基于物聯(lián)網(wǎng)的“絲路海運(yùn)”港航安全保障系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)海上絲綢之路的港航安全問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的“絲路海運(yùn)”港航安全保障系統(tǒng)。以沿航道布置的智慧航標(biāo)燈為硬件基礎(chǔ)，構(gòu)建“AIS廣播→LoRa網(wǎng)絡(luò)→NB-IoT”的無線多級(jí)傳感網(wǎng)絡(luò)，將偵聽到的船舶AIS數(shù)據(jù)提交至云端計(jì)算；推導(dǎo)了浪高反推風(fēng)速數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了模糊四元船舶領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型計(jì)算軟件，構(gòu)建了三維船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域空間模型，發(fā)明了基于AR的集裝箱透視技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)加強(qiáng)了港航作業(yè)過程中的危險(xiǎn)品集裝箱追蹤和管理，能根據(jù)惡劣臺(tái)風(fēng)天氣及復(fù)雜交通狀態(tài)的時(shí)空數(shù)據(jù)，智能評(píng)估港航作業(yè)及交通風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)采用6種方式發(fā)布告警信息，指導(dǎo)船舶避險(xiǎn)，加強(qiáng)了港口、內(nèi)河、近海、遠(yuǎn)海的航運(yùn)一體化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；絲路海運(yùn)；港航安全；智慧航標(biāo)燈；北斗定位；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393；TN925+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-05

0 引 言

“海上絲綢之路”是中國對(duì)外經(jīng)濟(jì)交往的海上大動(dòng)脈，“十四五”規(guī)劃指出“推動(dòng)共建一帶一路高質(zhì)量發(fā)展”“擴(kuò)大絲路海運(yùn)品牌影響”[1]。在中國特色的“絲路海運(yùn)”視角中[2]，

海上絲綢之路包含港口、內(nèi)河、近海、遠(yuǎn)海，應(yīng)納為整體，全盤優(yōu)化；該視角還注重港口和物流園、工業(yè)園的互聯(lián)互通，重視水鐵、水陸多式聯(lián)運(yùn)技術(shù)，同時(shí)重視和友好國家深度合作，運(yùn)力共享，攜手共進(jìn)，共同維護(hù)海絲航道交通安全[3]。截至2023年3月，以“絲路海運(yùn)”命名的航線總數(shù)達(dá)100條，通達(dá)全球43個(gè)國家的117座港口。

然而，近年來港航海運(yùn)事故頻發(fā)，據(jù)中國海事局統(tǒng)計(jì)，2019年全國共發(fā)生137起水上交通事故，造成了155人遇難，直接損失達(dá)1.7億元。2021年3月長(zhǎng)賜號(hào)阻斷蘇伊士運(yùn)河7天，造成635億美元損失[4]。2020年11月ONE集團(tuán)的貨船有1 816個(gè)集裝箱墜海，皆是因?yàn)樵诤降郎嫌龅酵话l(fā)惡劣天氣。2020年8月黎巴嫩港大爆炸造成了六千人傷亡[5]，2015年8月天津港大爆炸造成69億損失。皆是因?yàn)楦劭诜e壓了多種化工原料，難以可視化監(jiān)管。

保障海運(yùn)安全刻不容緩。2020年8月，交通部發(fā)布“新基建指導(dǎo)意見”，要求打造“陸?？仗臁彼辖煌ò踩Ｕ象w系[6]。同時(shí)還指出交通領(lǐng)域新基建主要任務(wù)：建設(shè)智慧航道和智慧港口，建設(shè)航道感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)船舶智能助航及港口智能安防預(yù)警。

1 設(shè)計(jì)原理

港航安全保障系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，由智慧航道、智慧航運(yùn)、智慧港口構(gòu)成，詳見圖1。

