孫肅徽

（山東省港口集團(tuán)有限公司，山東 青島 266011）

0 引言

智慧港口的建設(shè)對船舶的靠泊安全性提出了越來越高的要求，其中影響船舶安全和港口工作效率的一個(gè)很重要因素就是船舶的靠離泊[1]。隨著港口碼頭的船舶噸位和密集程度不斷地增加，船舶噸位大、慣性大，在靠離泊時(shí)存在穩(wěn)定性差、操作性弱的缺點(diǎn)。近年來的海損事故也是頻頻發(fā)生，靠離泊問題導(dǎo)致的岸與船發(fā)生碰撞的事故嚴(yán)重影響了港口的工作效率[2]。而且，如果靠離泊時(shí)發(fā)生碰撞不僅會危及人員安全，而且還可能導(dǎo)致港口環(huán)境污染。因此，優(yōu)化靠離泊輔助系統(tǒng)，對解決靠離泊難的問題有重要的實(shí)際意義。

激光具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)以及定向性能好的特點(diǎn)[3]，特別適用于港口碼頭這種復(fù)雜多變的環(huán)境。智慧港口自動(dòng)靠離泊技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)精確檢測船舶相對港口碼頭的距離、速度等數(shù)據(jù)信息。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的推導(dǎo)和學(xué)習(xí)能力，能夠準(zhǔn)確、快速地處理激光測距儀收集到的不穩(wěn)定信息，然后及時(shí)、準(zhǔn)確地對靠離泊狀態(tài)進(jìn)行判斷。該研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遞歸原理，提出將激光測距參數(shù)引入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而提高船舶靠離泊的安全性、準(zhǔn)確性。

1 激光測距技術(shù)的原理

激光測距技術(shù)誕生于1960 年，主要目的是以激光作為載波，根據(jù)發(fā)出和接收激光脈沖的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離的測量。常用的激光測距法（例如相位法和超聲波）都具有距離較短、最大距離受限的缺點(diǎn)，不可擴(kuò)展；而脈沖法是采用遠(yuǎn)近紅外激光的模式，基于該技術(shù)的測距儀具有對相干性要求低、輸出功率高、頻率高、效率高、結(jié)構(gòu)簡單以及可掃描范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。具體測距的原理如圖1 所示。

圖1 脈沖式激光測距原理圖

激光發(fā)射器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)過一段距離到達(dá)目標(biāo)后被反射，激光接收系統(tǒng)中的光電探測器接收反射的回波信號，計(jì)時(shí)電路通過脈沖信號和回波信號到達(dá)的時(shí)間差得出目標(biāo)物體與發(fā)射出的距離。由于激光具有能量集中、穿透能力強(qiáng)且光源穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境條件下的距離測量。由于船型外傾，傳統(tǒng)低能光源檢測方法會失效，但是，激光在經(jīng)過光線的折射后，依然可以將大部分的能量返回接收器，因此該研究選用激光器做為輔助靠離泊的測距光源。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距靠離泊系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

輔助靠離泊系統(tǒng)可以監(jiān)測船舶距碼頭的距離、靠離泊速度以及靠離泊角度等，并根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、潮位、流速以及流向等數(shù)據(jù)對船舶靠離泊安全速度進(jìn)行修正，為船舶靠泊、停泊和離泊提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理就可以得到船舶的最優(yōu)靠離泊路徑，系統(tǒng)主要組成如圖2 所示。

圖2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距靠離泊系統(tǒng)組成圖

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距靠離泊系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型、顯示面板以及報(bào)警設(shè)備等部分組成，各部分主要負(fù)責(zé)的工作如下。

2.1.1 激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)

可通過激光掃描的方式對船舶和港口碼頭之間的空域進(jìn)行實(shí)時(shí)定向掃描，并形成船舶及碼頭的狀態(tài)參數(shù)。檢測的狀態(tài)參數(shù)信息可通過岸基網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至岸基數(shù)據(jù)分析中心。

2.1.2 BP 數(shù)據(jù)模型

BP 數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)處理中心的核心模塊。將激光雷達(dá)采集到的信息作為輸入，經(jīng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型計(jì)算得到船舶速度、航行方向、離岸距離以及靠離泊動(dòng)態(tài)情況等輸出值，并通過顯示面板等直觀地顯示信息，便于岸邊靠離泊人員和船舶駕駛員及時(shí)調(diào)整船舶狀態(tài)，保障船舶安全地靠離泊。

