富玲峰,廖正勇,吳富民

(1.中電科(寧波)海洋電子研究院有限公司,浙江 寧波 315040;2.嘉關(guān)市港航管理服務(wù)中心,浙江 嘉關(guān) 314001)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入,航運(yùn)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,船舶數(shù)據(jù)急劇增加。 在海上交通環(huán)境日益復(fù)雜的情況下,船舶自身周?chē)闆r的探測(cè)難度越來(lái)越大。雷達(dá)作為船舶的主要助航儀器,從出現(xiàn)至今一直發(fā)揮著重要作用。 目前航海雷達(dá)的探測(cè)距離可達(dá)10～20 mile,精度達(dá)到30 m 左右。 同時(shí)雷達(dá)也有很多缺點(diǎn):相同頻率的雷達(dá)在距離較近時(shí)會(huì)產(chǎn)生同頻干擾雜波;雷達(dá)存在30～50 m 的固定盲區(qū);雷達(dá)的方位角精度差;一般方位角誤差在1°左右,且隨量程變化而變化。 船用AIS 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是繼雷達(dá)之后最重要的避碰助航設(shè)備,該系統(tǒng)無(wú)須人工維護(hù)和參與,能夠自動(dòng)發(fā)射和接收船舶識(shí)別和航行相關(guān)信息,通信可靠性高,不受氣象海況影響,不會(huì)因雜波干擾而丟失小目標(biāo)。 AIS 作用距離在15～30 mile,精度穩(wěn)定在10～30 m。 但AIS 也存在一些局限性:如一些大的障礙會(huì)使AIS 行程信號(hào)盲區(qū),在航行實(shí)踐中也會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)丟失等現(xiàn)象;并非所有船舶都安裝AIS 設(shè)備,這就使得一些未安裝AIS 設(shè)備的小船無(wú)法被探測(cè)到。 在上述的傳統(tǒng)技術(shù)下,船舶很難探測(cè)到自身周?chē)嚯x的未安裝AIS 設(shè)備的小船或浮標(biāo)之類(lèi)的障礙物;或在夜晚視線(xiàn)不好情況下,船舶的停泊或拖輪的助泊作業(yè)時(shí),無(wú)法精確地測(cè)量出船舶周?chē)系K物的距離和方位角。 因此有必要在船舶航行中提供一種精確的邊界探測(cè)技術(shù),在船舶即將發(fā)生碰撞的時(shí)候及時(shí)發(fā)出聲光預(yù)警,避免發(fā)生不必要的碰撞[1]。

1 邊界探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本主機(jī)系統(tǒng)采用千兆以太網(wǎng)總線(xiàn)架構(gòu),利用3 個(gè)激光雷達(dá)(左舷、右舷、頂部)探測(cè)船舶周邊障礙物,通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)對(duì)3 個(gè)激光雷達(dá)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析處理后,計(jì)算出每個(gè)激光雷達(dá)的邊界距離最小的掃描點(diǎn)距離船舶中心位置點(diǎn)的距離、方位角、高度、邊界距離和接近速度的信息,在船舶的顯示預(yù)警終端的屏幕上顯示這些信息。 同時(shí)判斷邊界距離是否小于報(bào)警門(mén)限值,如果邊界距離小于報(bào)警門(mén)限值,則顯示預(yù)警終端將屏幕上顯示的信息設(shè)成紅色,同時(shí)通過(guò)喇叭發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。 邊界探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu),如圖1所示。

圖1 邊界探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 船舶邊界探測(cè)技術(shù)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以UDP 數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包為1 248 字節(jié)的報(bào)文,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包括一個(gè)42 字節(jié)的幀頭、1 200 字節(jié)的12 個(gè)數(shù)據(jù)塊、4 字節(jié)的一個(gè)時(shí)間戳和2 字節(jié)的一個(gè)工廠(chǎng)序號(hào);每個(gè)數(shù)據(jù)塊包括一個(gè)2 字節(jié)的標(biāo)志位、一個(gè)2 字節(jié)的方位角和96 字節(jié)的32 個(gè)通道數(shù)據(jù),每個(gè)通道數(shù)據(jù)包括一個(gè)2 字節(jié)的距離值和一個(gè)1 字節(jié)的反射強(qiáng)度值[2-5]。激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

以每個(gè)激光雷達(dá)的橫軸和縱軸的交點(diǎn)為雷達(dá)中心位置點(diǎn),分別以3 個(gè)激光雷達(dá)的雷達(dá)中心位置點(diǎn)為中心,建立3 個(gè)三維笛卡爾坐標(biāo)系,其中,X 軸為水平橫向,左為負(fù),右為正;Y 軸為水平縱向,前為正,后為負(fù);Z 軸為垂直方向,上為正,下為負(fù);每個(gè)激光雷達(dá)對(duì)應(yīng)的三維笛卡爾坐標(biāo)系的建立過(guò)程為:假設(shè)每個(gè)通道數(shù)據(jù)的方位角為α,垂直角為ω,距離值為R,該通道數(shù)據(jù)的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)Xi,Yi,Zi的計(jì)算方法如下:

其中,i=1 表示左舷激光雷達(dá),i=2 表示右舷激光雷達(dá),i=3 表示羅經(jīng)甲板激光雷達(dá);激光雷達(dá)坐標(biāo)系,如圖3 所示。

圖3 激光雷達(dá)坐標(biāo)系

每個(gè)激光雷達(dá)的所有掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)組成的360°全景掃描數(shù)據(jù)即為該激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)。

將3 個(gè)激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換,其中左舷激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行順時(shí)針90°的旋轉(zhuǎn)變換,得到旋轉(zhuǎn)變換數(shù)據(jù)Xr1,Yr1,Zr1,計(jì)算式為:

右舷激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行逆時(shí)針90°的旋轉(zhuǎn)變換,得到旋轉(zhuǎn)變換數(shù)據(jù)Xr2,Yr2,Zr2,計(jì)算式為:

羅經(jīng)甲板激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行水平向下45°的旋轉(zhuǎn)變換,得到旋轉(zhuǎn)變換數(shù)據(jù)Xr3,Yr3,Zr3,計(jì)算式為:

分別根據(jù)3 個(gè)激光雷達(dá)的安裝位置點(diǎn)對(duì)得到的旋轉(zhuǎn)變換數(shù)據(jù)進(jìn)行平移變換,得到3 個(gè)激光雷達(dá)的安裝位置點(diǎn)相對(duì)船舶中心位置點(diǎn)的平移數(shù)據(jù);以船舶中心位置點(diǎn)為原點(diǎn),建立船舶的三維笛卡爾坐標(biāo)系。

假設(shè)每個(gè)激光雷達(dá)的安裝位置點(diǎn)為Xfi,Yfi,Zfi,經(jīng)過(guò)平移變換后得到平移數(shù)據(jù)Xmi,Ymi,Zmi,計(jì)算式為:

其中,i=1 表示左舷激光雷達(dá),i=2 表示右舷激光雷達(dá),i=3 表示羅經(jīng)甲板激光雷達(dá)。

2.2 邊界距離計(jì)算及預(yù)警

根據(jù)船舶的尺寸信息,分別對(duì)3 個(gè)激光雷達(dá)的平移數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界計(jì)算,得到船舶邊界數(shù)據(jù),所述的船舶邊界數(shù)據(jù)包括每個(gè)通道數(shù)據(jù)的掃描點(diǎn)距離船舶中心位置點(diǎn)的距離dci、方位角?ci、高度Hci和邊界距離Di,將船舶的長(zhǎng)度、寬度和高度分別記為L(zhǎng),W和H,假設(shè)船頭近似為半橢圓,將船頭的長(zhǎng)半徑記為Rl。dci,?ci,Hci,Di的計(jì)算式為:

其中,i=1 表示左舷激光雷達(dá),i=2 表示右舷激光雷達(dá),i=3 表示羅經(jīng)甲板激光雷達(dá)。

記錄每個(gè)激光雷達(dá)的邊界距離最小的掃描點(diǎn),假設(shè)t1時(shí)刻該掃描點(diǎn)距離船舶中心位置點(diǎn)的距離為dt1,t2時(shí)刻該掃描點(diǎn)距離船舶中心位置點(diǎn)的距離為dt2,則該掃描點(diǎn)所在的船舶周邊障礙物接近船舶的接近速度vi為:

顯示預(yù)警終端接收到包含每個(gè)激光雷達(dá)的邊界距離最小的掃描點(diǎn)距離船舶中心位置點(diǎn)的距離、方位角、高度、邊界距離和接近速度的信息后,以俯視和后視的視角在船舶的駕駛臺(tái)的屏幕上顯示這些信息,同時(shí)判斷邊界距離是否小于報(bào)警門(mén)限值,如果邊界距離小于報(bào)警門(mén)限值,則船載終端將屏幕上顯示的信息設(shè)成紅色,同時(shí)通過(guò)喇叭發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警[6]。

2.3 智能語(yǔ)音預(yù)警技術(shù)

本系統(tǒng)將船舶安全距離劃分為4 個(gè)等級(jí),分別為50 m 綠色顯示區(qū)、25 m 黃色預(yù)警區(qū)、10 m 橙色警報(bào)區(qū)、3 m 紅色警報(bào)區(qū),同時(shí)采用人工智能語(yǔ)音技術(shù),根據(jù)不同情況,對(duì)航行駕駛發(fā)出不同級(jí)別的語(yǔ)音預(yù)警。 當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)的物體出現(xiàn)在船舶50 m 范圍內(nèi)時(shí),顯示預(yù)警終端會(huì)以綠色的圖標(biāo)在界面上進(jìn)行顯示,不會(huì)語(yǔ)音提醒。當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)的物體出現(xiàn)在船舶25 m 范圍內(nèi)時(shí),顯示預(yù)警終端會(huì)以黃色的圖標(biāo)在界面上進(jìn)行顯示,同時(shí)發(fā)出智能語(yǔ)音提醒,提醒內(nèi)容包括被探測(cè)物體距離、方位和速度。 當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)的物體出現(xiàn)在船舶10 m 范圍內(nèi)時(shí),顯示預(yù)警終端會(huì)以橙色的圖標(biāo)在界面上進(jìn)行閃爍顯示,同時(shí)發(fā)出智能語(yǔ)音預(yù)警。 當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)的物體出現(xiàn)在船舶3 m 范圍內(nèi)時(shí),顯示預(yù)警終端會(huì)以紅色的圖標(biāo)在界面上進(jìn)行閃爍顯示,同時(shí)發(fā)出智能語(yǔ)音緊急警告[7]。 船舶邊界探測(cè)顯示界面,如圖4 所示。

圖4 船舶邊界探測(cè)顯示界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文提供一種基于激光雷達(dá)的船舶邊界探測(cè)技術(shù),該探測(cè)方法能夠有效克服上述不利因素,精確探測(cè)船舶周?chē)嚯x障礙物并及時(shí)預(yù)警,降低發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn),提高船舶航行的安全性。 目前該技術(shù)成功應(yīng)用于天津港輪駁公司的4 艘輪船和寧波港輪駁公司的一艘輪船上,并且使用效果良好,獲得甲方公司的一致好評(píng)。