航行相關信息的查詢；查詢結果通過人機交互模塊進行可視化交互。人機交互模塊主要通過Web 構建交互模塊，并且進行交互結果的渲染。此外，該模塊在進行人機交互時，可控制可視化的視圖角度，通過色彩顯示屏呈現交互可視化結果。系統的整體架構如圖1 所示。

圖1 基于人機交互技術的船舶實時導航系統架構Fig. 1 Architecture of a real-time navigation system for ships based on human-computer interaction technology

信息集成模塊：主要以PC104 的嵌入式計算機為核心支撐，包含衛星、GPS 接收器、多源傳感器，紙質海圖、PC104 總線協議以及可擴展無線網卡等部分，主要作用是獲取船舶航行的相關信息，并實現信息的集成。通過協議總線將信息傳送至導航管理模塊，為船舶實時導航提供信息依據。

導航管理模塊：接收信息集成模塊傳送信息后并將其存儲在數據庫中，實現船舶導航以及船舶航行相關信息的查詢，包含船舶方位、運動軌跡、航行速度、當前實時位置以及規劃航行線路等。其中，船舶的導航是通過INS/GPS 組合導航模型完成。

人機交互模塊：主要包含視圖控制、圖層控制、彩色顯示器、Web頁面以及Node.js 技術等部分，完成船舶智慧導航結果的可視化渲染，并通過顯示屏完成人機交互。

1.2 信息集成模塊結構

船舶綜合導航信息的管理是實現船舶實時導航的重要依據，因此，為保證船舶實時導航效果，以PC104 的嵌入式計算機為核心構建信息集成模塊，實現綜合導航信息的集成管理，該模塊的整體結構如圖2所示。在進行船舶綜合信息管理過程中，為保證信息的安全傳輸，以PC140 總線協議作為傳輸協議，保證信息的傳輸安全性，并且設有2 個EMERALD-MM 八串口卡、串口接口協議、CAN 卡、以太網接口等，以此滿足綜合船舶導航的管理需求。

圖2 信息集成模塊結構Fig. 2 Information integration module structure

1.3 導航管理模塊設計

1.3.1 導航管理模塊結構

實現船舶的實時智慧導航是系統的核心目標，因此，導航管理模塊是系統的核心功能模塊，該模塊的整體結構如圖3 所示。該模塊以S3C2440 作為微處理器，實現電子地圖的管理以及視圖控制。同時，通過該處理器控制并調用導航管理模塊中的步動態隨機存取存儲器、內部存儲器中的信息，并將信息傳送INS/GPS 組合導航模型中，進行船舶的實時導航。

圖3 導航管理模塊結構Fig. 3 Navigation Management Module Structure

1.3.2 基于INS/GPS 的船舶導航模型

導航管理模塊為精準、有效完成船舶的實時導航，將INS 和GPS 相結合，構成INS/GPS 船舶導航模型，能夠充分利用存儲的船舶導航相關信息，有效避免導航結果發生發散現象。如果船舶的狀態變量和狀態方程分別用和x表示，兩者的計算公式為：

式中：F表示船舶狀態轉移矩陣；w表示導航誤差；φ表示偏航姿態角誤差； δv表示速度誤差； δp表示經緯高位置誤差；ba和bg表示位置漂移和陀螺常值漂移。

量測方程用z表示，其計算公式為：

式 中： δPGPS和 δVGPS均 表示 誤 差，前 者 對 應GPS 測 量位置，后者對應GPS 測量速度； δPIMU和 δVIMU均表示誤差，前者對應慣性器件積分位置，后者對應管型器件速度；v表示GPS 系統誤差，H表示GPS 系統的量測矩陣，其表達式為：

依據GPS 測量數據即可獲取狀態變量的估計結果。在此基礎上，引入Kalman 濾波算法，Kalman 濾波狀態模型公式為：

1.4 人機交互模塊結構

該模塊的主要作用是實現導航結果和用戶之間的可視化交互，并且在交互過程中，為保證交互效果，通過Node.js 技術進行信息渲染，最后通過 Web頁面的形式展示給用戶。該模塊整體分為：用戶交互設計功能、信息渲染功能、交互頁面加載功能。通過3 個部分的結合，實現船舶導航結果的人機交互。該模塊的整體結構如圖4 所示。

