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船舶智能輔助靠泊系統(tǒng)研究與開發(fā)

2021-12-21 01:18穆勝軍汪偉奎張華天津中海油油田設(shè)施管理有限公司
珠江水運(yùn) 2021年22期
關(guān)鍵詞:激光雷達(dá)船長輔助

◎ 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)和無限航區(qū)航行。大多時(shí)候圍繞海上石油平臺低速巡航,受海上石油平臺調(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)行平臺和大型船舶的拖運(yùn)作業(yè),另外還有消除油污、營救工作人員、撈取油管、幫助提煉石油等相關(guān)作業(yè)。對三用工作船的作業(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下指定位置。船長在靠泊操作過程中主要依據(jù)視覺來測距和由此感知的環(huán)境因素來預(yù)估安全程度。尤其是平臺周圍參照物少、靠泊作業(yè)時(shí)間長,造成了船長和操作人員的疲勞和疏忽,進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。另外,船長操作還有視覺盲區(qū),需要現(xiàn)場人力進(jìn)行視覺觀測距離,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??侩y度,需要技術(shù)手段觀測距離。

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

為此,需要針對上述情況,開展相關(guān)研究,對三用工作船靠泊工作予以技術(shù)裝備輔助支持。

近年來無人車、無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)檢測和避障等輔助功能,這為本研究提供了較好的基礎(chǔ)。開展“三用工作船智能輔助靠泊系統(tǒng)開發(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距和并靠中的測距,可以有效消除船長觀測盲區(qū),顯示出可操作縱向和橫向空間的大小,為船長的安全操作提供精準(zhǔn)支持,減輕人為觀測的壓力,提升安全靠泊能力。

圖1 某三用工作船碰撞平臺事故示意圖

圖2 激光點(diǎn)云成像示意圖

2.激光測距和成像原理

激光雷達(dá)最大優(yōu)勢是三維點(diǎn)云建模技術(shù)。激光雷達(dá)通過測量激光信號的時(shí)間差和相位差來確定距離,通過水平旋轉(zhuǎn)掃描來測角度,并根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)建立二維的極坐標(biāo)系,再通過獲取不同俯仰角度信號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150萬個(gè))的位置點(diǎn)信息(稱為點(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),可以有效消除船長觀測盲區(qū),顯示出可操作縱向和橫向空間的大小,為船長的安全操作提供精準(zhǔn)支持,減輕人為觀測的壓力,提升安全靠泊能力。另外,還可以用于船舶在石油平臺附近巡航時(shí)候的異物侵入航線,助力船舶安全航行。通過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雷達(dá)成像的影響問題。

(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)測距和3D成像(如圖5所示)。測距結(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,對外界環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)和監(jiān)測。

(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、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)侵入的檢測能力,提升了航行安全能力,降低了人為觀測難度,緩解了人的操作疲勞。

5.總結(jié)

本研究開發(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)識水平、技術(shù)水平、科學(xué)知識及其他現(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,為同類型船舶提供一個(gè)智能安全解決方案。

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