2.1.3 報(bào)警設(shè)備

通過智能預(yù)測系統(tǒng)對船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測。經(jīng)過數(shù)據(jù)模型分析，如果判斷當(dāng)前狀態(tài)下船舶靠離泊會發(fā)生碰撞事故時(shí)，那么報(bào)警裝置就會發(fā)出警報(bào)，并顯示優(yōu)化靠離泊參數(shù)，同時(shí)提醒工作人員及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。

2.1.4 顯示面板

顯示面板按照功能主要分為輔助靠離泊作業(yè)模塊、作業(yè)任務(wù)模塊以及港口態(tài)勢模塊。其中，輔助靠離泊作業(yè)模塊可顯示船舶相對岸邊的狀態(tài)參數(shù)信息，主要包括船型、船速、距離、航向、風(fēng)速以及風(fēng)向等，它是指導(dǎo)現(xiàn)場拖輪作業(yè)的核心手段；作業(yè)任務(wù)模塊與港口核心任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)對港口作業(yè)任務(wù)的下發(fā)及領(lǐng)??；港口態(tài)勢模塊與港口信息管控系統(tǒng)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)對港口態(tài)勢的感知及全域監(jiān)控。融合電子地圖技術(shù)可以以動(dòng)畫的形式顯示船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

2.1.5 參數(shù)設(shè)置

可手動(dòng)輸入并設(shè)置船舶的類型、作業(yè)編號、任務(wù)委派以及任務(wù)檢索等。當(dāng)需要流程作業(yè)之外的動(dòng)作時(shí)，可通過手動(dòng)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對輔助靠離泊作業(yè)的指導(dǎo)。

2.2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括2 臺工控機(jī)、2 臺激光測距儀、1 個(gè)5G 模塊、2 個(gè)無線模塊及1 臺4G 手持終端（4G 手持終端和大屏顯示為2 種設(shè)計(jì)方案，在具體應(yīng)用過程中可根據(jù)港口現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選配；另外，也可以同時(shí)選配2 種顯示方式。2 種顯示方案采用相同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可直接快速選配替換）。2 臺激光測距儀測量計(jì)算船舶距岸基的距離，通過RS-422 串口通信傳送到工控機(jī)端；工控機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，通過網(wǎng)口通信與5G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)對接。其中，從站的工控機(jī)與主站的工控機(jī)基于Lora的無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，然后將數(shù)據(jù)傳遞到5G 模塊端，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)控中心。航站中心將獲取的風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)傳遞到遠(yuǎn)控中心端，遠(yuǎn)控中心控制器通過有線網(wǎng)絡(luò)接入公網(wǎng)，且分配1 個(gè)固定IP，進(jìn)而與基于4G 手持終端處進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，有效地提高了船舶靠岸的效率。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

2.3 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)遞歸方法

感知機(jī)是一種計(jì)算模塊，同時(shí)也可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最小組成單元，即神經(jīng)元。DNN 是一種常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要特點(diǎn)是在普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了多層隱藏層，具有集成度高、學(xué)習(xí)力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；能夠輕松地描述船舶靠離泊情況。DNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4 所示。

圖4 DNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

DNN 包括多層由眾多神經(jīng)元組成的層，其中第一層是輸入層，中間的都是隱藏層，最后一層是輸出層，層與層之間通過節(jié)點(diǎn)函數(shù)和參數(shù)值進(jìn)行遞歸傳遞，假設(shè)在第l-1層一共有m個(gè)神經(jīng)元，那么對l層第j個(gè)神經(jīng)元的輸出。如公式（1）所示。

式中：zl為第l層輸入函數(shù)；k為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；為第l層參數(shù)矩陣；為第l層數(shù)據(jù)；為第l層數(shù)據(jù)偏移值。

用矩陣表示整個(gè)l層的輸出，如公式（2）所示。

式中：al為第l層輸出；al-1為第l層數(shù)據(jù)向量；W l和bl為層與層之間連接的參數(shù)矩陣和偏移向量。

該系統(tǒng)采用基于DNN 模型的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即反向傳播技術(shù)（back-propagation，BP）來對參數(shù)進(jìn)行更新和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。該系統(tǒng)選擇的BP 算法是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)梯度方法，根據(jù)微積分中的鏈?zhǔn)椒▌t，可從輸出層逐層返回到達(dá)輸入層。依次計(jì)算并更新各層變量以及參數(shù)的梯度。反向傳播更新過程如下。

