拖輪智能航行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

嚴(yán)松 吳富民 富玲峰 李培正 陳岱岱

摘? ?要：隨著船舶制造業(yè)的發(fā)展，智能船舶設(shè)計和應(yīng)用被提上日程，文章參照《智能船舶規(guī)范》的要求，結(jié)合港作拖輪的航行和作業(yè)特點(diǎn)，探討性地設(shè)計了針對拖輪的智能航行系統(tǒng)，具有基于電子海圖的多目標(biāo)航跡多模式規(guī)劃和避障功能、近距避碰預(yù)警功能、岸基作業(yè)管理及油耗統(tǒng)計功能，經(jīng)與主管部門溝通和產(chǎn)品實際應(yīng)用，初步滿足了規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：智能航行;港作拖輪;智能船舶

隨著傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)和制造能力的飛速發(fā)展，船舶制造領(lǐng)域也出現(xiàn)了翻天覆地的變化。2015年中國船級社發(fā)布了國際上首本智能船舶規(guī)范《智能船舶規(guī)范》，將智能船舶分為6大模塊，智能航行是其中之一，利用計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等對船舶感知信息進(jìn)行綜合處理和分析，實現(xiàn)船舶駕駛的輔助決策功能，包括：航路設(shè)計和優(yōu)化（N標(biāo)志）、開闊水域自主航行（No標(biāo)志）、高級自主航行（Nn標(biāo)志），該規(guī)范針對大多數(shù)船舶的共性做了頂層指導(dǎo)，屬于綱領(lǐng)性文件。然而，港作拖輪的作業(yè)特點(diǎn)卻與運(yùn)輸船舶有著較大差異，拖輪通常作業(yè)區(qū)域為出港20海里范圍內(nèi)，航程較短，往返一般不超過4個小時，作業(yè)海域船只航標(biāo)較多，屬于復(fù)雜海域，易與被作業(yè)船舶和航標(biāo)等發(fā)生碰撞，且在頂拖過程中風(fēng)浪引起的傾斜搖擺會導(dǎo)致桅桿與被作業(yè)船舶發(fā)生碰撞，因此，必須針對港作拖輪的作業(yè)特點(diǎn)探討其智能航新系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1? ? 拖輪智能需求分析

拖輪安全作業(yè)時，主要按照中華人民共和國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《拖輪操作規(guī)程 JT/T 300—2009》進(jìn)行作業(yè)，依靠操船人員瞭望來實現(xiàn)障礙物避碰，加重了操船人員的精神壓力和工作負(fù)擔(dān)，在作業(yè)過程中要求操船人員精神高度集中。然而由于駕駛室視線存在一定盲區(qū)或者由于操船人員疏忽，導(dǎo)致部分障礙物未能及時發(fā)現(xiàn)，易發(fā)生船體刮擦和碰撞事情[1]。另外，頂拖過程中，船舶在風(fēng)浪中的搖擺也容易造成桅桿發(fā)生碰撞。以上種種，輕則造成財產(chǎn)損失，重則有礙人命安全。

拖輪接送引航員時，可能需要將多名引航員送到多艘目標(biāo)船上，輪駁公司和船舶管理人員更希望拖輪能夠按照最短航程或者經(jīng)濟(jì)航線依次將引航員送到目的地，已達(dá)到節(jié)油的目的，此時就需要根據(jù)被作業(yè)船的航跡和位置動態(tài)調(diào)整航線，單純依靠操船人員，難以有效進(jìn)行評估且加重了操船人員的負(fù)擔(dān)。

輪駁公司更希望對拖輪進(jìn)行精細(xì)化管理，以達(dá)到高效和經(jīng)濟(jì)的目的，希望在岸端發(fā)送工單給船端，實時了解各個拖輪的航跡及在作業(yè)區(qū)的油耗情況，并能夠以船或者作業(yè)區(qū)為單位，生成油耗報表，用以優(yōu)化拖輪管理。

2? ? 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由10.4寸智能航行終端、工作站、4G串口服務(wù)器、北斗通信終端和岸端組成。4G串口服務(wù)器對激光雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、GPS，AIS、測深儀、氣象站、監(jiān)測報警系統(tǒng)等進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，送往工作站和岸端進(jìn)行運(yùn)算處理，智能航行終端以電子海圖為底圖進(jìn)行顯示和人機(jī)交互，具有報警和語音提示功能，并具有大屏復(fù)示功能。能夠?qū)崿F(xiàn)基于電子海圖的多目標(biāo)航跡多模式規(guī)劃和避障功能、近距避碰預(yù)警功能、岸基作業(yè)管理及油耗統(tǒng)計功能，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

3? ? 基于電子海圖的多目標(biāo)航跡多模式規(guī)劃和避障設(shè)計

該系統(tǒng)以中國官方ENCS57格式的電子海圖為底圖，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度開發(fā)，結(jié)合船舶AIS和雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用A*算法實現(xiàn)航路規(guī)劃和避碰。航路規(guī)劃過程中，系統(tǒng)將電子海圖柵格化，獲取到航路附近的礁石、禁航區(qū)等坐標(biāo)信息，疊加AIS和雷達(dá)偵測到的動態(tài)障礙物目標(biāo)信息，并將障礙物進(jìn)行二次膨脹化，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的避障半徑，自動生成一條避開障礙物路徑，并顯示在海圖上[2]。

通過選擇疊加在海圖上的船舶AIS數(shù)據(jù)圖標(biāo)來選擇目標(biāo)船舶，選擇規(guī)定到達(dá)時間或最短航行時間模式進(jìn)行航路規(guī)劃。

