◎ 穆勝軍 汪偉奎 張華 天津中海油油田設(shè)施管理有限公司

謝斯 曹亮 廣東海洋大學(xué)

1.引言

三用工作船是一種守護(hù)船，主要負(fù)責(zé)領(lǐng)域是海上石油工程，一般在近海航區(qū)和無(wú)限航區(qū)航行。大多時(shí)候圍繞海上石油平臺(tái)低速巡航，受海上石油平臺(tái)調(diào)遣，為其運(yùn)輸物資和材料。三用工作船本身可以自主進(jìn)行拋起錨作業(yè)，以及進(jìn)行平臺(tái)和大型船舶的拖運(yùn)作業(yè)，另外還有消除油污、營(yíng)救工作人員、撈取油管、幫助提煉石油等相關(guān)作業(yè)。對(duì)三用工作船的作業(yè)安全進(jìn)行管理，不僅涉及到參與工作船本身的人員安全以及維修保養(yǎng)問(wèn)題，同時(shí)還牽扯到貨物、港口、航道設(shè)施等的安全。近些年海上油田多次發(fā)生三用工作船靠泊碰撞事故事件，例如2005年某輪離塘沽某碼頭到NB35-2送料值班，因能見(jiàn)度不良等原因撞斷錨纜。2017年5月30日 某三用工作船在東海某油田發(fā)生碰撞平臺(tái)事故。

分析事故原因，固然存在人為操船因素，但以下因素也是造成事故不可忽視的原因，需要技術(shù)手段予以克服。

（1）三用工作船需要靠泊在平臺(tái)下指定位置。船長(zhǎng)在靠泊操作過(guò)程中主要依據(jù)視覺(jué)來(lái)測(cè)距和由此感知的環(huán)境因素來(lái)預(yù)估安全程度。尤其是平臺(tái)周?chē)鷧⒄瘴锷?、靠泊作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，造成了船長(zhǎng)和操作人員的疲勞和疏忽，進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。另外，船長(zhǎng)操作還有視覺(jué)盲區(qū)，需要現(xiàn)場(chǎng)人力進(jìn)行視覺(jué)觀測(cè)距離，這又增加了靠泊的操作風(fēng)險(xiǎn)。

（2）風(fēng)浪流的不斷變化，增加了停靠難度，需要技術(shù)手段觀測(cè)距離。

（3）靠泊作業(yè)要求船舶控制在離設(shè)施較小的范圍內(nèi)，需要技術(shù)手段支持。

（4）長(zhǎng)時(shí)間靠泊操作，需要船長(zhǎng)保持精力充沛、精神集中，工作壓力大，易麻痹大意和疏忽。

為此，需要針對(duì)上述情況，開(kāi)展相關(guān)研究，對(duì)三用工作船靠泊工作予以技術(shù)裝備輔助支持。

近年來(lái)無(wú)人車(chē)、無(wú)人船等智能感知技術(shù)與激光雷達(dá)快速發(fā)展。激光雷達(dá)在智能駕駛領(lǐng)域也得到了較快的發(fā)展，用于物標(biāo)檢測(cè)和避障等輔助功能，這為本研究提供了較好的基礎(chǔ)。開(kāi)展“三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”，在三用工作船上部署激光攝像頭、后端服務(wù)器，研制出一套基于激光雷達(dá)的智能輔助靠泊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三用工作船在船尾靠泊的橫向和縱向測(cè)距和并靠中的測(cè)距，可以有效消除船長(zhǎng)觀測(cè)盲區(qū)，顯示出可操作縱向和橫向空間的大小，為船長(zhǎng)的安全操作提供精準(zhǔn)支持，減輕人為觀測(cè)的壓力，提升安全靠泊能力。

圖1 某三用工作船碰撞平臺(tái)事故示意圖

圖2 激光點(diǎn)云成像示意圖

2.激光測(cè)距和成像原理

激光雷達(dá)最大優(yōu)勢(shì)是三維點(diǎn)云建模技術(shù)。激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)的時(shí)間差和相位差來(lái)確定距離，通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)測(cè)角度，并根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)建立二維的極坐標(biāo)系，再通過(guò)獲取不同俯仰角度信號(hào)獲得三維中的高度信息。高頻激光可在一秒內(nèi)獲取大量（約150萬(wàn)個(gè)）的位置點(diǎn)信息（稱(chēng)為點(diǎn)云），并根據(jù)這些信息進(jìn)行三維建模。

圖3 主激光雷達(dá)配置示意圖

圖4 補(bǔ)盲雷達(dá)達(dá)配置示意圖

3.三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研發(fā)符合實(shí)際工作需要的三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)，可以有效消除船長(zhǎng)觀測(cè)盲區(qū)，顯示出可操作縱向和橫向空間的大小，為船長(zhǎng)的安全操作提供精準(zhǔn)支持，減輕人為觀測(cè)的壓力，提升安全靠泊能力。另外，還可以用于船舶在石油平臺(tái)附近巡航時(shí)候的異物侵入航線，助力船舶安全航行。通過(guò)使用三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)，可以提高三用工作船靠離泊安全水平，節(jié)約操作時(shí)間和減輕工作強(qiáng)度，降低靠離泊作業(yè)經(jīng)濟(jì)成本。

（1）主激光雷達(dá)。在三用工作船頂部安裝主雷達(dá)，雷達(dá)水平掃描360度，上下視野在30-40度左右，可以有效抵消船舶周期性搖擺對(duì)雷達(dá)成像的影響問(wèn)題。

（2）補(bǔ)盲雷達(dá)。在三用工作船下層安裝補(bǔ)盲雷達(dá)，可以用于消除主雷達(dá)盲區(qū)，其中前部和后部需要設(shè)置高精度激光雷達(dá)。

（3）視頻與激光雷達(dá)信息融合。在關(guān)鍵位置設(shè)置視頻采集裝置，并實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)測(cè)距和3D成像（如圖5所示）。測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)與紅外攝像數(shù)據(jù)相融合，在圖像上顯示距離平臺(tái)的距離并予以報(bào)警。

圖5 視頻信息融合示意圖

4.系統(tǒng)的創(chuàng)新

（1）首次提出了基于多激光雷達(dá)與攝像頭的三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)概念，實(shí)現(xiàn)“船”與“外界環(huán)境”的智能交互，對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)和監(jiān)測(cè)。

（2）采用先進(jìn)算法，提供了船舶靠泊的智能化、數(shù)據(jù)化和可視化的能力，提示出三用工作船靠泊平臺(tái)、碼頭和并靠其他船舶的空間大小，提升了靠泊的安全能力，結(jié)束了傳統(tǒng)靠泊工作以人眼觀察誤差大的弊端。

（3）采用先進(jìn)算法，提供了船舶巡航、航行中物標(biāo)侵入的檢測(cè)能力，提升了航行安全能力，降低了人為觀測(cè)難度，緩解了人的操作疲勞。

5.總結(jié)

本研究開(kāi)發(fā)方雖作出了最大限度的努力，初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能，但由于現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)水平、技術(shù)水平、科學(xué)知識(shí)及其他現(xiàn)有條件的限制，還存在一定的提升空間，期望再進(jìn)行深入的研究，為同類(lèi)型船舶提供一個(gè)智能安全解決方案。