1.1 航道無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)構(gòu)建了“AIS廣播→LoRa網(wǎng)絡(luò)→NB-IoT”多級(jí)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)商用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的航道實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，將偵聽的船舶動(dòng)態(tài)AIS數(shù)據(jù)提交至云端[7]。由云端大數(shù)據(jù)計(jì)算評(píng)價(jià)交通風(fēng)險(xiǎn)概率，再發(fā)布給過往船只，指導(dǎo)船只做出避險(xiǎn)操作。建立告警通信網(wǎng)絡(luò)，將告警信息由6種方式下發(fā)給過往船只：

（1）通過船長(zhǎng)手機(jī)APP發(fā)出告警；

（2）通過商用手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)呼叫船長(zhǎng)，并通過機(jī)器語音告警；

（3）通過海事衛(wèi)星撥打船長(zhǎng)衛(wèi)星電話，并通過機(jī)器語音告警；

（4）通過北斗短報(bào)文系統(tǒng)以文字形式發(fā)布告警信息；

（5）通過航標(biāo)VHF16頻道的無線電機(jī)器語音告警；

（6）通過航標(biāo)聲光告警裝置及高音喇叭裝置告警。

方式（1）和方式（2）適用于航道的內(nèi)河段、港口區(qū)和沿海段，該區(qū)域?yàn)楹叫惺鹿矢甙l(fā)區(qū)，由于該區(qū)域具有較好的商用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，因此以效率最高的商用網(wǎng)絡(luò)為載體，采用手機(jī)APP移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或GSM電話呼叫及發(fā)送短信的方式發(fā)出告警信息。方式（3）和方式（4）適合備有衛(wèi)星通信裝置的大型商船。大型商船、游輪為保障航行安全，大多配有支持短報(bào)文的北斗終端或衛(wèi)星電話。云端查詢終端號(hào)碼后，采用衛(wèi)星通信的方式發(fā)出告警信息。方式（5）和方式（6）通用于任何環(huán)境，由智慧航標(biāo)直接發(fā)出告警，智慧航標(biāo)從LoRa網(wǎng)絡(luò)中接收到云端的告警信息后，采用無線電和聲光兩種方式發(fā)出告警信息，無需船舶安裝特種裝備和特定APP，特別是針對(duì)裝備簡(jiǎn)單的民間漁船，具有較好的效果。

在感知層，每個(gè)智慧航標(biāo)燈均內(nèi)置AIS接收器，其中浮標(biāo)式航標(biāo)燈因天線短可偵聽10～20 n mile（19～37 km）范圍內(nèi)過往船舶的AIS廣播，還具有監(jiān)測(cè)氣象水文的感知能力。燈塔式航標(biāo)燈因天線長(zhǎng)且不受功耗限制，可偵聽30 n mile（55.56 km）[8]。在本設(shè)計(jì)中，通過LoRa技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)，在海平面的中繼距離可達(dá)17 km[9]。考慮到通信距離冗余可提升中繼網(wǎng)絡(luò)的健壯性，在海絲航道上每5 km布置一個(gè)智慧浮標(biāo)。內(nèi)置AIS模塊可偵聽19 km內(nèi)的船舶AIS廣播，內(nèi)置LoRa模塊可與17 km內(nèi)的其它浮標(biāo)組網(wǎng)，即使隨機(jī)損壞一半的智慧浮標(biāo)，也能維持傳感網(wǎng)穩(wěn)定工作。

遠(yuǎn)海航道上船舶AIS數(shù)據(jù)包被中繼網(wǎng)絡(luò)的LoRa模塊接力送至近海段，因?yàn)镹B-IoT覆蓋范圍比傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)好20 dB，約為10倍的通信距離[10]，因此在近海段可改為由NB-IoT把數(shù)據(jù)送至云端。