根據(jù)第l層的輸出al和第l層的數(shù)據(jù)輸入t l計(jì)算總誤差，如公式（3）所示。

使用梯度下降法更新輸出該al的隱藏層的權(quán)重，如公式（4）所示。

式中：wi為第i層數(shù)據(jù)權(quán)重。

根據(jù)梯度下降法更新同一層的偏移量，如公式（5）所示。

式中：bi為第i層偏移基準(zhǔn)值。

為了避免使用固定學(xué)習(xí)率η可能會帶來梯度消失、過擬合以及梯度爆炸等問題，引入自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的方式，根據(jù)計(jì)算過程中的數(shù)值不斷更新學(xué)習(xí)率，實(shí)現(xiàn)對算法的優(yōu)化。在BP模型中以激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)為輸入，通過該算法逐層向下遞歸計(jì)算，并最終通過輸出層得到船舶的動(dòng)態(tài)預(yù)測信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船舶靠離泊的動(dòng)態(tài)預(yù)測。

2.4 數(shù)據(jù)顯示

輔助靠離泊系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示有現(xiàn)場大屏顯示和移動(dòng)終端顯示2 種方式。

2.4.1 大屏顯示

大屏顯示要求如下：1）大屏滿足戶外使用，防水防塵。2）滿足港口碼頭潮濕、腐蝕的惡劣環(huán)境。3）數(shù)據(jù)顯示清晰，可顯示3 種顏色。

選用3 200 mm×1 600 mm 的戶外P10 LED 全彩大屏，通過膨脹螺栓安裝在碼頭岸邊，面向船舶方向，引航員可以在400 m 外通過肉眼清晰識別。

顯示屏顯示船舶靠離泊距離、速度以及安全預(yù)警等，預(yù)警方式：綠色-安全；黃色-警告；紅色-報(bào)警。顯示功能如下：1）船頭、船尾距靠泊碼頭平臺的距離。各顯示三位整數(shù)，另加二位小數(shù)，單位：m。2）船頭、船尾速度。各顯示二位整數(shù)和1 個(gè)符號位，單位：cm/s。3）預(yù)警顯示。

2.4.2 移動(dòng)終端

移動(dòng)終端采用便攜式無線數(shù)傳顯示終端，通過4G 無線通信與遠(yuǎn)控中心對船岸距離、速度、角度、風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，并模擬顯示船舶靠離泊過程情況，讓引航員更直接、更方便地了解船舶和碼頭的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

2.5 靠離泊激光測距系統(tǒng)運(yùn)行流程

該研究設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距輔助靠離泊系統(tǒng)工作流程如圖5 所示。

圖5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距輔助靠離泊系統(tǒng)工作流程圖

以測量船舶靠岸為例，岸邊和船上的激光雷達(dá)不斷掃描環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析中心，數(shù)據(jù)中心首先會對數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行判斷，只有非異常數(shù)據(jù)能夠進(jìn)入下一步分析。將實(shí)時(shí)檢測到的合法數(shù)據(jù)輸入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過計(jì)算得到危險(xiǎn)距離和危險(xiǎn)情況的邊界，如果達(dá)到靠岸臨界距離，那么會通過警報(bào)和顯示屏告知工作人員，并及時(shí)做出調(diào)整；如果處于安全距離，則會繼續(xù)進(jìn)行檢測。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)采用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光測距技術(shù)對船舶靠離泊過程中的周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控。利用激光傳感器實(shí)現(xiàn)對船舶相對于岸邊的多角度大范圍數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船舶靠離泊時(shí)船舶相對于岸邊的距離、角度以及速度等的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主判定當(dāng)前靠離泊的狀態(tài)，同時(shí)針對危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。該方法有效克服了不同環(huán)境、不同船型以及不同速度下設(shè)定固定報(bào)警距離、人為判斷導(dǎo)致的不確定性，提高了船舶靠離泊的安全性和效率。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠有效輔助船舶靠離泊，顯著提高了船舶靠離泊的精準(zhǔn)率，具有良好的反應(yīng)能力和應(yīng)用前景。