張琛雨

（大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引言

船舶在海上航行過程中，如果觸碰到暗礁，或者與其它船只發(fā)生碰撞，不僅使船舶無法正常運(yùn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)危及到船員的生命安全。通常情況下，船舶出現(xiàn)碰撞事故，多數(shù)是駕駛員操作不當(dāng)引發(fā)的。為避免駕駛員由于操作不當(dāng)引發(fā)的碰撞事故，積極應(yīng)用船舶避碰自動(dòng)化技術(shù)，并且與新型航海技術(shù)相互融合，提升船舶安全穩(wěn)定的運(yùn)行能力。

1 船舶避碰自動(dòng)化概述

1.1 船舶避碰自動(dòng)化研究現(xiàn)狀

在研究船舶避碰自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，應(yīng)收集船舶航行過程中，水上、水下等物標(biāo)信息，將物標(biāo)信息作為研究依據(jù)，直接應(yīng)用在船舶操縱系統(tǒng)中，系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)船舶遇到物標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的信息，及時(shí)轉(zhuǎn)變航行路線，降低船舶發(fā)生碰撞事故的概率。此外研究船舶碰壁自動(dòng)化技術(shù)，還應(yīng)獲取更多的信息，其中量化處理寬水域船舶航行信息是重要的組成部分，將該信息納入到避碰自動(dòng)化技術(shù)中，一方面可以使該技術(shù)具備判斷功能，主要用于判斷船舶與物標(biāo)之間的距離，使船舶與物標(biāo)保持在安全距離，有效防止碰撞情況的發(fā)生；另一方面該技術(shù)采用多種方法，包括綜合應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家智能技術(shù)等，可以為船舶快速制定避碰決策。

船舶發(fā)生碰撞事故，多數(shù)與人為因素有關(guān)，其中駕駛員操作不當(dāng)，會(huì)提升船舶發(fā)生碰撞事故的概率。船舶駕駛員應(yīng)嚴(yán)格按照《國(guó)際海上避碰規(guī)則》操作船舶，并且具備較高的專業(yè)素養(yǎng)以及富有豐富的航海經(jīng)驗(yàn)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)船舶遇到的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，或者一旦發(fā)生碰撞，可以快速處置，避免船舶無法正常的航行。但是駕駛員在操作船舶過程中，仍存在發(fā)生錯(cuò)誤的情況，需要在船舶內(nèi)應(yīng)用避碰自動(dòng)化技術(shù)，同時(shí)配合使用先進(jìn)的可行技術(shù)，充分發(fā)揮避碰技術(shù)的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，為駕駛員提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，駕駛員根據(jù)數(shù)據(jù)可以快速完成自動(dòng)駕駛操作，極大地降低船舶發(fā)生碰撞事故的概率[1]。

1.2 船舶避碰自動(dòng)化問題

船舶避碰自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過程中，仍存在一定的問題：首先，避碰自動(dòng)化技術(shù)可以構(gòu)建2 個(gè)系統(tǒng)，分別為避礁系統(tǒng)和避碰系統(tǒng)。2 個(gè)系統(tǒng)在船舶航行中，均發(fā)揮重要的作用。船舶進(jìn)入到寬水域航行過程中，主要使用避碰系統(tǒng)，對(duì)避碰系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善，可以提高避碰系統(tǒng)的決策能力，但是避碰系統(tǒng)與避礁系統(tǒng)無法有效融合，導(dǎo)致避碰系統(tǒng)的性能存在一定的缺陷；其次，在獲取水上物標(biāo)信息時(shí)，船舶主要依靠導(dǎo)航雷達(dá)，但是導(dǎo)航雷達(dá)在使用過程中存在一定的局限性，如無法快速確定水上物標(biāo)信息，導(dǎo)致避碰決策效率下降。在導(dǎo)航雷達(dá)用于收集水上物標(biāo)信息過程中，為使船舶收集水下物標(biāo)信息，將暗礁聲吶系統(tǒng)應(yīng)用在船舶中，從而構(gòu)建水上和水下雙重避碰系統(tǒng)。船舶進(jìn)入航行狀態(tài)，利用水中雷達(dá)可以預(yù)測(cè)船舶與暗礁的距離，同時(shí)測(cè)量船舶所處的安全水深，從而評(píng)估船舶可能發(fā)生碰撞事故的概率。但是我國(guó)船舶避碰技術(shù)應(yīng)用較為落后，只有部分船只配置水下雷達(dá)系統(tǒng)，并且水下雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量距離僅為1000 m 左右，在較短的距離內(nèi)，極易發(fā)生碰撞事故。

