王帆1，李楠，壽志杰

（1．浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 平湖 314201；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

21世紀(jì)以來，世界范圍內(nèi)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展迅速，國際貿(mào)易日趨激烈。隨著我國與世界之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來越來越頻繁，借助于海洋運(yùn)輸方式開展的貨物貿(mào)易發(fā)展勢(shì)頭迅猛，海洋貿(mào)易成為我國國際貿(mào)易重要組成部分。截至2016年年底，國際航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了我國絕大多數(shù)進(jìn)出口物資的運(yùn)輸，大宗商品進(jìn)口量繼續(xù)保持増長(zhǎng)，貿(mào)易條件進(jìn)一步改善，其中，進(jìn)口鐵礦石10.24億噸，増長(zhǎng)7.5%，原油3.81億噸，増長(zhǎng)13.6%，煤炭2.56億噸，増長(zhǎng)25.2%，鐵礦石、原油、煤炭海上進(jìn)口量分別占世界鐵礦石、原油、煤炭海運(yùn)量的71.1%、18.1%、17.6%。

“智慧港口”建設(shè)可以為確保海洋運(yùn)輸穩(wěn)固發(fā)展提供有效保障，充分借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能感知等新一代信息技術(shù)對(duì)港口進(jìn)行透徹感知、廣泛互聯(lián)以及信息深度挖掘，實(shí)現(xiàn)港口各類資源要素的無縫連接和各功能模塊的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，并最終實(shí)現(xiàn)港口智能、高效、安全、便捷、綠色發(fā)展的現(xiàn)代化港口形態(tài)。而靠離泊輔助技術(shù)是“智慧港口”建設(shè)中的重點(diǎn)內(nèi)容。在靠離泊輔助系統(tǒng)的研究歷史中，出現(xiàn)過多種探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，比如空氣聲波岸基輔助技術(shù)、聲納岸基輔助技術(shù)、微波雷達(dá)岸基輔助技術(shù)、紅外岸基輔助技術(shù)、激光岸基輔助技術(shù)等。幾種岸基輔助技術(shù)在使用過程中都有比較明顯的優(yōu)缺點(diǎn)?？諝饴暡ò痘o助技術(shù)在幾種技術(shù)中種最不穩(wěn)定，聲納岸基輔助技術(shù)作用于水下，在水下作業(yè)時(shí)，探測(cè)距離比電磁波岸基輔助技術(shù)遠(yuǎn)，精度更高，但容易受水下聲源和水下涌流的干擾。微波雷達(dá)岸基輔助技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)角度廣，能夠及時(shí)有效地把握最危險(xiǎn)情況。但所處的微波波段極易受到雨雪等氣象因素的干擾，容易受遮擋物和假目標(biāo)的影響，而且作用距離在50m左右。紅外岸基輔助技術(shù)容易受天氣影響，對(duì)氣象能見度要求高，當(dāng)氣象條件不好時(shí)，探測(cè)精度和距離無法保證。激光岸基輔助技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛且效果相對(duì)較好的一種岸基式岸基輔助系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)精度高，動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度靈敏，作用距離遠(yuǎn)。但其也存在一定的缺點(diǎn)，如激光束較窄，測(cè)量面為點(diǎn)，不能掌握船舶整體態(tài)勢(shì)，自動(dòng)尋找目標(biāo)的能力差，受天氣影響較大。而且激光岸基系統(tǒng)損壞率較高。激光探測(cè)器安裝位置固定，對(duì)船舶大小和船型的適應(yīng)性較弱。

圖1 差分定位過程

利用北斗精確定位技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)船舶進(jìn)港靠泊前以及靠泊過程中的航速、航向、距離等航行情況，并結(jié)合調(diào)度以及碼頭影像系統(tǒng)，為船舶靠離泊經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保運(yùn)行提供可靠的管理、檢測(cè)手段。

1 北斗精確定位技術(shù)

載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）系統(tǒng)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分測(cè)量系統(tǒng)，其原理是通過兩個(gè)（多個(gè)）接收機(jī)的載波數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，消除公共誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位。RTK-北斗定位系統(tǒng)在實(shí)時(shí)導(dǎo)航方面有著廣泛的應(yīng)用，通過實(shí)時(shí)獲取載體的空間坐標(biāo)，并結(jié)合其他傳感器來實(shí)時(shí)獲取自身位姿，通過高效、精確控制算法來實(shí)現(xiàn)精密導(dǎo)航。目前，利用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制的應(yīng)用有很多，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、無人飛機(jī)、無人汽車等。

