智能停泊系统在客滚船上的应用

朱静波，李孟丽，沈 杰，顾敏敏，翁伟达，张慧亮

（招商局工业科技（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

传统的靠离泊过程船舶在靠泊过程中一般采用人工瞭望的方式。由处于驾驶室、舷侧以及码头上的瞭望员观察船舶各个部位与码头之间的距离，再通过无线电设备保持通信，通知驾驶室人员及时作出反应。由于人所处位置的限制和人眼有限的视角范围，人工瞭望在船舶靠泊过程中具有很多局限性。驾驶室的视野角度有限，视觉盲区无法避免，无线通讯只能用来对讲，无法传递实时画面，因而靠泊过程中容易发生各类安全事故，风险较高。同时，人工瞭望牵涉到多个位置多名人员之间的协调，人们对情况的判断往往不一致，所以靠泊耗费的时间较多，效率低下。

因此提升靠离泊时的安全，提高靠离泊的效率是航运业共同关注的焦点。目前的船基靠泊辅助系统有较大发展[2]。本文以某高端客滚船智能停泊系统设计为例，根据系统功能进行设备组成、设计原理、系统创新设计、安全性的分析，通过天线定位测距等方式来达到辅助船员停泊。

1 智能停泊系统设计和应用

1.1 客滚船参数

本文研究的客滚船船长227.7 m，船宽27.8 m，船速22 kn，车道宽3.5 m，载客1 200人，船员110人，主机4台，艏侧推3台，轴带发电机2台，发电机3台。

1.2 系统的组成

智能停泊系统包括3根天线、3个信号接收箱、1个中央处理柜和1套工作站。

1）全球导航卫星系统（Global Navig ation Satellite System,GNSS）天线

第一，表明抄袭作业的危害。抄袭作业，有三大坏处∶首先伤害自己，使自己成为不诚实的人；其次伤害同学，当老师表扬抄袭者的时候，就在班级里造成了不公平竞争的氛围；最后伤害老师，使得老师能否可以信任学生。抄作业使学生更懒散，成绩更差，班级纪律更糟。抄作业等于没有学习，也是不诚信的表现。

多频率天线可接收当前所有卫星的信号，该天线为跟踪低仰角卫星和提供改善的信号噪音比进行了优化。由核心系统提供的测量级天线接收器通过所有可用的卫星系统来生成合成的位置，可显示纬度、经度、位置质量等定位信息。

天线的布置情况见图1，在设计时需要考虑船舶的长度。本文客滚船船长227.7 m，艏部左右舷各安装1个天线，舯部安装1个天线。该布置方案安装的天线最少，但探测距离和范围均能满足要求。

图1 天线布置图

2）接收箱

接收箱包含多频率天线接收机、光纤开关和电源模块。

3）中央处理柜

中央处理柜是配备船用计算机、光纤交换机和电源的机柜。

4）工作站

工作站主要包括电脑、显示器、鼠标、键盘等，负责运行核心客户端软件，显示导航信息、系统信息和警报。工作站需要中央处理柜提供电源和输入，核心软件根据船舶航向的变化计算出准确的转换率，显示器提供相应的高清晰的转向度。

1.3 智能停泊系统功能和原理

智能停泊系统基于姿态和航向计算，其使用来自多个天线接收器的数据，并借助一个运动传感器来计算船舶的位置、速度和姿态。接收器通常位于艏部、艉部，以及左右舷。利用先进的天线，可对船舶的位置、方向和运动进行厘米级精度的测量。

数据处理和接口由核心计算机负责处理。核心计算机的机柜一般与其他电子设备一起放置在设备/仪表间，以简化布线。安装在桥楼的核心显示计算机为每个导航功能设置有对应的视图，并可通过触屏进行操作。核心显示计算机具有以下功能块：

1）停泊功能

泊位应用程序使用关于船舶位置、速度和方向的精确信息，结合已知的码头坐标，在船舶停泊时提供重要信息。

智能停泊系统以简单易懂的图形视图提供精确制导信息，主要包括前后距离、速度、加速度、航向和转弯速率。

目标距离计算需要使用数据库和码头坐标。这些数据是预先调查过或之前在系统上记录过的。智能停泊系统不断积累和更新不同港口和泊位的信息。智能停泊系统会自动选择码头，并会在接近码头期间显示距码头的距离。

智能辅助停泊系统可配备额外的驾驶室显示器，也可与桥楼集中导航系统进行集成，以便利用导航系统现有的屏幕。

智能辅助停泊系统提供的靠泊信息能帮助船长或领航员在受限区域进行操作时快速做出决定。这使得靠泊作业更安全、有效、节省时间。

为保证安全性，智能停泊系统设有2个内置的警报功能：

（1）码头影响报警

当船舶在一定距离内的接近速度大于设定的速度限制时，会发出警报。

（2）码头漂移报警

智能停泊系统会监控船只的前后位置，若船只偏离了预先设定的限制，则会启动警报。

2）运动传感器

当观测到GNSS天线位置偏移时，预期的位置匹配精度为1 cm。然而，如果船是弯曲或扭曲的，这些误差将会更大。运动应用程序使用这些残余误差来模拟船舶的弯曲和扭转情况。

1.4 系统的供电和接口

智能停泊系统框架见图2。230 V的交流不间断电源向接收箱、中央处理箱和电脑等进行供电。

图2 智能停泊系统框架

智能停泊系统的接口并不是很多，只与以下3个系统进行连接：1）导航系统，通过该接口驾驶室可在两翼台导航显示器显示停泊系统的界面；2）能效监测系统，把相关参数反馈到能效监测系统以便记录和调整；3）局域网系统，通过甚小口径卫星终端站（Very Small Aperture Terminal.VSAT）天线传输相关信号，用于更新信息和软件。

1.5 未来展望

智能停泊系统未来可从以下4个方面进行提高。

1）可以安装高清晰的摄像头，增加360°环视场景，基于人工智能（Artificial Intelligence, AI）的图像处理技术、边缘计算技术及多传感源信息融合技术，可在船上监视屏幕上重构船舶360°环视场景，提供直观的船舶360°的全景俯视视觉效果。系统输出2D鸟瞰图、3D环视图到显示屏幕，并根据用户习惯和需要灵活调整视觉角度，可展现不同视觉角度的全息影像，消除视觉盲区。

2）增加多维度智能语音预警功能，通过自主设定预警触发条件提供多维度同时跟踪预警。当多传感源信息或视觉处理系统捕获告警阀值时，除提供系统屏幕告警和信息提醒外，还需要提供语音预警功能，并根据风险等级自动决定播报优先顺序，进而提高监控风险应对能力。

3）实现将所采集数据与船舶靠泊动态过程在手机/平板电脑上实时显示的功能[3-4]。

4）与船舶艏侧推、推进系统、、舵机形成控制接口，根据预设的码头环境和参数，实现自动靠离码头的功能。

2 结论

本文通过研究智能停泊系统的功能实现方式，通过3个天线测量与码头的距离，船舶与码头的定位显示等功能，实现了运用导航传感器和船舶决策支持系统，对船舶周围情况进行感知降低船舶碰撞事故的发生概率，并提出了更优化的方案，可以通过增加360°摄像头，让画面更加清晰和接近实际情况。

智能停泊系统在船舶的安装和应用是大势所趋，提升船舶靠离泊效率是未来研究的热点方向之一。