在云端應(yīng)用層，通過接收NB-IoT模塊上報(bào)的AIS數(shù)據(jù)解析出航道上各船舶的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性形成的滯后和AIS數(shù)據(jù)廣播固有的間隔時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算出的船舶位置約為60 s前的位置，需要通過運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)推測(cè)當(dāng)前實(shí)際位置，再通過三維船舶領(lǐng)域模型判斷船舶是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)分析船舶避碰危險(xiǎn)等級(jí)，發(fā)出助航信息，告訴船舶駕駛員有效的避險(xiǎn)方法。

1.2 智慧航標(biāo)燈的設(shè)計(jì)

基于“AIS接收+機(jī)器視覺”雙感知技術(shù)的岸基燈塔分為L(zhǎng)ED航標(biāo)燈、工控機(jī)、5G DTU、GSM天線、警笛、太陽能電池板、鋰電池、甚高頻發(fā)射模塊、甚高頻天線等。硬件模塊框圖如圖2所示。如果需要傳遞視頻信息，通信模塊選擇5G DTU，如果僅傳遞AIS數(shù)據(jù)包，選擇5G NB-IoT。云端將告警信息發(fā)送至智慧航標(biāo)燈，所述智慧航標(biāo)燈硬件系統(tǒng)把語音告警信息通過VHF（甚高頻）無線電廣播和高音喇叭向航道上的過往船舶發(fā)出告警信息，同時(shí)控制閃爍報(bào)警LED燈做出閃爍警示，實(shí)現(xiàn)聲光告警。燈浮標(biāo)類航標(biāo)燈在上述硬件基礎(chǔ)上減少了攝像頭，增加了LoRa中繼模塊，還可引入機(jī)器聽覺技術(shù)在夜間發(fā)現(xiàn)并區(qū)分船舶類型。

1.3 北斗差分測(cè)量浪高反推風(fēng)速

在內(nèi)河航道、港口、近海航道可接收北斗差分定位信號(hào)，差分定位可精準(zhǔn)檢測(cè)航標(biāo)燈（燈浮標(biāo)）漂浮的時(shí)空運(yùn)動(dòng)特征值[11]，對(duì)有效海浪波高與有效波周期用最小二乘法擬合得到式（1），實(shí)際風(fēng)速、有效波高和有效波周期三者關(guān)系滿足式（2）。

（1）

（2）

式中：U為風(fēng)速；T1/3為有效波周期；H1/3為有效波高；c（1）、c（2）為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，通過在福建莆田的試驗(yàn)得到c（1）=17.64，c（2）=0.67。

通過對(duì)燈浮標(biāo)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精準(zhǔn)測(cè)量，即可推算得出實(shí)際風(fēng)速?；谏鲜鲈恚_發(fā)了三維仿真及動(dòng)畫演示系統(tǒng)，將多個(gè)航標(biāo)燈實(shí)測(cè)的指標(biāo)引入仿真系統(tǒng)，即可仿真出浪高，并進(jìn)一步反推出臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速與風(fēng)向。因?yàn)楦鞔暗目癸L(fēng)浪能力不同，在仿真系統(tǒng)中置入船舶，已知船舶的三維輪廓、總重量、重心高度、受風(fēng)截面，根據(jù)浪高和風(fēng)速，即可仿真出船舶在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)特性，分析船舶在臺(tái)風(fēng)天氣下的交通風(fēng)險(xiǎn)，并量身定制應(yīng)對(duì)惡劣天氣的駕駛策略。

仿真2020年七號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)珠江水系的內(nèi)河航道交通風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖（圖3）、廣州港南沙港區(qū)交通風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖（圖4）。紅色為禁行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、橙色為高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、黃色為輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、綠色為安全通行區(qū)。生產(chǎn)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)計(jì)算最大風(fēng)速值和實(shí)測(cè)最大風(fēng)速值平均相對(duì)誤差為6.97%。該技術(shù)能夠更好地指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)天氣下的港口及航道安全生產(chǎn)，指導(dǎo)船舶避險(xiǎn)。

