可移动式激光辅助靠泊系统的研究

徐立君，王羽婕

(长春理工大学 a.物理学院，b.数学与统计学院，长春 130022)

在国际贸易中，海上船舶运输发挥了很重要的作用。而海上船舶运输中，船舶的靠泊和离泊过程是船舶整个航次中最为复杂的操作过程。船舶的靠泊和离泊除了与风、浪、海流等海洋环境因素有关外，还与船舶大小、形状、装载量、泊位水深等各种因素有关，而引发船舶安全事故的原因还有码头的水域条件、通航密度以及装卸设备的影响。随着船舶的大型化发展，这一操作过程的事故发生率逐年提高，造成巨大的经济损失，严重影响了码头的装卸效率。

在船舶靠岸停泊的过程中，经常会因为海风、水流等其他影响导致无法自行停靠码头，对于巨型船舶影响更是巨大，造成的后果与损失更是无法估量。而传统的测量方式易受到气象、水文等的影响，使测量精度大大降低，甚至无法进行测量。21世纪60年代以来，激光测距因为具有良好的性能而被广泛应用到各行业的测距技术中。随着激光测距和无线网络技术的发展，激光辅助船舶靠泊检测系统能够更加直观、方便、准确、可靠地实时监测船舶靠泊情况并提供船舶靠泊的各方面所需数据，以助于船舶可以安全靠泊。其中，利用激光测距技术的激光辅助靠泊以其精确度高、抗干扰能力强等突出优势在国内外得以广泛应用。激光测距是利用激光对所需测量的目标进行精准测定其距离。由此，如何实现使用激光测距，以安全地指导船舶靠泊作业是一个亟待解决的重要问题，它直接关系着船舶行业的发展。

目前，国内外的各种激光辅助靠泊系统都是固定的，无法及时应对不同大小的船只靠泊实际的需求，国内外可应用于不同船只大小的激光辅助靠泊系统的研究很少， 本研究描述了可移动式的激光辅助靠泊系统的结构构成及测量原理。通过控制激光测距仪在导轨上移动，调节两个激光测距仪间的距离，以满足不同吨位和大小的船舶靠泊需求。可移动式激光辅助靠泊系统远距离测量能力强，近距离不出现盲点，全程无缝跟踪和监测，能测量并显示出船离港口的最近距离，防止发生碰撞。

此可移动式激光辅助靠泊系统适应于多种吨位不同的船只的辅助靠泊，可预警碰撞事故、有效提高靠泊效率和港口生产效率，为促进船舶业的安全稳定发展奠定了基础。

1 可移动式激光辅助靠泊系统功能与构成

1.1 可移动式激光辅助靠泊系统功能与工作流程

图1 可移动式的激光测距船岸系统示意图

如图1所示可移动式激光辅助靠泊系统包括安装在码头上的中央控制系统、可移动式系统、两侧位置测量仪及激光测距系统。可移动式系统包括两辆小车、铁轨及小车上的自稳云台，激光测距仪安装在小车上的自稳平台上面。两侧的测量仪可以测量两台小车间的距离，中央控制系统可以根据船只的大小发出指令，控制小车在轨道上移动，中央控制系统根据定位系统传回的数据建立坐标显示测距系统当前位置。可移动式的激光测距系统操作流程图，如图2所示。小车上安装的测距激光测距仪相互平行，并且随着小车的移动改变相互间的距离，可以监测船前身和船尾两点的离岸距离，利用相同时间间隔测量出的不同距离，可计算出船舶速度，再计算出船舶与码头所成的角度。工控机的输出端与LED大屏、声光报警系统和显示器相连接，工控机的输入端与激光测距仪相连接。当船舶进入靠泊区域时，靠泊引航员可通过计算机或手机控制终端向中央控制系统(工控机)发出指令，根据靠泊船舶的大小型号、相应地移动测距系统，使测距系统测量船舶指定位置点。当船舶靠泊速度和角度超出所设定的标准值时，声光报警器就启动，通过声音与强光来提醒靠泊的操作人员，防止意外事故的发生。

图2 可移动式的激光测距系统操作流程图

此可移动式激光辅助靠泊系统包括两台激光测距仪，激光测距仪设置的位置相对并相隔的距离一定、平行设置的两台可以由中央控制系统控制的可以在导轨上平动的激光测距仪。激光测距仪相对放置，中间由铁轨连接，用于探测测距系统两个激光测距仪的位置。同时，定位系统将数据传输给中央控制系统，中央控制系统通过数据建立相应的靠泊坐标系，可以精确控制两个测距点的具体位置。激光测距仪可以监测出船舶上任意两点的离岸距离，同时利用相同时间间隔测量出的不同距离，计算出靠泊船舶的速度，并根据两点的距离计算出船舶与码头的角度，当船舶靠泊速度与船舶与码头的角度超出码头所设定的正常范围值时，则码头的报警器就会报警，提醒码头引航员做出及时的调整，防止码头设施的损坏。激光测距仪固定在小车上，可在水平导轨上运动，平动驱动装置与中央控制系统相连，由中央控制系统进行控制。

