拖轮智能航行系统的设计与实现
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作者:严松 吴富民 富玲峰 李培正 陈岱岱
摘 要：随着船舶制造业的发展，智能船舶设计和应用被提上日程，文章参照《智能船舶规范》的要求，结合港作拖轮的航行和作业特点，探讨性地设计了针对拖轮的智能航行系统，具有基于电子海图的多目标航迹多模式规划和避障功能、近距避碰预警功能、岸基作业管理及油耗统计功能，经与主管部门沟通和产品实际应用，初步满足了规范要求。
关键词：智能航行;港作拖轮;智能船舶
随着传感技术、计算机技术、人工智能技术和制造能力的飞速发展，船舶制造领域也出现了翻天覆地的变化。2015年中国船级社发布了国际上首本智能船舶规范《智能船舶规范》，将智能船舶分为6大模块，智能航行是其中之一，利用计算机技术、控制技术等对船舶感知信息进行综合处理和分析，实现船舶驾驶的辅助决策功能，包括：航路设计和优化（N标志）、开阔水域自主航行（No标志）、高级自主航行（Nn标志），该规范针对大多数船舶的共性做了顶层指导，属于纲领性文件。然而，港作拖轮的作业特点却与运输船舶有着较大差异，拖轮通常作业区域为出港20海里范围内，航程较短，往返一般不超过4个小时，作业海域船只航标较多，属于复杂海域，易与被作业船舶和航标等发生碰撞，且在顶拖过程中风浪引起的倾斜摇摆会导致桅杆与被作业船舶发生碰撞，因此，必须针对港作拖轮的作业特点探讨其智能航新系统的实现。
1 拖轮智能需求分析
拖轮安全作业时，主要按照中华人民共和国交通行业标准《拖轮操作规程 JT/T 300—2009》进行作业，依靠操船人员瞭望来实现障碍物避碰，加重了操船人员的精神压力和工作负担，在作业过程中要求操船人员精神高度集中。然而由于驾驶室视线存在一定盲区或者由于操船人员疏忽，导致部分障碍物未能及时发现，易发生船体刮擦和碰撞事情[1]。另外，顶拖过程中，船舶在风浪中的摇摆也容易造成桅杆发生碰撞。以上种种，轻则造成财产损失，重则有碍人命安全。
拖轮接送引航员时，可能需要将多名引航员送到多艘目标船上，轮驳公司和船舶管理人员更希望拖轮能够按照最短航程或者经济航线依次将引航员送到目的地，已达到节油的目的，此时就需要根据被作业船的航迹和位置动态调整航线，单纯依靠操船人员，难以有效进行评估且加重了操船人员的负担。
轮驳公司更希望对拖轮进行精细化管理，以达到高效和经济的目的，希望在岸端发送工单给船端，实时了解各个拖轮的航迹及在作业区的油耗情况，并能够以船或者作业区为单位，生成油耗报表，用以优化拖轮管理。
2 系统设计
本系统由10.4寸智能航行终端、工作站、4G串口服务器、北斗通信终端和岸端组成。4G串口服务器对激光雷达、导航雷达、GPS，AIS、测深仪、气象站、监测报警系统等进行协议转换后，送往工作站和岸端进行运算处理，智能航行终端以电子海图为底图进行显示和人机交互，具有报警和语音提示功能，并具有大屏复示功能。能够实现基于电子海图的多目标航迹多模式规划和避障功能、近距避碰预警功能、岸基作业管理及油耗统计功能，系统组成框架如图1所示。
3 基于电子海图的多目标航迹多模式规划和避障设计
该系统以中国官方ENCS57格式的电子海图为底图，并在此基础上进行深度开发，结合船舶AIS和雷达数据，采用A*算法实现航路规划和避碰。航路规划过程中，系统将电子海图栅格化，获取到航路附近的礁石、禁航区等坐标信息，叠加AIS和雷达侦测到的动态障碍物目标信息，并将障碍物进行二次膨胀化，再根据系统设置的避障半径，自动生成一条避开障碍物路径，并显示在海图上[2]。
通过选择叠加在海图上的船舶AIS数据图标来选择目标船舶，选择规定到达时间或最短航行时间模式进行航路规划。
3.1 确定到达时间
由于拖轮作业前，被作业船大部分还未到锚地，处于航行状态，因此拖轮的航路规划具有一定的变化性。如图2所示，智能航行系统软件可根据被作业船的经纬度坐标、航速、航向以及拖轮自身的经纬度坐标以及拖轮到达时间计算出一条优化航路，并给出建议航速。
被作业船在A点，以v1的速度向C点航行，拖轮在B点，以v2的速度向E点航行，假设拖轮的航向为ω，经过时间t后，两船在E的汇合。则经过计算可得到如式（1）所示的结果：
（1）
根据上述计算结果可得出该航路航向为ω，建议航速为v2。
3.2 最短航行时间
假设拖轮在最大功率下的静水航速为vj，拖轮在当前风浪下的失速系数为fw，则拖轮的最大航速vmax可如下计算：
（2）
可得出最短航行时间tmin为公式（3）：
（3）
4 基于激光雷达的近距安全避碰设计
