湯昕怡

(南京信息職業(yè)學院，江蘇 南京210023)

0 引 言

世界主要港口及其附近海域一直是船只碰撞安全事故的多發(fā)地，為了提高港口海域航行的安全性，大多數(shù)國家建立了船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic System ，VTS)，用來管控港口的船舶交通，防止事故的發(fā)生。然而，當前研究和應用的重點在于如何避免大型船舶的碰撞和預警，對于小型船舶和漁船的管理，VTS 則顯得力不從心。根據(jù) SOLAS(International Convention for the Safety of Life at Sea)的規(guī)定，要求500 GT 以上船舶安裝自動身份識別(AIS)系統(tǒng)，從而提供船舶自身的身份、位置等信息，對于小型船舶則沒有該要求［1-6］。因而近年來如何防止小型船舶和大型船舶的碰撞事故，成為當前關(guān)注的主要焦點。以我國寧波舟山港口為例，作為世界最繁忙的商用港口之一，同時也是我國自然條件最好的漁場之一，商船、漁船等多種類型船舶共存，其建設的VTS 系統(tǒng)由于使用門檻較高，同時采用集中管控的模式，存在較大的延遲，對于數(shù)量眾多的小型船舶以及漁船難以提供高效的導航和通信服務;對于甚高頻通信(VHF)來說，使用成本較高，信息傳遞功能單一，同時在惡劣氣象條件下，噪聲較多，通信效果較差［2］;隨著3G 技術(shù)的發(fā)展，我國的3G 基站信號已經(jīng)全面覆蓋了我國的近海海域，從而為船舶之間的通信提供了一種較為廉價和高效的通信和導航方式，然而需要注意的是，當前我國的3G 標準并不統(tǒng)一，并且在近海環(huán)境下，傳輸速率并不穩(wěn)定，難以滿足船舶信息傳遞的多維度和導航的實時性要求［3］。

隨著4G 技術(shù)的興起，4G LTE 通信技術(shù)以其高速率、高帶寬、低延遲的特點，迅速占領(lǐng)市場并逐漸取代原先的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，近兩年來我國4G 基站數(shù)量大大增加，4G 通信網(wǎng)的使用成本迅速下降，雖然其覆蓋率還未達到2G 與3G 網(wǎng)的水平，然而4G 通信網(wǎng)因其先天優(yōu)勢，最終會在我國得到全面普及。4G 通信技術(shù)的諸多優(yōu)勢，使得其一方面能夠克服以往船舶導航信息系統(tǒng)時延較大、信息量較少的缺點，另一方面能夠有效降低使用成本，從而能夠覆蓋多種船舶種類和用戶群體，解決港口及其附近海域中，船舶的通信、導航及預警等問題。本文對如何利用4G 通信技術(shù)實現(xiàn)船舶導航信息系統(tǒng)進行了研究，提出了應用的基本框架和其工作的基本原理，并通過仿真驗證了該方法的有效性。

1 導航信息系統(tǒng)基本架構(gòu)

與3G 通信技術(shù)不同，4G 通信采用的核心技術(shù)為正交多任務分頻技術(shù) (OFDM)，可以實現(xiàn)100 Mbps 的下行速率與20 Mbps 的上行速率，并可以實現(xiàn)如無線區(qū)域環(huán)路(WLL)、數(shù)字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務。正是因為4G 通信技術(shù)具有這樣的優(yōu)勢與特性，使得4G 網(wǎng)絡不僅僅如3G 網(wǎng)絡那樣局限于通信領(lǐng)域，而是與衛(wèi)星網(wǎng)、光纖網(wǎng)等通信網(wǎng)絡融合在一起，在文教、衛(wèi)生、交通等多個領(lǐng)域得到應用。本文提出的基于4G 通信技術(shù)的導航信息系統(tǒng)，正是發(fā)揮了4G 通信技術(shù)獨有的優(yōu)勢，不僅能夠結(jié)合GPS 系統(tǒng)，提供基本的位置、速度、航跡等基本服務，還能夠提供視頻、組播通信、數(shù)字地圖等高級功能;不僅能夠?qū)崿F(xiàn)“岸艦”的高速、低延遲通信，還能夠?qū)崿F(xiàn)“艦艦”的實時通信，較之以往船舶中使用的信息導航系統(tǒng)，大大提高了信息的準確性、實時性和功能性。其基本架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 導航信息系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of navigation information system