差分定位的原理總的來說，是根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差變化緩慢，并且有很強(qiáng)的時(shí)間空間相關(guān)性，通過兩個(gè)接收機(jī)求差可以消除大部分相同的誤差項(xiàng)，因此，可提高定位精度。一個(gè)簡(jiǎn)單的差分定位系統(tǒng)包括三部分：基準(zhǔn)站接收機(jī)、流動(dòng)站接收機(jī)（用戶站）和數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)鏈指用于兩站之間通信的無線電設(shè)備。

差分定位過程如圖1所示。根據(jù)基準(zhǔn)站的校正信息可分為：位置差分、偽距差分、相位平滑的偽距差分、載波相位差分。差分修正主要由兩種方式來實(shí)現(xiàn)，一種是在測(cè)量過程中修正，即基準(zhǔn)站將采集原始數(shù)據(jù)發(fā)送給流動(dòng)站（用戶站），用戶站進(jìn)行解算；另一種是基準(zhǔn)站將計(jì)算后的結(jié)果發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站將自身結(jié)算的結(jié)果減去改正量來獲取最終定位。

在岸基智能指揮控制系統(tǒng)中，在碼頭岸基建立北斗定位基準(zhǔn)站，通過無線傳輸方式，自動(dòng)實(shí)時(shí)廣播基站定位差分?jǐn)?shù)據(jù)（半徑5公里內(nèi)），當(dāng)船只進(jìn)入碼頭范圍內(nèi)，船舶定位系統(tǒng)（用戶站）接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)，建立RTK系統(tǒng)，可以達(dá)到厘米級(jí)定位精度。

2 岸基靠泊智能指揮系統(tǒng)

圖2 岸基靠泊智能指揮系統(tǒng)組成框圖

岸基靠泊智能指揮系統(tǒng)如圖2所示，由下列設(shè)備組成：（1）指揮中心服務(wù)器：根據(jù)船舶上多點(diǎn)的北斗移動(dòng)定位裝置的精確定位數(shù)據(jù)進(jìn)計(jì)算航海信息。（2）岸基北斗定位基站：用于發(fā)送基站的北斗定位差分?jǐn)?shù)據(jù)RTK信號(hào)。（3）北斗移動(dòng)定位裝置：用于接收北斗定位差分?jǐn)?shù)據(jù)RTK信號(hào)并計(jì)算當(dāng)前精確定位數(shù)據(jù)。（4）岸上移動(dòng)終端與船舶移動(dòng)終端：用于接收航海信息，供岸上與船上運(yùn)行人員遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作。（5）視頻監(jiān)視設(shè)備和視頻存儲(chǔ)設(shè)備：用于船舶靠近泊位時(shí)進(jìn)行視頻安全監(jiān)控。岸基北斗定位基站與北斗移動(dòng)定位裝置通過無線通訊模塊數(shù)據(jù)通訊；北斗移動(dòng)定位裝置通過船舶無線路由器與船舶移動(dòng)終端數(shù)據(jù)通訊；服務(wù)器通過岸上無線路由器與岸上移動(dòng)終端數(shù)據(jù)通訊。

2．1 船舶定位系統(tǒng)

如圖3所示，船舶定位系統(tǒng)在船體頭部一處，尾部?jī)商幐靼惭b一套北斗移動(dòng)定位系統(tǒng)，通過接收基站傳送的差分?jǐn)?shù)據(jù)建立RTK系統(tǒng)，精準(zhǔn)定位船舶經(jīng)緯度，在北斗定位系統(tǒng)狀態(tài)正常的情況下能達(dá)到厘米級(jí)精度。

圖3 船舶定位系統(tǒng)安裝位置示意圖

通過三處北斗定位系統(tǒng)位置信息精確定位船舶。將數(shù)據(jù)回傳到系統(tǒng)后，通過計(jì)算確定船體航向、方位、航速、距離等數(shù)據(jù)。

2．2 岸基與海基實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，系統(tǒng)在碼頭布置一套岸基北斗定位基站，一臺(tái)用于定位數(shù)據(jù)綜合處理和信息發(fā)送的指揮中心服務(wù)器，一臺(tái)用于岸上傳輸WiFi信號(hào)、實(shí)時(shí)發(fā)布可視化船舶靠泊信息的無線路由器。

2．3 碼頭岸基智能指揮控制系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)平臺(tái)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括所有來煤船舶、碼頭岸基、錨樁定位、碼頭卸船機(jī)設(shè)備等，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行測(cè)繪，通過數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和建模，建立碼頭實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，從而建立一套智能化的碼頭調(diào)度指揮控制系統(tǒng)，確保船舶岸基離岸的安全。該系統(tǒng)基于多種開發(fā)語言，是一套穩(wěn)定有效，集數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲(chǔ)、預(yù)測(cè)預(yù)警于一體的系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)平臺(tái)接入相關(guān)空間定位數(shù)據(jù)、船型數(shù)據(jù)、纜繩數(shù)據(jù)、碼頭岸基數(shù)據(jù)、碼頭錨樁數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)、潮位、暗流等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析計(jì)算船舶動(dòng)態(tài)信息，并在多個(gè)指揮中心的各監(jiān)控點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示船舶靠離泊數(shù)據(jù)。