1.4 航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法

為提高云端在海量數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算速度，通過為每個(gè)船舶建立最小安全領(lǐng)域空間的方式來保障船舶、船礁之間存在安全距離。模糊四元法指出，船舶領(lǐng)域與船只大小成正比，與船速也有一定關(guān)系。設(shè)R1，R2，R3，R4分別為水平方向上四元船舶最小安全領(lǐng)域的縱向船前半徑、縱向船后半徑、橫向船左半徑以及橫向船右半徑，L為船長(zhǎng)，A為船舶進(jìn)距，D為船舶回轉(zhuǎn)半徑，V為船速，sgn（x）和sgn（y）分別為x和y的符號(hào)判定函數(shù)，并增加輔助參數(shù)k1，k2。其中，輔助參數(shù)分別與船舶進(jìn)距、船舶回旋半徑、船長(zhǎng)以及船速相關(guān)。取值見式（3），船舶最小安全領(lǐng)域半徑取值見式（4）。

（3）

（4）

水平方向上四元船舶最小安全領(lǐng)域近似于橢圓，在模糊四元船舶最小安全領(lǐng)域f（x， y）內(nèi)，船舶存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，拒絕其他船舶進(jìn)入。建立邊界函數(shù)f（x， y），見式（5）：

（5）

（6）

（7）

三維船舶最小安全領(lǐng)域豎直方向上為船舶高度H，包括水平面上的船舶高度h1以及水平面下船舶吃水深度h2?？傻萌S船舶最小安全領(lǐng)域在坐標(biāo)軸豎直方向的縱面方程，如

式（8）所示：

（8）

因此可確定四元船舶最小安全領(lǐng)域的三維動(dòng)態(tài)方程如

式（9）所示：

（9）

式中：符號(hào)判定函數(shù)sgn（x）和sgn（y）取值范圍見式（6）和式（7）。設(shè)船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域?yàn)閒'（x， y），船舶與障礙物之間的距離為d，在d≥2f（x， y）時(shí)，船舶無需采取避碰行動(dòng)，可安全通過。船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域f'（x， y）的邊界函數(shù)表達(dá)如式（10）所示：

（10）

船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域豎直方向上的總高度H'包括水上所需高度Hup以及水下所需深度Hdown，即包括水平面上的船舶高度h1、水平面下船舶吃水深度h2、超過船舶高度的安全余量s1以及水下富余水深s2?？煞謩e確定水上高度Hup以及水下深度Hdown如式（11）和式（12）所示：

（11）

（12）

可得船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域坐標(biāo)軸豎直方向的縱面方程如式（13）所示：

（13）

船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域的三維動(dòng)態(tài)方程如式（14）所示：

取船長(zhǎng)L為1鏈（一鏈約為十分之一海里），船速取15 kn，根據(jù)以上模型，利用Mathematica軟件，可得基于模糊四元法的三維船舶最小安全領(lǐng)域空間模型的水平投影，船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域與船舶最小安全領(lǐng)域關(guān)系如圖5所示，告警狀態(tài)如圖6所示。計(jì)算發(fā)現(xiàn)船船、船礁位置落在預(yù)警區(qū)內(nèi)，則云端向船舶發(fā)出警報(bào)；計(jì)算發(fā)現(xiàn)船船、船礁之間相互位置落在最小安全區(qū)內(nèi)，要求船舶執(zhí)行避險(xiǎn)駕駛指令。

1.5 基于AR的集裝箱透視技術(shù)

