基于AIS与ECDIS融合的现代船舶避碰系统.pdf

2 0 2 3年8期2 1 9 2 0 2 3年第4 5卷第8期基于A I S与E C D I S融合的现代船舶避碰系统瞿小宇收稿时间:2 0 2 3-0 6-1 0作者简介:瞿小宇(1 9 8 0-),本科,工程师,研究方向为船舶网络安全、G P S、基于A I S的避碰系统、雷达A R P A数据。(中海电信有限公司 上海2 0 0 0 9 0)摘 要 海上航行船舶是一个复杂的系统,其系统组成包括人、船、环境等三大要素,该系统的独特之处在于具有不确定性,因为它在应用过程中涉及的因素繁多且复杂,同时这些因素充满了变化。在驾驶员航行值班期间,主要是凭借丰富的海上经验来作出判断,从而展开避碰决策,但航海经验大多无法以传统数学方法给予表示,不能建立明确的模型,因此不能对海上航行避碰问题提供准确且有效的指导。近年来,各国均对船舶智能避碰决策系统领域展开了研究,通过现代化船舶避碰系统的应用,来控制人为失误等因素所致的海上交通事故。如今,现代科技在我国航运业中的应用更加成熟,电子海图技术及船舶自动识别系统的融合应用,大大提升了船舶航行系统的性能,为船舶的安全航行提供了有力保障。关键词:A I S;E C D I S;现代船舶避碰系统;融合应用中图法分类号 U 6 7 5M o d e r nS h i pC o l l i s i o nA v o i d a n c eS y s t e mB a s e do nt h eF u s i o no fA I Sa n dE C D I SQUX i a o y u(C h i n aS h i p p i n gT e l e c o mm u n i c a t i o nC o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0,C h i n a)A b s t r a c t As h i p s a i l i n g a t s e a i s a c o m p l e x s y s t e m,a n d i t s s y s t e mc o m p o s i t i o n i n c l u d e s t h r e e e l e m e n t s:p e o p l e,s h i p s,a n d t h ee n v i r o n m e n t.T h eu n i q u e f e a t u r eo f t h i s s y s t e mi s t h a t i t h a su n c e r t a i n t y,b e c a u s e t h e f a c t o r s i n v o l v e d i n i t s a p p l i c a t i o na r eq u i t en u m e r o u s a n dc o m p l e x.A t t h e s a m e t i m e,t h e s e f a c t o r s a r e f u l l o f c h a n g e s.D u r i n g t h e p i l o ts s a i l i n gd u t y,i t i sm a i n l yb a s e do nr i c hm a r i t i m ee x p e r i e n c e t om a k e j u d g m e n t s,i no r d e r t om a k e c o l l i s i o n a v o i d a n c e d e c i s i o n s,b u tm o s t o f t h e n a v i g a t i o n e x p e r i e n c ec a n n o tb ee x p r e s s e db y t r a d i t i o n a lm a t h e m a t i c a lm e t h o d s,a n dac l e a rm o d e l c a n n o tb ee s t a b l i s h e d.T h e r e f o r e,i t c a n n o tp r o v i d ea c c u r a t ea n de f f e c t i v eg u i d a n c eo nc o l l i s i o na v o i d a n c ep r o b l e m s a t s e a.I nr e c e n t y e a r s,a l l c o u n t r i e sh a v ec a r r i e do u t r e s e a r c ho nt h e f i e l do f s h i p i n t e l l i g e n t c o l l i s i o na v o i d a n c e d