虽然船载AIS和导航雷达在船舶航行过程中起着举足轻重的作用，但是在近距实时高精度探测上却无能為力。随着科技的飞速发展，激光雷达在测扫领域“异军突起”，目前主流的激光雷达测量精度可达毫米级，测量频率可达数十赫兹，擅长于100 m以内的近距测量[3]，基于这些的优点，本拖轮选用美国Velodyne公司的VLP-16激光雷达，在罗经甲板、左右舷各布置一个激光雷达，用于实时探测船舶周围的障碍物情况，通过交换机将数据送往显控终端，显控终端对点云数据进行解析，按角度屏蔽船体检测信息，提取船外障碍物位置及距离信息将绝对坐标转换为相对于船体的相对坐标，如图3所示，报警距离共设3个等级，分别为25 m，10 m和5 m，一旦进入船体周围25 m范围内即在显控终端进行显示和语音提示，提示方位、距离及接近速度，报警提示级别共设3个等级，越靠近船体提示音越急促。
5 远程监管平台和油耗统计 在轮驳公司设置一套基于GIS开发的监管平台，通过北斗和4G专网接收船端的信息并进行处理，显示船舶轨迹和状态，并可在岸端修改作业区电子围栏坐标，自动同步至船端，根据航行区域自动判断作业模式，按时间和作业区统计油耗情况，通过消息发送界面向船端发送作业指令，船端收到指令后可一键生成导航路径，当判断目标船到达指定泊位后，自动向岸端发送作业结束答复，从而实现指定工单的全过程跟踪，大大提高作业自动化和智能化水平。
6 实船安装
该拖轮智能航行系统在津港轮31、津港轮32、津港轮33和津港轮34上成功应用，实现了多目标船航路规划、近距避碰及远程作业管理及油耗统计等功能，并得到中国船级社和用户的初步认可，后续将进行取证和推广，实船安装如图4所示。
7 結语
本文参考《智能船舶规范》智能航行要求，结合港作拖轮的航行和作业特点，探讨性设计了针对拖轮的智能航行系统，具有基于电子海图的多目标航迹多模式规划和避障功能、近距避碰预警功能、岸基作业管理及油耗统计功能，初步满足了要求，后续将进行取证和推广。
[参考文献]
[1]陆奇峰.浅谈拖轮在大风浪中航行与作业[J].中国水运，2019（9）：56-59.
[2]张先瑞.航路规划中的智能优化算法分析[J].现代商贸工业，2016（17）：225.
[3]屈骁，郑卫刚.基于激光传感器的船舶避碰预警系统[J].世界海运，2014（6）：50-52.
Design and implementation of tugboat intelligent navigation system
Yan Song， Wu Fumin， Fu Lingfeng， Li Peizheng， Chen Daidai
（CETC Maritime Electronics Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo 315040， China）
Abstract：With the development of shipbuilding industry， the design and application of intelligent ships have been put on the agenda， according to the requirements of the Intelligent Ship Code， combined with the navigation and operation characteristics of port tugs， an intelligent navigation system for tugs is designed in this paper， which has the functions of multi-target track multi-model planning and obstacle avoidance based on electronic chart， short-range collision avoidance early warning， shore-based operation management and fuel consumption statistics. Through communication with the competent department and practical application of the product， the specification requirements are preliminarily met.
Key words：intelligent navigation; port tug; intelligent ship
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