雖然集裝箱在運(yùn)輸公司都有裝箱單數(shù)據(jù)，但是在進(jìn)行人工作業(yè)時(shí)，海量的集裝箱和云端海量的裝箱單數(shù)據(jù)無法對(duì)接。因此，發(fā)明了基于AR的集裝箱透視技術(shù)，巡檢人員佩戴AR眼鏡，通過機(jī)器視覺獲取集裝箱相片，上傳至云端。云端采用圖像匹配的方法找到正確的裝箱單，發(fā)回裝箱單的圖片。把裝箱單圖片直接貼在集裝箱側(cè)面，識(shí)別效果如圖7所示。港口工作人員所見即所得，不開集裝箱就可知內(nèi)裝貨物，可以更好地追蹤危險(xiǎn)品集裝箱。同時(shí)，港口在交通要口安裝攝像頭，識(shí)別危險(xiǎn)品集裝箱的流轉(zhuǎn)過程，監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)品集裝箱在港口的分布，對(duì)易燃易爆貨物滯留積壓的風(fēng)險(xiǎn)做出評(píng)估。設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛集裝箱聯(lián)運(yùn)無人車，加強(qiáng)危險(xiǎn)品集裝箱的疏散力度，工作場(chǎng)景如圖8所示。

2 創(chuàng)新特色

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含3個(gè)子系統(tǒng)：

（1）智慧航道子系統(tǒng)：設(shè)計(jì)了智慧航道無線傳感網(wǎng)的新基建實(shí)施方案。推導(dǎo)了浪高反推風(fēng)速數(shù)學(xué)模型，根據(jù)每個(gè)船舶的受風(fēng)截面、載貨量、重心等特征，云端繪制了航道交通風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖，該圖根據(jù)各船特性定制，實(shí)現(xiàn)了量身訂制、精準(zhǔn)預(yù)警。

（2）智慧航運(yùn)子系統(tǒng)：開發(fā)模糊四元船舶領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型計(jì)算軟件，構(gòu)建三維船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域空間模型，減少船船、船岸、船礁、船橋的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，為船舶量身定制安全駕駛策略，采用了6種方式告警。

（3）智慧港口子系統(tǒng)：評(píng)估臺(tái)風(fēng)天氣下的港口水域安全，確定避風(fēng)區(qū)域。繪制港口水域風(fēng)險(xiǎn)分布圖、港口貨場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)分布圖?；贏R的集裝箱不開箱透視技術(shù)，加強(qiáng)了港口危險(xiǎn)品的人工監(jiān)管。設(shè)計(jì)集裝箱聯(lián)運(yùn)無人車，加強(qiáng)了危險(xiǎn)品集裝箱的疏散力度。

3 結(jié) 語

黨的二十大報(bào)告指出，“推進(jìn)國家安全體系和能力現(xiàn)代化，堅(jiān)決維護(hù)國家安全和社會(huì)穩(wěn)定”“推動(dòng)共建‘一帶一路’高質(zhì)量發(fā)展”，提出完善海洋安全保障體系建設(shè)。文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的“絲路海運(yùn)”港航安全保障系統(tǒng)，采用智慧航標(biāo)燈偵聽過往船舶的AIS廣播并監(jiān)測(cè)氣象，構(gòu)建無線多級(jí)傳感網(wǎng)，將航道中的告警信息通過6種方式發(fā)送給過往船舶，指導(dǎo)船舶精準(zhǔn)避險(xiǎn)。浪高反推風(fēng)速數(shù)學(xué)模型、模糊四元船舶領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型、三維船舶交通沖突預(yù)警領(lǐng)域空間模型將海洋中復(fù)雜的氣候信息和交通時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行智能評(píng)估，給出安全駕駛策略。利用AR透視技術(shù)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)港航作業(yè)中危險(xiǎn)品集裝箱管理的精細(xì)化、智能化、安全化。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于港口、內(nèi)河、近海、遠(yuǎn)海的航運(yùn)管理，在提高海上絲綢之路的港航安全方面有良好的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為林宇洪。

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作者簡(jiǎn)介：葉芷藝（2000—），女，福建農(nóng)林大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)碩士在讀，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程、港航安全。

謝俞尉（1998—），男，福建農(nóng)林大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)碩士在讀，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程、港航安全。

羅文婷（1983—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芙煌ā?/p>

林宇洪（1976—），男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。