e c i s i o n-m a k i n g s y s t e m,a n d t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o no fm o d e r n s h i p c o l l i s i o na v o i d-a n c es y s t e m,t o c o n t r o lm a r i n e t r a f f i c a c c i d e n t s c a u s e db yh u m a ne r r o r a n do t h e r f a c t o r s.T o d a y,t h e a p p l i c a t i o no fm o d e r n t e c h-n o l o g y i nC h i n as s h i p p i n g i n d u s t r y i sm o r em a t u r e.T h e i n t e g r a t i o na n da p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i c c h a r t t e c h n o l o g ya n ds h i pa u t o-m a t i c i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mh a sg r e a t l y i m p r o v e d t h ep e r f o r m a n c eo f s h i pn a v i g a t i o ns y s t e m sa n dp r o v i d e das t r o n gg u a r a n t e e f o rt h e s a f en a v i g a t i o no f s h i p s.K e y w o r d s A I S,E C D I S,M o d e r ns h i pc o l l i s i o na v o i d a n c es y s t e m,I n t e g r a t e da p p l i c a t i o n0 引言自2 0世纪中叶以来,海上运输业快速发展,船舶航行密度日渐增加,提高了海上船舶碰撞事故的发生率,造成了人们的财产与生命损失,并引发了严重的海洋环境污染现象,船舶间的碰撞危险成了各国航海领域关注且需要解决的问题1。要控制船舶碰撞率,使船舶间的航行安全性更有保障,可采取的方法有两种。(1)在船舶避碰规则条件下实施船舶分道同航制。(2)在各类新型航海设备及系统的帮助下,得到本船和其他船舶的准确航海数据,使信息沟通更加顺畅、有效,并及时做出避碰决策。而研究者更趋向于通过各类船舶避碰数据处理系统及先进的航海仪器,来及时处理船舶避碰数据,实现对船舶避碰事故发生率的控制2。同时,我国在船舶避碰系统方面的研究已取得了一定的成果,继A R P A在船舶安装领域的应用后,船舶自动识别系统(A I S)与电子海图(E C D I S)也相继出现,两者的联合应用,可进一步提高船舶运行的智能化水平,保障船舶的航行安全。1 船舶自动识别系统(A I S)概述与组成A I S是一种集现代通信网络、计算机等于一体的现代化船舶避碰系统,该系统能在船舶相互间、船岸相互间的识别与自动应答中发挥重要作用。A I S能将动静态信息(动态:船舶速度、位置、航迹向、船首向等;静态:船舶呼号、名称、类型、船长等)、航程数据(目的地、状态、E T A等)依靠高频频道传播给附近海域的船舶及岸台广播,让周围船舶及岸台全方位获取附近海域的船舶动向,实现船舶间、船岸间的信息传输与交换。船载A I S设备组成结构如图1所示。船舶航行期间,瞭望是保障航行安全的可行方法,尤其2 2 0 2 0 2 3年8期是航行于能见度不佳的水域,这需要利用可用的手段进行瞭望,以便尽快发现来船3。在使用A I S系统时,可实现瞭望功能,即便来船处于较远的水域,也能自动识别来船信息,使驾驶员能准确分析来船动态,明确其是否会对本船造成紧迫局面或是否会产生碰撞危险。若船舶相互间存在碰撞危险,则可以在A I S自动识别仪里调出来船资料,在A I S系统短信息功能的作用下,将两船相互避让行动以短信息编写的形式发送给来船,实现在危险状况下的紧急直接沟通,对船舶相互间的避让行动展开协调,实现安全避让。图1 A I S构成图2 电子海图(E C D I S)概述与组成E C D I S的概念相对模糊。基于理论层面分析,通常将各类数字化海图与其应用系统并称为电子海图应用系统。该系统能持续提供船位和航海相关的各类信息,在各类海上险情防控中具有积极意义4。E C D I S主要以电子海图数据为信息基础,因此被称为电子海图。E C D I S系统的基本硬件框架如图2所示。