范新剛 管日升

摘要

近年來，智能船舶領(lǐng)域的興起以及智能船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，使船舶智能化、無人化成為全球航運的大勢所趨。文中具體介紹了智能船舶技術(shù)中基于船載的智能船舶集成系統(tǒng)的主要功能、系統(tǒng)設(shè)計流程等，智能船舶集成系統(tǒng)根據(jù)船平臺各類傳感器和岸基指揮中心提供的信息，判別智能船舶航行狀態(tài)，實時完成信息處理，為智能船舶自主航行提供決策和控制信息，指揮智能船舶安全航行。

【關(guān)鍵詞】智能船舶 船載 集成系統(tǒng)

1 引言

目前，世界上80%以上的貿(mào)易通過航運完成;有超過50000艘商船從事國際貿(mào)易，維護著全球物資運輸?shù)姆€(wěn)定，近年來，“智能化”的制造模式和產(chǎn)品向各個領(lǐng)域延伸。作為傳統(tǒng)行業(yè)，船舶工業(yè)和航運業(yè)都在經(jīng)歷智能化的沖擊。

智能船舶領(lǐng)域的興起以及智能船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，使船舶智能化、無人化成為全球航運的大勢所趨，有關(guān)智能船舶的定義，目前尚無定論。一種較為普遍的說法是，所謂智能船舶的概念，即是以“大數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，運用先進的信息化技術(shù)，如實時數(shù)據(jù)傳輸和匯集、大計算容量、數(shù)字建模能力、遠程控制、傳感器等，實現(xiàn)船舶智能化的感知、判斷分析，以及決策和控制，從而更好地保證船舶的航行安全和效率以及經(jīng)濟性。

2 智能船舶集成技術(shù)

2.1 智能船舶集成技術(shù)原理

智能船舶集成系統(tǒng)接收本船避碰聲納、測深聲納、光電傳感器、導航雷達、AIS系統(tǒng)、GPS/北斗等傳感器發(fā)送的航行數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，接入本船的航行數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)、船舶狀態(tài)檢測系統(tǒng)、甲板設(shè)備控制系統(tǒng)和智能機艙系統(tǒng)，以及接入岸基中心外部信息，智能船舶集成系統(tǒng)通過自動感知和獲得船舶自身位置、航速、航向等船舶運動參數(shù)，水深、港口設(shè)施、危險區(qū)等靜態(tài)環(huán)境信息，它船位置、航速、航向等目標參數(shù)以及風、波、浪、涌、潮、氣象等海洋環(huán)境信息和數(shù)據(jù)，結(jié)合智能化電子海圖，并依據(jù)計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶，為智能船舶航運實時提供決策和控制信息，以使船舶更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠。

2.2 功能研究

智能船舶集成系統(tǒng)主要根據(jù)船平臺各類傳感器和岸基指揮中心提供的信息，判別智能船舶航行狀態(tài)，實時完成信息處理，為智能船舶自主航行提供決策和控制信息，其主要功能如下。

2.2.1 信息接收與上傳功能

（1）接收本平臺各傳感器（雷達、光電、聲納、導航等）發(fā)送的航行數(shù)據(jù)和設(shè)備信息;

（2）接收岸基指揮中心傳送的外部信息（包括海洋環(huán)境、目標參數(shù)、航行管理信息等）;

（3）向岸基指揮中心上報本平臺信息。

2.2.2 情報綜合處理功能

（1）對來自本平臺雷達、聲納、導航等傳感器信息以及岸基指揮中心傳送的信息進行綜合處理和全景態(tài)勢顯示;

（2）對來自本平臺各類設(shè)備工作狀態(tài)信息進行綜合處理，識別設(shè)備狀態(tài)。

2.2.3 航行輔助決策功能

（1）根據(jù)岸基指揮中心的指令，在電子海圖背景下自動規(guī)劃航行路線;

（2）對發(fā)現(xiàn)目標的運動要素進行自動解算，提供目標機動判斷，為安全避碰、船舶機動優(yōu)化提供依據(jù);

（3）根據(jù)設(shè)備工作信息，判斷本平臺設(shè)備工作狀態(tài)，對船舶及系統(tǒng)運行趨勢作預測和實時優(yōu)化決策，當設(shè)備故障時給出報警，并按照預案自動或人工控制，采取措施保障航行。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲與回放功能

實時記錄存儲航行和設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并可回放和驅(qū)動打印。

2.2.5 冗余備份功能

系統(tǒng)具有雙冗余熱備份功能。當任一顯示控制臺（或網(wǎng)絡(luò)）故障時，系統(tǒng)可功能重組，確保系統(tǒng)不間斷運行，完成原系統(tǒng)全部功能。

2.2.6 模擬演練功能

借助數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，模擬生成系統(tǒng)演練、檢測工作狀態(tài)必需的傳感器和設(shè)備信息，模擬生成船舶航行工作流程，在特定的海洋環(huán)境條件下，進行船舶航行模擬演練。

2.2.7 故障自檢功能

系統(tǒng)具有診斷和定位設(shè)備故障功能，故障定位到板級電子模塊。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計原則