圖4 人機交互可視化技術結構Fig. 4 Structure of human-machine interaction visualization technology

1）用戶交互設計功能

該功能主要完成交互界面的設計，對于交互頁面結構而言，采用分布加載的方式完成前端加載過程的設計，優化加載性能，同時設有信息容災備份功能，一旦在交互過程中，交互界面加載失敗，則可馬上進行回滾操作，保證頁面交互時的流暢性，并較少頁面加載時間。

2）信息渲染功能

信息渲染是人機交互時的重要部分，渲染主要分為2 個部分，一是前端加載渲染，另一個是局部渲染，兩者均利用Node.js 技術完成。該功能在應用過程中，可在不依賴用戶屬性的前提下，完成前端交互平臺所有信息的分流化處理，使其形成用戶操作的相關信息以及顯示信息，同時通過MongoDB 數據庫完成交互信息的維護。

3）交互頁面加載功能

該功能的主要作用是提升Web 交互頁面的加載效率、降低用戶的操作以及等待時間，實現船舶導航結果的高效展示。在該功能中引入信息緩存技術，保證網絡狀態不穩定的情況下的交互效果。

2 測試結果與分析

為驗證本文系統的應用效果，將某救援船舶作為目標，進行相關測試。該船排水量為5 564 t，功率為8500 kW，長為95 m，型寬為14.7 m，型深為7.5 m，續航能力1 500 nmile。該救援船主要用于深海救援，海域搜索范圍268 nmile。其搜索海域內存在多條海洋暗流、并且小型島嶼和暗礁數量較多，同時該海域位于多個航線的公共航信經過區域，船舶經航數量相對較多。因此，該船在作業過程中對于導航的要求較高。

使用的導航系統和傳感器相關參數如表1 所示。

表1 導航系統和傳感器相關參數Tab. 1 Navigation system and sensor related parameters

應用本文系統后，船舶在運行過程中能夠及時查詢實時導航結果，呈現船舶所在位置的經度和緯度，并且可查看船舶的實時航行速度。因此，本文系統應用效果較好，能夠完成船舶導航結果的實時查詢。

為驗證本文系統對于船舶的導航效果，獲取船舶在不同的航行距離下，偏航角、航行速度的導航誤差結果，如表2 所示。其中偏航角和航行速度的允許偏差結果分別為5.2°和0.5 m/s。依據表2 測試結果可知，隨著船舶航行距離的逐漸增加，偏航角、航行速度的導航誤差結果均在允許的標準范圍內，兩者的最大誤差分別為4.6°和0.44 m/s。

表2 偏航角、航行速度的導航誤差結果Tab. 2 Navigation error results of yaw angle and navigation speed

為進一步驗證本文系統的導航效果，獲取船舶在作業過程中的航跡導航結果，將該結果和設定航線結果進行對比，如圖5 所示。可知：本文系統能夠精準完成船舶作業航跡導航，并且導航結果和設定航線之間吻合程度較高，能夠保證船舶的安全航行。

圖5 船舶在作業過程中的航跡導航結果Fig. 5 Navigation results of ship's track during operation

為驗證本文系統的船舶導航人機交互效果，獲取船舶導航結果的交互結果。本文系統，能夠有效完成船舶導航結果的可視化，并呈現航向海域內的詳細情況，具有較好的人機交互效果，能夠全面呈現船舶的導航結果。

3 結 語

為提升船舶導航的智慧水平以及實時性，全面掌握船舶航行狀態，并實現導航結果的可視化交互，設計基于人機交互技術的船舶實時導航系統，并對該系統的應用效果展開相關測試。結果表明，該系統能夠精準掌握船舶的實時航行情況，并且能夠按照設定的航行線路精準完成船舶航行導航，全面呈現導航結果的可視化交互。