图2 电子海图系统基本硬件框架图3 A I S与E C D I S的融合在现代船舶避碰系统中的具体应用3.1 控制显示器数量,减轻航海人员的负担在集成显示技术的支持下,A I S可实现A I S的信息以及E C D I S,A R P A等显示器的综合显示,减少显示器数量,在控制航行成本的同时,使驾驶员更加便利地开展避碰操作。3.2 同步提供船舶与航行水域环境信息E C D I S系统一般会利用矢量化数据,以提供所有显示目标的特性信息,并查询A I S在海图中的物标特性5。同时,A I S还可主动将自身的航行计划发送给附近海域的船舶或相关部门,并经E C D I S清晰地显示出来,让对方充分了解本船的操船计划。E C D I S可给航海人员提供位置监控、潮流数据、能见度、气象等信息,其可作为有价值的显示工具应用于船舶航行中。除了可呈现船舶航行附近的海域状况、周围船舶动态外,E C D I S还可与A I S的动态信息充分融合,在船舶行使过程中,驾驶员可根据周围船舶传递的A I S信息与E C-D I S数据,制定最科学、适宜的避让方案,不再依赖对雷达或A R P A供给的数据,有效利用每个适宜的避碰时机。3.3 与A I S功能相互补充,实现价值的最大化A I S在判断船舶有无碰撞危险、船舶间的避碰协调交流上有着积极的作用,弥补了航行过程中的部分缺陷,在规范海上交通管理中具有积极意义,但A I S并不能完全取代雷达,成为船舶安全航行检验的唯一方法6。虽然雷达导航系统有着不少的局限性,但作为一种先进的探测设施,其能实现对环境的全景式监测,具有无法取代的应用优势。因此,船舶避让系统的研究设计,需充分考虑雷达A R P A的优势,实现A I S、E C D I S与雷达A R P A的联合应用。(1)A I S、E C D I S与雷达A R P A三大系统的联合应用,能控制显示屏数量,在最小的成本范围内,让驾驶室利用更多的空间。另外,叠加这三大系统的避碰数据及参考参数,可让驾驶员直观、完整地获取避碰信息,使船舶的航行安全更有保障。(2)A I S、E C D I S与雷达A R P A三大系统的应用,可充分克服恶劣天气、杂波等,实现对目标的准确识别与追踪,与目标船取得联系,了解对方采取的避碰措施,制定最适宜的避碰方案。(3)A I S、E C D I S与 雷 达A R P A的 同 步 应 用,可 拓 展A I S工作范围,弥补雷达盲区,提高A I S的工作效率及准确度,从而更顺畅地与岸台进行沟通,让A I S在船舶避碰中更好地发挥指导功能。(4)E C D I S有叠加显示雷达图像数据的作用,能检测雷达A R P A传送的信息及A I S传送的信息,并备份E C D I S及雷达A R P A系统中的数据,提高数据的安全性。海上航行期间存在不同系统监测同一目标的情况,这会产生大量的模糊数据,而该系统可自行抵消这些模糊图像,提升系统的安全性。上述三者的联合应用,能为船舶在海上的航行创造避碰条件,然而在具体应用时,仍存在一定的风险,有必要引起重视。(1)硬件风险。三者数据都源自G P S及其他传感器,联合应用时可通过数据源的控制降低成本,但会增加对传感器的依赖程度,若其中一个传感器受损或产生误差,该集成系统就会产生相应的误差。(2)软件风险。三者的同步应用会提高相关软件出现冲突的风险。一个数据错误可能会让整个系统陷入瘫痪,导致数据丢失,诱发海上事故。(3)操作风险。若船舶在复杂海域中行驶,三者的联合应用会让数据在一个显示器上同时叠加,导致显示屏数据移动信息2 0 2 3年8期2 2 1 混乱,加重驾驶员的视觉疲劳感,在进行比例调整时,又会提高精度误差,对船舶的正常避让造成影响,这也是后续研究中需要进一步探索与解决的问题。4 结语将A I S,E C D I S应用于海上航行避碰中,可使驾驶员更好地制定避碰方案,控制因操作、其他因素而引起的船舶安全航行风险,增强船舶航行时的安全性。但结合雷达A R-P A的独特应用优势,A I S、E C D I S与雷达A R P A的联合应用,仍是当前海上航行避碰应用的主流选择,其可促进船舶航行避碰及定位的智能化,虽然在具体应用中存在一定的风险,但仍具有重要的意义。在后续的研究中,应对存在的风险进行研究,为我国船舶业数字化、智能化、安全化发展创造无限的可能。参考文献1H I R OKO Y,NO Z OM IK,T A T S UNO R IN,e ta l.D e v e l o p-m e n to f t h eE f f e c t i v eU n d e r w a t e rS p e a k e rS o u n dM o d u l a t e db yA u d i b l eS o u n dF r e q u e n c yR a n g eo fL a r g eC e t a c e a n sf o rA v o i d a n c ew i t hS h i pC o l l i s i o nJ.T r a n s N a v:I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o nM a r i n eN a v i g a t i o na n dS a f e t yo fS e aT r a n s p o r t a-t i o n,2 0 1 5(2):7 8 1.2张向丰,董淑娟.