李榮川，陳 寧

（1. 海裝上海局駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200129；2. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)外貿(mào)易的日益增長(zhǎng)，船運(yùn)運(yùn)輸及船舶數(shù)量日益增大，海上施工項(xiàng)目的數(shù)量也不斷增加，復(fù)雜的水域環(huán)境很容易會(huì)造成通航船舶碰撞以及擱淺，因此在復(fù)雜水域內(nèi)如何確保船舶安全避開障礙物成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題[1]。同時(shí)，隨著智能船舶的發(fā)展，基于電子海圖的路徑規(guī)劃算法成為保證船舶安全航行的一種有效方法。開發(fā)一種基于電子海圖的船舶路徑規(guī)劃模擬器顯得尤為重要，讓船員充分的理解如何根據(jù)水文、氣象等條件來(lái)制定航線，以調(diào)動(dòng)船員的學(xué)習(xí)積極性[2]。

模擬器為培訓(xùn)船員路徑規(guī)劃教學(xué)過(guò)程的可視化提供了強(qiáng)有力的手段。C#是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它使得程序員可以快速地編寫各種基于MICROSOFT.NET平臺(tái)的應(yīng)用程序并且提供了一系列的工具和服務(wù)來(lái)最大程度地開發(fā)利用計(jì)算與通訊領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于高等學(xué)校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教學(xué)試驗(yàn)中。基于Visual Studio C#設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的船舶路徑規(guī)劃模擬器充分考慮了人機(jī)交互的友好性和可擴(kuò)展性，每條航線都可以查詢或者修改當(dāng)前航線的所有航點(diǎn)，船員在直觀感受航線制定的同時(shí)，可以自己動(dòng)手修改或者增加航點(diǎn)，加深對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容的理解和掌握。模擬器可提高教學(xué)的靈活性，為船員動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供沃土。

1 系統(tǒng)內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)

模擬器利用C#與SQL Server通訊[3]，在電腦上模擬AIS信號(hào)，將所用數(shù)據(jù)存入SQL Server，并通過(guò)C#可視化界面顯示出所有有效數(shù)據(jù)，最終在電子海圖上實(shí)現(xiàn)航線模擬。其中與航線有關(guān)的所有航點(diǎn)都需經(jīng)過(guò)AIS數(shù)據(jù)加密才能通過(guò)串口輸送到電子海圖里，每2個(gè)航點(diǎn)之間形成一段航線，通過(guò)C#實(shí)現(xiàn)船只虛擬移動(dòng)，來(lái)模擬實(shí)際船只的航行。該信號(hào)模擬器的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 信號(hào)模擬器的系統(tǒng)原理框圖

模擬器操作簡(jiǎn)單，船舶只需選擇目的地港口、出發(fā)地港口、船型、桅桿高度、載貨量和吃水深度，點(diǎn)擊查詢按鈕就可以顯示所有的航點(diǎn)，如果查詢條件不滿足要求，界面顯示為空，說(shuō)明需調(diào)整檢索條件，繼續(xù)檢索。如果在局部范圍考慮水文和氣象條件需繞行，船員可以修改航點(diǎn)或者增加刪除航點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繞行，但變化后的航點(diǎn)間的船艏向和航程需重新計(jì)算[4]，系統(tǒng)界面右側(cè)提供計(jì)算的功能，船員需輸入相鄰航點(diǎn)之間的經(jīng)緯度點(diǎn)擊計(jì)算按鈕便可得最新的船艏向、航程、剩余航程、經(jīng)度增加量和緯度增加量。信號(hào)模擬界面如圖2所示。