2．3．1 船體模型數(shù)據(jù)庫

基于基礎(chǔ)船型數(shù)據(jù)和3D建模技術(shù)，建立完整船體模型數(shù)據(jù)庫，可以為各個(gè)系統(tǒng)提供船體模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2．3．2 船舶岸基離岸實(shí)時(shí)空間定位系統(tǒng)

系統(tǒng)作為一套高精度船舶空間定位系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取船舶當(dāng)前位置、航速、潮位、暗流狀況、拖船當(dāng)前位置，以及智能分析和計(jì)算船舶和泊位的相對(duì)位置、船岸夾角、航行速度等?；诟呔瓤臻g定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)船舶進(jìn)行定位，智能分析船舶和泊位的相對(duì)位置、船岸夾角、航行速度等，并對(duì)錨樁和纜繩的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)方位顯示，為船舶的智能安全靠泊提供可靠數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)工作流程

圖5 系統(tǒng)界面

2．3．3 智能影像系統(tǒng)

智能影像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)再現(xiàn)船舶、碼頭岸基、碼頭錨樁、纜繩等多角度影像，在船舶駕駛艙、拖船駕駛艙、岸基導(dǎo)引、碼頭控制中心等分別安裝智能影像裝置，實(shí)時(shí)控制整個(gè)岸基過程的有序安全操作。該系統(tǒng)基于高清影像技術(shù)和影像分析技術(shù)以及高精度的測(cè)繪技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取船舶靠離泊作業(yè)時(shí)高清影像數(shù)據(jù)，建立船舶靠離岸動(dòng)態(tài)模型，調(diào)度指揮船舶的安全靠離泊作業(yè)。

2．4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，包括以下步驟：（1）碼頭岸基北斗定位基站實(shí)時(shí)廣播定位差分?jǐn)?shù)據(jù)，指揮中心服務(wù)器發(fā)送輪詢信號(hào)。（2）當(dāng)船舶進(jìn)入碼頭信號(hào)范圍時(shí)，船舶無線通訊設(shè)備接收到輪詢信號(hào)以及定位差分?jǐn)?shù)據(jù)。（3）船舶上北斗定位模塊將由北斗信號(hào)接收天線得到的船舶定位數(shù)據(jù)通過定位差分?jǐn)?shù)據(jù)校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的船舶定位數(shù)據(jù)。（4）船舶無線通訊設(shè)備將校準(zhǔn)后的定位數(shù)據(jù)傳回碼頭。（5）指揮中心服務(wù)器結(jié)合自身北斗定位數(shù)據(jù)，處理船舶北斗定位信號(hào)，得到精準(zhǔn)船舶位置、航速、姿態(tài)數(shù)據(jù)。（6）岸上無線路由器將得到的可視化靠泊方案通過WiFi傳遞給岸上移動(dòng)終端。（7）碼頭岸基北斗定位基站將可視化靠泊方案?jìng)鬟f給船舶，由船上無線路由器通過WiFi將可視化靠泊情況傳遞船上移動(dòng)終端。（8）船員以及岸上運(yùn)行人員通過指示進(jìn)行安全靠泊作業(yè)。（9）船舶靠泊至泊位后由監(jiān)控?cái)z像設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，監(jiān)控視頻信息也可通過無線路由器傳遞給無線終端以提供給運(yùn)行人員檢查。

3 應(yīng)用效果

系統(tǒng)利用北斗精確定位技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶靠泊前航速、航向、距離等航行情況，精確定位船舶位置，達(dá)到厘米級(jí)精度，為船舶靠離泊提供高精度實(shí)時(shí)性的航速、航向、距離等信息，為設(shè)立3等級(jí)（3海里、2海里、1海里）分級(jí)航速監(jiān)測(cè)提供精確數(shù)據(jù)。

利用碼頭智能攝像監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集船舶靠泊時(shí)圖像信息，便于岸上指揮人員和船長(zhǎng)實(shí)時(shí)直觀監(jiān)測(cè)船舶靠泊動(dòng)態(tài)。

系統(tǒng)的工作界面如圖5所示。

4 結(jié)語

本文在研究RTK定位原理、岸基導(dǎo)航技術(shù)以及智能影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種安全、穩(wěn)定高效的岸基智能指揮控制系統(tǒng)，滿足了“智慧港口”靠離泊智能化運(yùn)行的要求，為“智慧碼頭”的建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)。