張龍龍，袁靜雯，金喆洙

(韓國國立釜慶大學(xué) 海洋融合設(shè)計工學(xué)學(xué)科 設(shè)計工學(xué)，韓國 釜山 48513)

0 引 言

船舶是通過導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行以及實時航行路線的確定[1]。船舶導(dǎo)航系統(tǒng)提供船舶位置、航向、航速、水平以及方位基準(zhǔn)等相關(guān)數(shù)據(jù)，主要由導(dǎo)航系統(tǒng)、定位設(shè)備等多個部分組成[2]，通過各個部分之間的協(xié)作和運行，實現(xiàn)船舶的航行計劃。由于海上環(huán)境多變且復(fù)雜程度較高[3]，海上船舶數(shù)量較多，對船舶實時導(dǎo)航效果造成一定影響，導(dǎo)致其航行情況發(fā)生不同程度的偏差[4]，導(dǎo)航結(jié)果的可視化效果不理想。此外，海上交通管理水平不斷提升，對于智慧導(dǎo)航的需求也不斷提升。羅春艷等[5]為實現(xiàn)船舶自主導(dǎo)航，以水面環(huán)境信息為基礎(chǔ)，以獲取最優(yōu)路徑為核心，完成船舶航行導(dǎo)航路徑規(guī)劃。該方法在應(yīng)用過程中，能夠精準(zhǔn)完成導(dǎo)航路徑的規(guī)劃，但是無法實現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)果的可視化交互。張莉等[6]為實現(xiàn)船舶精準(zhǔn)導(dǎo)航，通過仿真模型對船舶的航行位姿和位置進(jìn)行仿真模擬，實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的建模，保證船舶導(dǎo)航的可靠性。但是該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，對于海量導(dǎo)航信息的處理效率較低。

人機(jī)交互技術(shù)是以計算機(jī)等輸入和輸出設(shè)備為依據(jù)，完成計算機(jī)和人之間的交互，該交互結(jié)果可以是二維圖形交互或者三維圖形交互等，并且該交互結(jié)果具有較好的視覺渲染效果，可全面呈現(xiàn)交互內(nèi)容[7]。本文結(jié)合船舶導(dǎo)航存在的問題以及實時導(dǎo)航的需求，設(shè)計基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶實時導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 船舶實時導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為實現(xiàn)船舶智慧實時導(dǎo)航，降低環(huán)境或者天氣等因素對于導(dǎo)航效果的影響，并全面、可靠呈現(xiàn)船舶導(dǎo)航結(jié)果，設(shè)計基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶實時導(dǎo)航系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)完成船舶智慧導(dǎo)航，并生成海上地圖，呈現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)果。系統(tǒng)整體分為3 個模塊，分別為信息集成模塊、導(dǎo)航管理模塊以及人機(jī)交互模塊。信息集成模塊依據(jù)衛(wèi)星、GPS 接收器、傳感器以及紙質(zhì)海圖導(dǎo)入等，獲取船舶的實時航行狀態(tài)以及海圖信息等，通過工業(yè)控制總線PC104 的嵌入式計算機(jī)完成上述信息的綜合處理后，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口將信息傳送至導(dǎo)航管理模塊中。該模塊主要依據(jù)GPS 和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)系統(tǒng)完成船舶智慧導(dǎo)航，并且可完成船舶航行相關(guān)信息的查詢；查詢結(jié)果通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行可視化交互。人機(jī)交互模塊主要通過Web 構(gòu)建交互模塊，并且進(jìn)行交互結(jié)果的渲染。此外，該模塊在進(jìn)行人機(jī)交互時，可控制可視化的視圖角度，通過色彩顯示屏呈現(xiàn)交互可視化結(jié)果。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶實時導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Architecture of a real-time navigation system for ships based on human-computer interaction technology

信息集成模塊：主要以PC104 的嵌入式計算機(jī)為核心支撐，包含衛(wèi)星、GPS 接收器、多源傳感器，紙質(zhì)海圖、PC104 總線協(xié)議以及可擴(kuò)展無線網(wǎng)卡等部分，主要作用是獲取船舶航行的相關(guān)信息，并實現(xiàn)信息的集成。通過協(xié)議總線將信息傳送至導(dǎo)航管理模塊，為船舶實時導(dǎo)航提供信息依據(jù)。