1.1 AIS數(shù)據(jù)的加密

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是一種新型的通信導(dǎo)航系統(tǒng)，它使用自組織時(shí)分多址（SOTDMA）連接方式，在世界任一海域?qū)崟r(shí)進(jìn)行多船間、船岸間的動(dòng)靜態(tài)航行信息以及其他與航行安全相關(guān)信息的交換[5]。船舶的IMO號(hào)、MMSI號(hào)、船名、船舶經(jīng)緯度、時(shí)間、對(duì)地航速、航向信息、吃水深度、ETA等信息都需經(jīng)過(guò)AIS數(shù)據(jù)加密過(guò)后才能成為可被設(shè)備識(shí)別的暗碼[6]。在開始仿真之前，首先要把1臺(tái)正在工作的電子海圖的串口與PC機(jī)的串口連接，通過(guò)RS232信號(hào)線進(jìn)行通訊，然后打開模擬系統(tǒng)，選擇對(duì)應(yīng)的航線進(jìn)行模擬，模擬器模擬AIS信號(hào)并傳輸?shù)诫娮雍D上顯示。電子海圖與計(jì)算機(jī)連接如圖3所示。

圖2 信號(hào)模擬界面顯示

圖3 電子海圖與計(jì)算機(jī)連接

AIS數(shù)據(jù)加密是將船舶的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制，當(dāng)加密數(shù)據(jù)時(shí)，需要先將16進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)化為每字節(jié)存放6位的有效數(shù)據(jù)，然后將6位有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8位ASCII，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的 AIVDM 語(yǔ)句格式進(jìn)行打包處理[7]。

1.2 航點(diǎn)獲取與存儲(chǔ)

軟件VS2015編程獲取和存儲(chǔ)電子海圖對(duì)應(yīng)海域的環(huán)境信息，其中包括陸地、島嶼、海床和等深線等障礙物的信息，生成模擬船只航行的海洋環(huán)境空間。將已經(jīng)獲取的海洋環(huán)境模型進(jìn)行柵格化，并設(shè)置柵格的大小，啟用基于電子海圖信息的遺傳算法進(jìn)行航線規(guī)劃[8]，獲取一條航線對(duì)應(yīng)的多個(gè)航點(diǎn)。航點(diǎn)獲取軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 全局路徑規(guī)劃程序流程圖

模擬器的航線主要依賴于多個(gè)航點(diǎn)的選取，通過(guò)全局路徑規(guī)劃程序的計(jì)算，將得到一條航線對(duì)應(yīng)的多個(gè)航點(diǎn)，記錄多個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)。將所有航點(diǎn)一一輸入到系統(tǒng)中，此時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)將存儲(chǔ)所有航點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)航點(diǎn)

為了方便起見，規(guī)定格式：37°25.4′寫作37 254 000，便于后期的航線規(guī)劃和模擬。表1為通過(guò)全局路徑規(guī)劃程序得到的從煙臺(tái)港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的一條航線中的所有航點(diǎn)數(shù)據(jù)。

表1 航點(diǎn)數(shù)據(jù)

2 航線計(jì)劃表的計(jì)算

2.1 任意相鄰2點(diǎn)之間的距離

通過(guò)2點(diǎn)之間的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離[9]，具體計(jì)算為

式中：D為相鄰2點(diǎn)的距離；R為地球半徑；(L,B)、(L′,B′)分別為相鄰2點(diǎn)的經(jīng)緯度。

2.2 總航程和剩余航程的計(jì)算

總航程的具體計(jì)算為

式中：n為總航段數(shù)。

當(dāng)前航點(diǎn)剩余航程的具體計(jì)算式為

式中：m為當(dāng)前航點(diǎn)總航段數(shù)。

航程和剩余航程的計(jì)算有利于船員掌握船舶航行的整體狀況，對(duì)船舶的安全航行有著重要的意義。一方面，確定相鄰航點(diǎn)之間的航程能夠使船員明確距離下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)還有多遠(yuǎn)的距離，另一方面，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)航線和計(jì)算船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）有很大的幫助[10]，這對(duì)制定航行計(jì)劃表也有著很大的參考價(jià)值。