系統(tǒng)中包含多種信息，需要與其他模塊協(xié)調(diào)工作從而完成整個信息交換和導航功能，因而需要開發(fā)相應的接口，從而調(diào)用雷達、GPS 信息等，實現(xiàn)信息的融合，向船舶提供全維度的導航與通信功能。這類接口分為2 種，一種為軟件接口，如GPS 位置服務接口等，此類接口大多數(shù)已經(jīng)得到開發(fā)并實現(xiàn)商業(yè)應用，對軟件接口的分析可見文獻［4］;一種為硬件接口，需要根據(jù)硬件的主要類型來決定，目前還處于進一步的開發(fā)過程中。

該系統(tǒng)框架相較于傳統(tǒng)的導航信息系統(tǒng)具備以下優(yōu)點:

1)通過4G 通信網(wǎng)，能夠?qū)⒃雀鱾€獨立的信息采集與交換系統(tǒng)融合起來，實現(xiàn)多維的信息傳遞與描述;

2)使用4G 通信網(wǎng)，克服之前VTS 中只能夠?qū)崿F(xiàn)集中化管控的劣勢，可以實現(xiàn)船舶互相之間的協(xié)調(diào)和通信;

3)隨著4G 通信技術(shù)的普及，使用該系統(tǒng)的成本必將持續(xù)下降;

4)當前智能手機等移動4G 終端功能強大，技術(shù)成熟，大大降低了本系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。

2 導航信息系統(tǒng)參數(shù)的確定

在船舶的導航和預警過程中，有若干參數(shù)可以用來衡量船舶碰撞的可能性大小和危險程度。在本文中，主要利用2 個參數(shù):碰撞可能性參數(shù)和碰撞危險性系數(shù)。其中碰撞可能性參數(shù)，通過分析船舶的航行方向、速度等，判斷其是否有航跡重疊的可能，是否有碰撞的可能;碰撞危險性系數(shù)指的是，當已經(jīng)判斷有碰撞的可能性之后，在多長的距離以及多短的時間內(nèi)，采取規(guī)避動作安全。通過這2 個參數(shù)，能夠使得本文提出的系統(tǒng)，對附近海域的多個目標進行篩選，發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生碰撞的，并在合適的時間和距離內(nèi)實施規(guī)避動作，從而有效避免事故的發(fā)生。

2.1 碰撞可能性參數(shù)

設定當前船舶的運行方向為正方向，令p 為碰撞可能性參數(shù)。當p=0 時，則認為不可能碰撞;當p=1時，則認為必然發(fā)生碰撞;當p 為其他值時，可能發(fā)生碰撞。

首先引入方向參數(shù)d，用來判斷兩船舶的航跡是否可能重合。當d =1 時，可能會重合;當d =0 時，不可能重合，則建立如圖2 所示的坐標系。

圖2 船舶航行坐標系圖Fig.2 Coordinate system diagram of sailing

其中a 為當前船舶Ship - A 相對于對方船舶Ship-B 的相對角，b 為Ship -B 的航行角，則可根據(jù)獲得如下結(jié)論:

d = 1，當且僅當

則令Ship - B 所在坐標 為(x，y)，方向向量為b，速度為vb，其速度在2 個方向上的分量分別為vx和vy，則可得以下函數(shù):

則可得碰撞可能性參數(shù)為:

2.2 碰撞危險性參數(shù)

根據(jù)以往的研究，在視野良好的情況下，兩船的安全距離為4 n m;在視野糟糕的情況下，兩船的安全距離為6 n m，假設兩船的速度分別為矢量a 和矢量b，則令a′和b′分別為其速度矢量在相向方向上映射的分量，則其分別為角度a 和b 的函數(shù)。則可計算最短安全時間為:

根據(jù)上式和行駛的速度，易得最短安全距離SAD，通過文獻［8 -9］的研究，在此引入衡量參數(shù)k，其中k 越高說明碰撞的幾率越高:

其中ρ 和σ 分別為最短安全距離和時間的衡量參數(shù)。在不同的情景中，可以對其采用不同的取值，例如當船舶從左舷穿過時，可取σ =0.5，ρ =5，相關(guān)的研究成果在文獻［9］中得到了驗證。

通過以上2 個參數(shù)，則可以對船舶的碰撞可能性與危險性進行判斷，從而為船舶的導航和預警提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)

在系統(tǒng)的實現(xiàn)和仿真過程中，首先采用軟件方法在4G 智能終端上實現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能，并利用相關(guān)的信息驗證了文章提出系統(tǒng)框架的可行性。之后，根據(jù)實際的應用場景，設置相應的環(huán)境參數(shù)，利用數(shù)值運算和分析的方式對基于4G 的信息導航系統(tǒng)運行效率進行測試，最后證明本文提出的方法具有一定的高效性。

首先需要確定系統(tǒng)傳遞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)傳遞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.1 Data structure of the system of information transmission

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于Android 4.3 平臺開發(fā)了相應的實驗程序，結(jié)合常見的電子地圖應用則可以對本文的系統(tǒng)進行驗證，

通過圖3 可以看出，在電子地圖上，可以清晰地顯示出對方船舶的位置，并能夠計算出相應的p值和k 值，對本船進行導航和預警。初步驗證了本文提出方法的有效性。

圖3 在GIS 系統(tǒng)中仿真圖Fig.3 Simulation in GIS system

然后，選擇幾種較為常見的通信方式作為比較，考察本文提出方法在不同環(huán)境下工作的效率。

采用CDMA 和VHF 作為模擬對比對象，通過在不同的信道衰減條件下，模擬不同的通信環(huán)境，從而檢測本文提出方法的可靠性，測試的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同信道衰減測試結(jié)果Fig.4 Different channel attenuation test results

從以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看到，隨著信道衰減的增加，各種通信方式的可用帶寬都有了明顯的下降，然而4G 通信相較于另外2 種常用的通信方式，在較惡劣的環(huán)境下，仍能夠保持較高的可用帶寬，基本能夠滿足系統(tǒng)工作所需要的帶寬要求。

4 結(jié) 語

本文通過分析當前船舶導航信息系統(tǒng)的主要問題和需求，結(jié)合當前信息通信技術(shù)的發(fā)展，提出了一種基于4G 通信技術(shù)的導航信息系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，通過軟件仿真和數(shù)值模擬，證明了與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方案具有一定的優(yōu)勢、可行性和高效性。

然而，目前我國的4G 基站建設還在如火如荼的進行中，雖然增長很快，但還未能覆蓋我國大部分的近海海域，因而本文提出的方法暫時還不具備立即投入實用的條件，同時，對于其他船舶用信息系統(tǒng)，如VTS、AIS 等，如何將它們?nèi)诤先氡疚牡南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中，還需要進一步研究和開發(fā)相應的接口。

［1］MAKIKO MINAMI，JUNJI FUKUTO，YASUYUKI NIWA.Study on navigation integration exchange support system with AIS［J］.Japan Institute of Navigation 120，2008(3):389 -391.

［2］Japan coast guard current status and measures for marine accident 2012［M］.Tokyo:Husakio Press，2007:25 -48.

［3］MAKIKO MINAMI. The statistics and analysis of fishing boats in East Sea in first quarter of 2012［EB/OL］.http://www. dhyzchina. gov. cn/article. asp?news _ id=10043.

［4］KOJI MURAI，SHEN Guang-wei，YUJI HAYASHI. Comments on marine accidents of ningbo port［M］. Ningbo:Zhejiang Press，2011:355 -389.

［5］IMO regulation 19 of SOLAS Chapter V［S］.

［6］The government of Zhoushan city，(2011). Survey report of the accident between shipping boat and merchant ship in Zhoushan region［M］. Ningbo:Zhejiang Press，2011:663-678.

［7］Hironobu FURUYA SKY Perfect JSAT Launches Ocean BB(maritime VSAT broadband service)［J］. Navigation 174，2010(4):53 -54.

［8］KEARON J.Computer programs for collision avoidance and traffic keeping conference on mathematical aspects on marine traffic［M］. London:Aeademic Press，1997:223-246.

［9］WENG Jian-jun. The research on change regulation of DCPA and TCPA to give best collision avoidance［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2004.