2 船舶避碰自動(dòng)化的研究

2.1 AIS 在船舶避碰自動(dòng)化中的應(yīng)用

1）AIS 的關(guān)鍵技術(shù)研究

AIS 系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)應(yīng)用在船舶中，可以產(chǎn)生諸多參數(shù)，包括船舶的對(duì)地速度、位置、對(duì)地航向等，將產(chǎn)生的參數(shù)及時(shí)傳輸至周圍的海域，可以為更多的船只提供避讓信息。

AIS 系統(tǒng)是由4 個(gè)硬件共同組成，分別為通信模塊、信號(hào)采集模塊、信息處理模塊以及顯示模塊。通信模塊采用VHF 數(shù)字通信模式，可以快速轉(zhuǎn)發(fā)和接收船舶信息。信息采集模塊，將收集到的信息，通過解碼、轉(zhuǎn)換等方式，使船舶可以根據(jù)信息調(diào)整航向。信息處理模塊，是由嵌入式微處理器系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可以發(fā)送信息，并將發(fā)送到的信息呈現(xiàn)在顯示器上。

2）船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是船舶避碰自動(dòng)化研究的重要組成部分。例如某船舶企業(yè)在設(shè)計(jì)避碰系統(tǒng)時(shí)，采用DSP 和FPGA 方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，DSP 具有多種功能，包括數(shù)據(jù)接收、船舶避碰算法等。FPGA 具有I/O 功能，可以將輸出接口連接到串行口上，同時(shí)配合使用ADC 數(shù)據(jù)采集緩存等設(shè)備，共同完成數(shù)據(jù)的采集和通信等工作，并有效簡(jiǎn)化避碰算法過程。此外FPGA 與液晶顯示器和鍵盤連接，有效提升外設(shè)設(shè)備的訪問效率，使避碰系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。

船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)內(nèi)含有多種模塊，包括AIS 信息模塊、A/D 模塊、D/A 模塊、鍵盤LED 模塊、LCD 模塊、存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、其它串行通信模塊以及其它傳感器，以DSP和FPGA 為基礎(chǔ)，為不同的模塊在避碰系統(tǒng)中的運(yùn)行提供保障[2]。

3）主要模塊設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，AIS 系統(tǒng)具備接收信號(hào)、避碰參數(shù)等功能，主要依靠DSP 系統(tǒng)。在該系統(tǒng)內(nèi)配置CPU，本次設(shè)計(jì)CPU型號(hào)為C5402，該型號(hào)的CPU 可以在不同模式下運(yùn)行，以電平模式為例，如果系統(tǒng)處于高電平狀態(tài)，可以將DSP 系統(tǒng)處于微處理狀態(tài)，該狀態(tài)可以實(shí)時(shí)接收AIS 數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。如果系統(tǒng)處于低電平狀態(tài)，將DSP 系統(tǒng)處于微計(jì)算機(jī)狀態(tài)，可以快速準(zhǔn)確計(jì)算出避碰數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的避碰控制效率。

主要模塊設(shè)計(jì)分別為AIS 信息采集、DSP 和FPGA 接口設(shè)計(jì)以及外圍電路接口設(shè)計(jì)。在AIS 信息采集模塊設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)按照AIS 信息解碼應(yīng)用程序流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如下，分別為開始、系統(tǒng)初始化、采集完一幀、數(shù)據(jù)正確、8 位ASCII 轉(zhuǎn)為6 位二進(jìn)制碼、識(shí)別消息ID、分配bit、二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)十進(jìn)制、數(shù)據(jù)計(jì)算以及信息顯示。