3.1? 確定到達(dá)時間

由于拖輪作業(yè)前，被作業(yè)船大部分還未到錨地，處于航行狀態(tài)，因此拖輪的航路規(guī)劃具有一定的變化性。如圖2所示，智能航行系統(tǒng)軟件可根據(jù)被作業(yè)船的經(jīng)緯度坐標(biāo)、航速、航向以及拖輪自身的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及拖輪到達(dá)時間計算出一條優(yōu)化航路，并給出建議航速。

被作業(yè)船在A點(diǎn)，以v1的速度向C點(diǎn)航行，拖輪在B點(diǎn)，以v2的速度向E點(diǎn)航行，假設(shè)拖輪的航向為ω，經(jīng)過時間t后，兩船在E的匯合。則經(jīng)過計算可得到如式（1）所示的結(jié)果：

（1）

根據(jù)上述計算結(jié)果可得出該航路航向為ω，建議航速為v2。

3.2? 最短航行時間

假設(shè)拖輪在最大功率下的靜水航速為vj，拖輪在當(dāng)前風(fēng)浪下的失速系數(shù)為fw，則拖輪的最大航速vmax可如下計算：

（2）

可得出最短航行時間tmin為公式（3）：

（3）

4? ? 基于激光雷達(dá)的近距安全避碰設(shè)計

雖然船載AIS和導(dǎo)航雷達(dá)在船舶航行過程中起著舉足輕重的作用，但是在近距實時高精度探測上卻無能為力。隨著科技的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)在測掃領(lǐng)域“異軍突起”，目前主流的激光雷達(dá)測量精度可達(dá)毫米級，測量頻率可達(dá)數(shù)十赫茲，擅長于100 m以內(nèi)的近距測量[3]，基于這些的優(yōu)點(diǎn)，本拖輪選用美國Velodyne公司的VLP-16激光雷達(dá)，在羅經(jīng)甲板、左右舷各布置一個激光雷達(dá)，用于實時探測船舶周圍的障礙物情況，通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)送往顯控終端，顯控終端對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按角度屏蔽船體檢測信息，提取船外障礙物位置及距離信息將絕對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對于船體的相對坐標(biāo)，如圖3所示，報警距離共設(shè)3個等級，分別為25 m，10 m和5 m，一旦進(jìn)入船體周圍25 m范圍內(nèi)即在顯控終端進(jìn)行顯示和語音提示，提示方位、距離及接近速度，報警提示級別共設(shè)3個等級，越靠近船體提示音越急促。

5? ? 遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺和油耗統(tǒng)計

在輪駁公司設(shè)置一套基于GIS開發(fā)的監(jiān)管平臺，通過北斗和4G專網(wǎng)接收船端的信息并進(jìn)行處理，顯示船舶軌跡和狀態(tài)，并可在岸端修改作業(yè)區(qū)電子圍欄坐標(biāo)，自動同步至船端，根據(jù)航行區(qū)域自動判斷作業(yè)模式，按時間和作業(yè)區(qū)統(tǒng)計油耗情況，通過消息發(fā)送界面向船端發(fā)送作業(yè)指令，船端收到指令后可一鍵生成導(dǎo)航路徑，當(dāng)判斷目標(biāo)船到達(dá)指定泊位后，自動向岸端發(fā)送作業(yè)結(jié)束答復(fù)，從而實現(xiàn)指定工單的全過程跟蹤，大大提高作業(yè)自動化和智能化水平。

6? ? 實船安裝

該拖輪智能航行系統(tǒng)在津港輪31、津港輪32、津港輪33和津港輪34上成功應(yīng)用，實現(xiàn)了多目標(biāo)船航路規(guī)劃、近距避碰及遠(yuǎn)程作業(yè)管理及油耗統(tǒng)計等功能，并得到中國船級社和用戶的初步認(rèn)可，后續(xù)將進(jìn)行取證和推廣，實船安裝如圖4所示。

7? ? 結(jié)語

本文參考《智能船舶規(guī)范》智能航行要求，結(jié)合港作拖輪的航行和作業(yè)特點(diǎn)，探討性設(shè)計了針對拖輪的智能航行系統(tǒng)，具有基于電子海圖的多目標(biāo)航跡多模式規(guī)劃和避障功能、近距避碰預(yù)警功能、岸基作業(yè)管理及油耗統(tǒng)計功能，初步滿足了要求，后續(xù)將進(jìn)行取證和推廣。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陸奇峰.淺談拖輪在大風(fēng)浪中航行與作業(yè)[J].中國水運(yùn)，2019（9）：56-59.

[2]張先瑞.航路規(guī)劃中的智能優(yōu)化算法分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2016（17）：225.

[3]屈驍，鄭衛(wèi)剛.基于激光傳感器的船舶避碰預(yù)警系統(tǒng)[J].世界海運(yùn)，2014（6）：50-52.

Design and implementation of tugboat intelligent navigation system

Yan Song， Wu Fumin， Fu Lingfeng， Li Peizheng， Chen Daidai

（CETC Maritime Electronics Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo 315040， China）

Abstract：With the development of shipbuilding industry， the design and application of intelligent ships have been put on the agenda， according to the requirements of the Intelligent Ship Code， combined with the navigation and operation characteristics of port tugs， an intelligent navigation system for tugs is designed in this paper， which has the functions of multi-target track multi-model planning and obstacle avoidance based on electronic chart， short-range collision avoidance early warning， shore-based operation management and fuel consumption statistics. Through communication with the competent department and practical application of the product， the specification requirements are preliminarily met.

Key words：intelligent navigation; port tug; intelligent ship