智能船舶集成系統(tǒng)軟件設(shè)計原則，遵守軟件工程規(guī)范，實施版本控制，使軟件系統(tǒng)易于維護、升級、擴展。著重考慮系統(tǒng)性能效率 （特別是大容量船舶目標的更新顯示效率）和穩(wěn)定可靠性。該系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)思想，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計的思路，在分析整個系統(tǒng)的輸入/輸出基礎(chǔ)上，以提高系統(tǒng)的開放性、可伸縮性和通用性。

軟件體系結(jié)構(gòu)：三層模型設(shè)計，數(shù)據(jù)層、處理層、功能組件層。數(shù)據(jù)層為多源傳感器數(shù)據(jù)的輸入輸出等;處理層主要實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合處理等;功能組件層由各種組件和控件組成。

軟件設(shè)計流程：定義數(shù)據(jù)模型及輸出結(jié)果的類型;數(shù)據(jù)層與處理層的代碼實現(xiàn);功能組件層接口定義;功能組件層代碼實現(xiàn)及單元模塊測試;系統(tǒng)測試等。

3 智能船舶集成系統(tǒng)設(shè)計

智能船舶集成系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容包括人工智能深度學習服務(wù)集群、智能大型數(shù)據(jù)庫服務(wù)集群、智能機艙服務(wù)器、綜合導航服務(wù)器、智能航行數(shù)據(jù)服務(wù)器、船舶狀態(tài)服務(wù)器、甲板設(shè)備控制服務(wù)器和服務(wù)器通訊設(shè)備等，智能船舶集成系統(tǒng)在智能船舶體系結(jié)構(gòu)中的設(shè)計思路見圖1所示。

3.1 系統(tǒng)流程設(shè)計

智能船舶集成系統(tǒng)流程設(shè)計見圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

智能船舶集成系統(tǒng)采用了多種通信路由，包括海洋通訊衛(wèi)星、無線3G/4G網(wǎng)絡(luò)等作為數(shù)據(jù)傳輸方式，通過與岸基控制中心的信息交互，實現(xiàn)對智能船舶的智能控制，提高智能航運船舶的航行安全性，減少水上交通事故，保障生命財產(chǎn)安全。

基于3G/4G的船載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由3G/4G網(wǎng)絡(luò)和Internet組成，通過3G/4G模塊連接到Internet，通過Socket套接字編程接收船載終端發(fā)送到Internet的數(shù)據(jù)信息;本系統(tǒng)集成了3G/4G通信模塊，具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，可以接收來自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息。

3.3 數(shù)據(jù)處理設(shè)計

智能船舶集成系統(tǒng)自動獲取雷達光電、聲納、AIS等實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測目標的動態(tài)信息，但是由于多目標數(shù)據(jù)融合時間不同步、數(shù)據(jù)率不一致以及多傳感器空間分布存在差異，本系統(tǒng)結(jié)合統(tǒng)一坐標方法，采用時空對準算法，以及對各傳感器采集的目標數(shù)據(jù)進行內(nèi)插、外推，并通過航跡關(guān)聯(lián)算法，解決傳感器空間覆蓋區(qū)域中的重復跟蹤問題，通過采用信息優(yōu)化技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)、態(tài)勢分析評估技術(shù)和融合推理技術(shù)，實現(xiàn)在航線選擇，船舶避讓、防臺避風、船舶營運等方面的優(yōu)化，生成正確的航行決策。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計見圖3所示。

3.4 協(xié)同探測設(shè)計

智能船舶集成系統(tǒng)實現(xiàn)多傳感器情報的集成分發(fā)與融合，完成對各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測。多種傳感器的應(yīng)用環(huán)境、作用距離、目標識別能力均不同，為實現(xiàn)系統(tǒng)對目標的遠程預警、中程跟蹤與近程分類與識別能力，需要多種傳感器對目標進行協(xié)同探測。

3.5 航行輔助決策設(shè)計

根據(jù)岸基控制中心的指令，根據(jù)設(shè)備工作信息，判斷本平臺設(shè)備工作狀態(tài)，通過對多傳感器和海洋信息等進行處理分析，采用動態(tài)拾取海圖數(shù)據(jù)法，對海圖起始點和終點間的海圖路線間的元素進行提取，并接入岸基指揮中心的海洋信息數(shù)據(jù)、各傳感器的目標數(shù)據(jù)，對發(fā)現(xiàn)目標的運動要素進行自動解算，提供船舶機動方案，結(jié)合電子海圖自動規(guī)劃路線算法，在電子海圖背景下自動規(guī)劃航行路線，并按照預案自動或人工控制，采取措施保障航行。

4 結(jié)論

智能船舶領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，智能船舶集成系統(tǒng)是智能船舶的重要組成部分，智能船舶集成系統(tǒng)智能化不可避免，是今后智能船舶領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

本文主要介紹了智能船舶集成系統(tǒng)的設(shè)計思想、信息流程和主要功能，描述了基于船載的智能船舶集成系統(tǒng)根據(jù)船平臺各類傳感器、岸基指揮中心信息、海洋環(huán)境信息和它船運動信息等，判別智能船舶航行狀態(tài)，實時完成信息處理，為智能船舶航運實時提供決策和控制信息，輔助船舶安全航行，本文對設(shè)計和制造智能船舶智能平臺方面具有一定借鑒意義。

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