无线传感器网络在船舶自动避碰系统中的应用J.舰船科学技术,2 0 1 6(4):1 6 9-1 7 1.3K E L L YP.An o v e l t e c h n i q u et oi d e n t i f yA I St r a n s m i s s i o n sf r o m v e s s e l s w h i c ha t t e m p tt oo b s c u r et h e i rp o s i t i o nb ys w i t c h i n gt h e i rA I St r a n s p o n d e r f r o mn o r m a l t r a n s m i tp o w-e rm o d et ol o wt r a n s m i tp o w e rm o d eJ.E x p e r tS y s t e m sW i t hA p p l i c a t i o n s,2 0 2 2(2 0 2):5 6,5 8.4管冰蕾,葛泉波,段胜安,等.新型船舶智能避碰决策支持系统研究J.中国航海,2 0 1 2(3):1 6-2 2.5邢春光,王直.基于E C D I S系统和A I S系统的船舶避碰辅助决策系统的研究J.舰船科学技术,2 0 0 8(3):1 1 1-1 1 4.6贾海辞,孔凡村.船载自动识别系统(A I S)在船舶避碰系统中的应用研究J.上海海运学院学报,2 0 0 2(2):1 8-2 1.(上接第1 9 4页)而是正常的问答)。若匹配模板后得知用户想要进行一个“D r a w”功能,则可以调用O p e n A I的”D A L L E”接口,根据用户上下文的描述P r o m p t,生成相应的图像,并将其返回给用户。在矫正后做出决策的方法,可以有效地理解用户的任务要求,除文本类任务和图像生成任务外,也能同理拓展更多模态任务,实现由C h a t G P T为决策中心的多模态任务大一统。图1 决策流程图3 结语本文 基 于C h a t G P T这 一 大 语 言 模 型,探 索 了 其 在A I G A方向上的能力,将其作为决策中心,根据用户意图选择合适的下游任务,将预设的下游多种模态和不同领域的任务统一起来,为实现A r t i f i c i a lG e n e r a l I n t e l l i g e n c e(A G I)提供了一种可行的思路。参考文献1AN D E R S ONP,HEX,B U EHL E RC,e ta l.B o t t o m-U pa n dT o p-D o w nA t t e n t i o n f o r I m a g eC a p t i o n i n ga n dV i s u a lQ u e s-t i o nA n s w e r i n gJ.A r X i vA B S/1 7 0 7.0 7 9 9 8.2R A D F O R D A,K I M J W,HA L L A C Y C,e ta l.L e a r n i n gT r a n s f e r a b l eV i s u a lM o d e l sF r o m N a t u r a lL a n g u a g eS u p e r-v i s i o nJ.A r X i vA B S/2 1 0 3.0 0 0 2 0.3S ON GJ,ME NGC,E RMONS.D e n o i s i n gD i f f u s i o nI m p l i c i tM o d e l sJ.A r X i vA B S/2 0 1 0.0 2 5 0 2.4HOJ,J A I NA,A B B E E LP.D e n o i s i n gD i f f u s i o nP r o b a b i l i s t i cM o d e l sJ.A r X i vA B S/2 0 0 6.1 1 2 3 9.5R OMB A CH R,B L A T TMANN A,L OR E N ZD,e ta l.H i g h-R e s o l u t i o nI m a g eS y n t h e s i s w i t h L a t e n tD i f f u s i o n M o d e l sC2 0 2 2I E E E/C V FC o n f e r e n c eo nC o m p u t e rV i s i o na n dP a t t e r nR e c o g n i t i o n(C V P R).2 0 2 1:1 0 6 7 4-1 0 6 8 5.移动信息