在DSP 和FPGA 接口設(shè)計(jì)過程中，本文設(shè)計(jì)中使用CyclneII 系列芯片，該芯片是FPGA 系統(tǒng)重要的組成部分，該芯片具有支持各種存儲(chǔ)器的資源配置、處理數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。此外，芯片可以使用I/O 系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備三態(tài)緩沖、總線狀態(tài)等功能，有效擴(kuò)大接口的連接范圍。在上述設(shè)計(jì)中，將AIS 信息串口與芯片連接，一方面防止串行接口出現(xiàn)共享斷供的情況，另一方面使串行接口運(yùn)行更加穩(wěn)定。假設(shè)在避碰系統(tǒng)中服務(wù)器出現(xiàn)問題，如串行口在連接時(shí)出現(xiàn)中斷情況，導(dǎo)致服務(wù)程序無法正常的運(yùn)行，在中斷狀態(tài)下，應(yīng)將DSP 芯片連接到AIS 系統(tǒng)上，利用AIS 系統(tǒng)專用串口，使服務(wù)器可以正常運(yùn)行。

外圍電路接口設(shè)計(jì)過程中，避碰系統(tǒng)基于FPGA 系統(tǒng)，通過連接液晶顯示接口和鍵盤接口，提升避碰系統(tǒng)的計(jì)算能力，有助于調(diào)試和控制船舶的避碰系統(tǒng)，使避碰系統(tǒng)處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。此外將不同的模塊接入到系統(tǒng)中，包括A/D模塊、D/A 模塊等，可以共同組建成接口電路，接口電路結(jié)構(gòu)內(nèi)包含上述模塊的同時(shí)，利用DAD、DDA、DADEN 以及DDAEN 等連接模塊，使系統(tǒng)內(nèi)的模塊可以正常運(yùn)行[3]。

2.2 海圖信息數(shù)字化的應(yīng)用

船舶在寬水水域航行過程中，在避碰系統(tǒng)中應(yīng)用海圖信息數(shù)字化技術(shù)，可以提升避碰系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行能力，并且有效消除傳統(tǒng)避碰系統(tǒng)受到的限制，防止船舶在航行中發(fā)生碰撞事故。應(yīng)用海圖信息數(shù)字化技術(shù)，應(yīng)充分發(fā)揮海圖信息數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：可以快速獲取船舶的靜態(tài)信息；將靜態(tài)信息與動(dòng)態(tài)避碰信息相互融合，提高避碰系統(tǒng)處理避碰信息的能力。海圖信息數(shù)字化技術(shù)可以包括多種系統(tǒng)，分別為聲吶探測(cè)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及電子顯示系統(tǒng)等，通過不同系統(tǒng)，擴(kuò)大船舶收集避碰信息的范圍。此外增強(qiáng)海圖信息數(shù)字化的應(yīng)用價(jià)值，可以在系統(tǒng)中配置ECDIS 模塊，利用該模塊為船舶提供避碰決策，并且以該模塊為基礎(chǔ)，建立動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息交換與處理平臺(tái)，在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)一步研究避碰問題，在研究中獲取解決避碰問題的數(shù)據(jù)[4]。

3 結(jié)語

在船舶避碰自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的航海技術(shù)已經(jīng)悄然發(fā)生改變，逐步形成新型航海技術(shù)，提高了船舶的安全航海能力。在應(yīng)用避碰自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)船舶的航行狀態(tài)，對(duì)避碰自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善，尤其是基于AIS 建立船舶避碰系統(tǒng)，將該系統(tǒng)與不同模塊相互連接，有效拓展和協(xié)調(diào)接口服務(wù)，擴(kuò)大接口收集信息的能力，一方面拓展避碰自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高獲取避碰信息的能力；另一方面合理應(yīng)用海圖信息數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)一步提升船舶處理避碰信息的能力，使船舶處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并且有效降低駕駛員的操作強(qiáng)度，避免由于駕駛員操作失誤而導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。