導(dǎo)航管理模塊：接收信息集成模塊傳送信息后并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)船舶導(dǎo)航以及船舶航行相關(guān)信息的查詢，包含船舶方位、運動軌跡、航行速度、當(dāng)前實時位置以及規(guī)劃航行線路等。其中，船舶的導(dǎo)航是通過INS/GPS 組合導(dǎo)航模型完成。

人機(jī)交互模塊：主要包含視圖控制、圖層控制、彩色顯示器、Web頁面以及Node.js 技術(shù)等部分，完成船舶智慧導(dǎo)航結(jié)果的可視化渲染，并通過顯示屏完成人機(jī)交互。

1.2 信息集成模塊結(jié)構(gòu)

船舶綜合導(dǎo)航信息的管理是實現(xiàn)船舶實時導(dǎo)航的重要依據(jù)，因此，為保證船舶實時導(dǎo)航效果，以PC104 的嵌入式計算機(jī)為核心構(gòu)建信息集成模塊，實現(xiàn)綜合導(dǎo)航信息的集成管理，該模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在進(jìn)行船舶綜合信息管理過程中，為保證信息的安全傳輸，以PC140 總線協(xié)議作為傳輸協(xié)議，保證信息的傳輸安全性，并且設(shè)有2 個EMERALD-MM 八串口卡、串口接口協(xié)議、CAN 卡、以太網(wǎng)接口等，以此滿足綜合船舶導(dǎo)航的管理需求。

圖2 信息集成模塊結(jié)構(gòu)Fig. 2 Information integration module structure

1.3 導(dǎo)航管理模塊設(shè)計

1.3.1 導(dǎo)航管理模塊結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)船舶的實時智慧導(dǎo)航是系統(tǒng)的核心目標(biāo)，因此，導(dǎo)航管理模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊，該模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該模塊以S3C2440 作為微處理器，實現(xiàn)電子地圖的管理以及視圖控制。同時，通過該處理器控制并調(diào)用導(dǎo)航管理模塊中的步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、內(nèi)部存儲器中的信息，并將信息傳送INS/GPS 組合導(dǎo)航模型中，進(jìn)行船舶的實時導(dǎo)航。

圖3 導(dǎo)航管理模塊結(jié)構(gòu)Fig. 3 Navigation Management Module Structure

1.3.2 基于INS/GPS 的船舶導(dǎo)航模型

導(dǎo)航管理模塊為精準(zhǔn)、有效完成船舶的實時導(dǎo)航，將INS 和GPS 相結(jié)合，構(gòu)成INS/GPS 船舶導(dǎo)航模型，能夠充分利用存儲的船舶導(dǎo)航相關(guān)信息，有效避免導(dǎo)航結(jié)果發(fā)生發(fā)散現(xiàn)象。如果船舶的狀態(tài)變量和狀態(tài)方程分別用和x表示，兩者的計算公式為：

式中：F表示船舶狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；w表示導(dǎo)航誤差；φ表示偏航姿態(tài)角誤差； δv表示速度誤差； δp表示經(jīng)緯高位置誤差；ba和bg表示位置漂移和陀螺常值漂移。

量測方程用z表示，其計算公式為：

式 中： δPGPS和 δVGPS均 表示 誤 差，前 者 對 應(yīng)GPS 測 量位置，后者對應(yīng)GPS 測量速度； δPIMU和 δVIMU均表示誤差，前者對應(yīng)慣性器件積分位置，后者對應(yīng)管型器件速度；v表示GPS 系統(tǒng)誤差，H表示GPS 系統(tǒng)的量測矩陣，其表達(dá)式為：

依據(jù)GPS 測量數(shù)據(jù)即可獲取狀態(tài)變量的估計結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，引入Kalman 濾波算法，Kalman 濾波狀態(tài)模型公式為：

1.4 人機(jī)交互模塊結(jié)構(gòu)

該模塊的主要作用是實現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)果和用戶之間的可視化交互，并且在交互過程中，為保證交互效果，通過Node.js 技術(shù)進(jìn)行信息渲染，最后通過 Web頁面的形式展示給用戶。該模塊整體分為：用戶交互設(shè)計功能、信息渲染功能、交互頁面加載功能。通過3 個部分的結(jié)合，實現(xiàn)船舶導(dǎo)航結(jié)果的人機(jī)交互。該模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 人機(jī)交互可視化技術(shù)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of human-machine interaction visualization technology