2.3 任意相鄰2點(diǎn)之間的航向

已知航點(diǎn)A(x1,y1)、航點(diǎn)B(x2,y2)，先求出A、B的象限角：具體計(jì)算如式（4）：

再根據(jù)條件將象限角θ轉(zhuǎn)換為方位角α[11]：

1）當(dāng)x1－x2＞0時(shí)，y1－y2＞0，α=θ。

2）當(dāng)x1－x2＜0時(shí)，y1－y2＞0，α=θ+ 180°。

3）當(dāng)x1－x2＜0時(shí)，y1－y2＜0，α=θ+ 180°。

4）當(dāng)x1－x2＞0時(shí)，y1－y2＜0，α=θ+ 360°。

在我國(guó)沿海地區(qū)的航行過(guò)程中，認(rèn)為船首向近似等于方位角，因此這里把方位角的值填入船首向的值[12]。

2.4 緯度增加量、經(jīng)度增加量的計(jì)算

通過(guò)船艏向計(jì)算緯度增加量a、經(jīng)度增加量b，具體計(jì)算為

1）當(dāng)α∈(0°, 90°)，a＝10，b＝a/tan(90°－α)。

2）當(dāng)α∈(90°, 180°)，a＝-10，b＝a/tan(180°－α)。

3）當(dāng)α∈(180°, 270°)，a＝-10，b＝a/tan(α－180°)。

4）當(dāng)α∈(270°, 360°)，a＝10，b＝-a/tan(α－270°)。

模擬器通過(guò)疊加緯度增加量和經(jīng)度增加量不斷改變當(dāng)前船舶的經(jīng)緯度數(shù)值，從而直接決定了船舶模擬航行的速度。

3 航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

將所有航點(diǎn)依次連接，連接成一條航線。該航線應(yīng)具備躲避障礙物，有富裕水深[13]的特點(diǎn)，是能夠滿足當(dāng)前氣象條件的安全航線。如果出現(xiàn)需要臨時(shí)調(diào)整航線時(shí)，通過(guò)調(diào)整某一航點(diǎn)或者增加航點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)繞行[14]。如圖6為煙臺(tái)港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線。

圖6 煙臺(tái)港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線

4 模擬航線航行

模擬器最終將向船員展示所指定航線的安全性和可靠性，在前面的所有準(zhǔn)備工作做完之后，點(diǎn)擊開始模擬按鈕，C#將以一個(gè)定時(shí)器的時(shí)間間隔不斷地向電子海圖發(fā)送AIS數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)依據(jù)航線規(guī)劃出的所有航點(diǎn)，以緯度增加和經(jīng)度增加的形式同時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)虛擬船只的移動(dòng)，可以在電子海圖上清晰地看到船只按照航線規(guī)劃的路徑形式航行，并且到達(dá)下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)之后準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向，途中可以翻看電子海圖周圍的環(huán)境，包括水文情況和航道信息。讓船員在掌握理論知識(shí)以后，更好地鞏固和驗(yàn)證航線規(guī)劃的安全性和可靠性[15]，很具有教學(xué)價(jià)值。如圖7為煙臺(tái)港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線模擬航行時(shí)的電子海圖上的顯示界面。

圖7 模擬航行時(shí)的電子海圖界面顯示

5 結(jié)論

模擬器界面簡(jiǎn)單，易操作。船員可以親自編寫航線，并根據(jù)電子海圖上的信息和理論認(rèn)識(shí)到驗(yàn)證航線的可靠性，可以改變船只的信息，也可以繪制定制航線，可操作性強(qiáng)。操作思路清晰，演示便捷，實(shí)現(xiàn)了在教室就能夠?qū)W習(xí)如何繪制航線并且觀察航行過(guò)程中可能遇到的危險(xiǎn)，教師對(duì)航海學(xué)知識(shí)的講解更直觀。模擬器為課程理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合提供了幫手，為試驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)有力的載體，已經(jīng)應(yīng)用在輔助性教學(xué)中。該系統(tǒng)改善了課程教學(xué)效果，發(fā)揮了船員的積極主動(dòng)性，對(duì)船員動(dòng)手和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有較大的幫助。