1.2 可移动式系统构成

此可移动式激光辅助靠泊系统采用正常铁轨铺设。移动装置包括：车体、蓄电池组、导轨、行走及驱动系统；小车依靠蓄电池组供电驱动，车体下部安装走行及驱动系统，车体上安装有塔座，塔座上可以连接自稳云台。走行及驱动系统包括：4个驱动轮、直流电机；4个走行轮车体两侧至少各有1个为由直流电机直接驱动的驱动轮；保证可在轨道线路上滚动行驶。系统中的蓄电池组的蓄电池电压48 V,容量375 Ah，在提供电源的同时也被用作配重，每组的重量为310 kg，是保证稳定性的关键部件。

自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，固定盘水平安装在小车塔座之上，调平盘位于固定盘上方，调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；在固定盘上设有伺服电机，通过控制连杆机构确保调平盘处于水平工作状态。测距系统的激光测距仪固定在自稳云台调平盘上。

图3 可移动式的激光测距系统构成图

2 可移动式系统激光测量基本原理

2.1 激光测距的理论基础

激光测距仪的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串,计数器测量激光脉冲到达目标，再利用从目标返回到接收机的时间,从而计算出目标点的距离。工作过程是:首先瞄准目标,然后启动激光器,通过发射光学系统,向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时,发射信号由采样器采集,作为计数器开门的脉冲信号,启动计数器,钟频振荡器向计数器有效地输入钟频脉冲,由目标反射回来的激光回波经过大气传输,进入接收光学系统,作用在光电探测器上,转变为电脉冲信号,经过放大器放大,进入计数器,计数器停止计数。计数器从开门到关门期间,所进入的钟频脉冲个数,经过运算得到目标距离,在显示器上显示出来。

激光具有四个特点：

(1)亮度高。因为激光有很强的能量和强烈的发射能力，所以它的亮度比其他光高亿万倍。激光的光的质量比其他光的质量高，更适应于环境复杂难测的海上情况。

(2)方向性好。由于激光的发射能力强，所以发射后激光的发散角非常小，可以使光的偏角小，测量的更加精确，适用于环境复杂难测、光污染严重的海上情况。

(3) 单色性好。激光有相似的波长，颜色单一纯净，故激光的单色性很好。激光在航海技术中应用很广范也是因为单色性好。

(4)相干性好。激光受激辐射光，具有极强的相干性。

此特性非常适用于环境复杂难测，光污染严重的海上靠泊情况。

2.2 可移动式系统激光测量基本原理

整个系统的测试原理如图4所示，通过两个平行的激光探头，探测船舶上点的离岸距离，根据一定时间间隔的不同距离，先计算出速度，再根据两点的距离得出船舶与码头的角度。

(1)

其中，v为船舶行驶的速度，t是一定的时间间隔，y是船舶行驶的距离变化。

(2)

其中，θ是船舶与码头的角度，y是船舶行驶的距离变化，x是两个平行激光探头的距离。

图4 船只位置、速度和角度的测量原理

3 系统指标与结果分析

课题组研制的可移动式的激光辅助靠泊系统的测量指标如下：

测量范围：0.05 m～350 m

测量船只的吨位：5 万t～20 万t

测量精度：+/- 3.5 cm 基于特定条件下180 m的重复精度

速度范围：0 ～ 90 cm/s

分辨率：1.5 cm

可测船只长度：200 m～300 m

气象条件：适合在雨、雾条件下使用

温度范围：-10 ℃ ～+50 ℃

湿度：90%

4 结语

我国经济的飞速发展为国内港口码头提供了前所未有的机遇。可移动式激光辅助靠泊监测系统若被国内众多的港口码头使用，可提高港口的工作效率和收益效益。

本可移动式激光辅助靠泊系统是码头为了保证船舶靠岸安全必须装配的器件。为了安全、高效地指导货轮停靠码头，我国十大码头现有三大码头都已经装配了先进的靠泊系统。本可移动式激光辅助靠泊系统是一种可适用于多种吨位船只的可移动式激光辅助靠泊系统。通过两个安装在码头上在系统前端且距离平行的激光测距仪来测量船舶的离岸距离，以计算出船舶此时的速度及船舶与码头的角度，从而定位船舶。激光测距仪固定在小车上的自稳平台上，通过远程控制小车在导轨上移动，改变两个测距仪间的距离，以适应多种吨位船只的监测。此系统可以精确测量船体离码头的距离，感测船体的姿态，显示当前的环境条件，为靠泊提供安全保障，在靠泊等领域有具有一定的应用前景。目前该产品未见有报道，且码头市场需求量很大，如将该靠泊系统投入到码头、港口市场，将会有效减少单只船只靠泊的时间，能使更多船只靠泊，提升码头收益。

相比于其他靠泊系统，我们的可移动式激光辅助靠泊系统大大提高了监测船舶距离的准确度以及精度，系统远距离测量能力强，近距离不出现盲点，全程无缝跟踪和监测。并且适应性强，可在多种极端环境下工作，可适用与各种大小船只，让引航人员及时地掌握靠泊信息，使靠泊事故减少，减少码头的经济损失，使靠泊更加安全高效。