1）用戶交互設(shè)計功能

該功能主要完成交互界面的設(shè)計，對于交互頁面結(jié)構(gòu)而言，采用分布加載的方式完成前端加載過程的設(shè)計，優(yōu)化加載性能，同時設(shè)有信息容災(zāi)備份功能，一旦在交互過程中，交互界面加載失敗，則可馬上進(jìn)行回滾操作，保證頁面交互時的流暢性，并較少頁面加載時間。

2）信息渲染功能

信息渲染是人機(jī)交互時的重要部分，渲染主要分為2 個部分，一是前端加載渲染，另一個是局部渲染，兩者均利用Node.js 技術(shù)完成。該功能在應(yīng)用過程中，可在不依賴用戶屬性的前提下，完成前端交互平臺所有信息的分流化處理，使其形成用戶操作的相關(guān)信息以及顯示信息，同時通過MongoDB 數(shù)據(jù)庫完成交互信息的維護(hù)。

3）交互頁面加載功能

該功能的主要作用是提升Web 交互頁面的加載效率、降低用戶的操作以及等待時間，實現(xiàn)船舶導(dǎo)航結(jié)果的高效展示。在該功能中引入信息緩存技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下的交互效果。

2 測試結(jié)果與分析

為驗證本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將某救援船舶作為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)測試。該船排水量為5 564 t，功率為8500 kW，長為95 m，型寬為14.7 m，型深為7.5 m，續(xù)航能力1 500 nmile。該救援船主要用于深海救援，海域搜索范圍268 nmile。其搜索海域內(nèi)存在多條海洋暗流、并且小型島嶼和暗礁數(shù)量較多，同時該海域位于多個航線的公共航信經(jīng)過區(qū)域，船舶經(jīng)航數(shù)量相對較多。因此，該船在作業(yè)過程中對于導(dǎo)航的要求較高。

使用的導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 導(dǎo)航系統(tǒng)和傳感器相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Navigation system and sensor related parameters

應(yīng)用本文系統(tǒng)后，船舶在運行過程中能夠及時查詢實時導(dǎo)航結(jié)果，呈現(xiàn)船舶所在位置的經(jīng)度和緯度，并且可查看船舶的實時航行速度。因此，本文系統(tǒng)應(yīng)用效果較好，能夠完成船舶導(dǎo)航結(jié)果的實時查詢。

為驗證本文系統(tǒng)對于船舶的導(dǎo)航效果，獲取船舶在不同的航行距離下，偏航角、航行速度的導(dǎo)航誤差結(jié)果，如表2 所示。其中偏航角和航行速度的允許偏差結(jié)果分別為5.2°和0.5 m/s。依據(jù)表2 測試結(jié)果可知，隨著船舶航行距離的逐漸增加，偏航角、航行速度的導(dǎo)航誤差結(jié)果均在允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，兩者的最大誤差分別為4.6°和0.44 m/s。

表2 偏航角、航行速度的導(dǎo)航誤差結(jié)果Tab. 2 Navigation error results of yaw angle and navigation speed

為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)的導(dǎo)航效果，獲取船舶在作業(yè)過程中的航跡導(dǎo)航結(jié)果，將該結(jié)果和設(shè)定航線結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5 所示?？芍罕疚南到y(tǒng)能夠精準(zhǔn)完成船舶作業(yè)航跡導(dǎo)航，并且導(dǎo)航結(jié)果和設(shè)定航線之間吻合程度較高，能夠保證船舶的安全航行。

圖5 船舶在作業(yè)過程中的航跡導(dǎo)航結(jié)果Fig. 5 Navigation results of ship's track during operation

為驗證本文系統(tǒng)的船舶導(dǎo)航人機(jī)交互效果，獲取船舶導(dǎo)航結(jié)果的交互結(jié)果。本文系統(tǒng)，能夠有效完成船舶導(dǎo)航結(jié)果的可視化，并呈現(xiàn)航向海域內(nèi)的詳細(xì)情況，具有較好的人機(jī)交互效果，能夠全面呈現(xiàn)船舶的導(dǎo)航結(jié)果。

3 結(jié) 語

為提升船舶導(dǎo)航的智慧水平以及實時性，全面掌握船舶航行狀態(tài)，并實現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)果的可視化交互，設(shè)計基于人機(jī)交互技術(shù)的船舶實時導(dǎo)航系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的應(yīng)用效果展開相關(guān)測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)掌握船舶的實時航行情況，并且能夠按照設(shè)定的航行線路精準(zhǔn)完成船舶航行導(dǎo)航，全面呈現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)果的可視化交互。