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船舶自动靠离泊及自动收费系统的研究——结合公路交通ETC的思考

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：姚瑞骏

[导读] 摘要：今年五月份，交通运输部做出目标规划：“争取在今年年底前实现在籍车辆ETC的安装率要超过80%以上，高速公路路口通行车辆ETC使用率达到90%以上”。

        昆明滇润生态环境科技有限责任公司云南省昆明 650000
        摘要：今年五月份，交通运输部做出目标规划：“争取在今年年底前实现在籍车辆ETC的安装率要超过80%以上，高速公路路口通行车辆ETC使用率达到90%以上”。在公路交通大力发展ETC的同时，云南省内的水运建设也需要紧跟步伐，盘龙江水上巴士通航在即，船舶自动驾驶和自动靠离码头的研究也将成为未来发展省内水运发展的一个方向。船舶靠离泊操纵是船舶航行过程中最精细最困难但又是最重要的一个环节，随着船舶大型化和船员数量的越来越少，使得船舶靠离泊的操作比以往更加困难和复杂，因此船舶自动靠离泊已成为船舶运动控制中的一个亟待解决的难题，本文提出了一种利用靠离泊操纵的数学模型来建立一个结合船舶传感器与港口传感器以及船舶ECDIS之间的系统来控制船舶自动靠离泊。
        关键词：船舶自动靠离泊系统、自动收费系统、传感器、船舶自动化
        正文：
        1.论题背景、引言
        船舶靠离泊操纵是船舶航行过程中最精细最困难但又是最重要的一个环节。随着船舶大型化和船员数量的减少，使得船舶靠离泊的操作比以往更加困难和复杂。靠离泊操纵最困难的方面是对各种操纵设备的控制，如舵桨、主机、侧推器和拖船的利用，输入值和操作值的变化等。建立船舶自动靠离泊系统需要各个领域的专家知识的综合，这些领域包括航海、工程、电子、数学、船舶动力学等。
        船舶停靠码头的收费与时间成正比，停泊的时间越长，船公司需要支出的费用越高，如果靠港频繁，而且靠港时间很长，则在整个运营过程中获取的经济利益就会减少很多；同时，如果船舶靠离港口的速度有很大程度的提高的话，港口的拥堵就会减少很多，港口的管理将会越来越方便，程序将会减少很多。如果将陆上交通的ETC系统应用于港口收费，那么将会改变现有的港口收费制度，同时会给水上交通提供很大的便利，一定程度上减少船舶停靠港的时间，实现了水上交通的自动化。
        2.船舶自动靠离泊系统
        目前常见的两种自动靠泊系统是SLM-4 激光靠泊系统和船舶磁力系泊装置。图1所示，通过船上安装的磁力吸盘和码头上安装的钢板相互协调作用达到将船舶考离码头的作用。

图1 船舶靠码头或并靠其他船舶的系统原理
这两种方法很好的解决了船舶靠泊、离泊时的控制，一定程度上实现了船舶靠离泊的自动化，在很大程度上减省了资源、人力。但是，两种方法在某些方面仍然存在一些不足，比如说，a.激光靠泊装置系统，只能实现船舶的自动靠泊，而不能实现船舶的自动离泊。b.船舶磁力系泊装置，磁力吸盘需要占据船上的很大空间，对于商船来说，空间越大运输的货物越多，空间资源利用率越高则获得的收益才会越大，但是这种吸盘占据很大的空间，在一定程度上浪费了资源，会造成一定的经济损失；而且在每个码头上都需要安装很大的钢板，一方面很难实现，另一方面也会有一定的危险性。

图2 船舶自动靠离泊系统硬件方案
本文提出的船舶自动靠离泊系统在很多方面做了改善，使用船舶与港口的双向传感器的应用，在船舶靠离泊的过程中实现了高度的自动化。传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。船舶自动靠离泊系统硬件方案如图2所示。本系统组成以太网系统，设计成综合驾控台的形式，驾控台主要有三台工控机。

        如图3所示，在船舶一舷或者两舷的首尾分别安装船舶传感器，在码头的每个泊位上都分别安装相似于船舶位置上的码头传感器。船舶传感器在靠近码头时，与码头传感器相互感应、相互识别，在一定距离内与船舶传感器随时保持有数据交流，将测量的距离、船速等数据传至船舶传感器，船舶传感器与船舶上的ECDIS等系统在线路上进行联通，可以进行数据交换，此船舶传感器可以多角度自由转动，可以用来监测船舶靠离泊时候的海况、浪高、温度、速度、流速流向等环境数据，然后将这些数据传至驾驶室的各种航海仪器、设备中，同时经过驾驶室里面的计算机进行一系列的计算、评估，计算机的数据库中储存有大量的船舶靠离泊的信息，这些信息与监测的信息相互交叉、对比，然后将最佳的靠离泊方案传至船舶的自动驾驶仪上，船舶自动驾驶仪将控制推进器、首尾侧推相互协调完成自动靠离泊的任务。这个过程能够全程自动完成船舶的靠离港，极大的减少了人力、物力，同时避免了由于船上驾驶人员由于疲劳驾驶、精力不集中等因素造成的操作失误导致的事故。
        3 船舶靠离泊自动收费系统
        船舶靠离泊自动收费系统其实是建立在船舶自动靠离泊系统上的，此系统以陆上交通中高速公路收费站的ETC系统（不停车收费系统）为模型，安装在各大码头上。船舶靠离泊自动收费系统的硬件设施如图3所示，船舶传感器类似与陆上机动车的IC卡一样，在船舶靠上码头的时候，码头传感器能够识别到船舶传感器，并从船舶传感器上获取各种船舶信息，然后在船舶离港的时候，码头传感器将停车信息传至码头后台的收费管理系统，并将收费情况传至船舶传感器，船舶传感器再将这些信息传至驾驶台，并且由驾驶台的打印机将账单打印出来，同时，码头方面将会把账单情况通过网络传至船公司。
        船舶ETC系统主要由码头、船舶传感器、收费管理系统、ETC管理中心、专业银行、泊位控制器、费额显示器、船舶检测器及传输网络组成。
        4.船舶自动靠离泊及自动收费系统可行性分析
        船舶自动靠离泊系统无需驾驶人员就能直接操作完成，在节约人力的同时极大地提高了效率，能充分利用当今的科技水平，使船舶能完全实现自动化，在微机和定位系统控制下，能完全实现船舶的无人化操纵。船舶自动靠离港系统主要是使用传感器与智能计算机系统相互协调完成的，这个系统的整个建立的外部构架以及设计思路都已经完成了，最重要也是最关键的一点就是要开发出能够进行智能运算和智能控制的一套智能软件。经统计，ETC车道工作效率较普通车道可提高5至8倍，同时ETC的应用还具有减少车辆拥堵、降低环境污染、节省用户车辆油耗等优点。既然陆上交通的自动收费系统都成为了可能，而且已经在很多地方得到了普及，那么以陆上ETC系统为模型的船舶靠离港自动收费系统也将会成为现实。实现了船舶的自动靠离港以及自动收费，那么将会减省很多的人力物力，而且计算机的准确操作会减少很多人为带来的失误，那么人们的人身财产安全会得到更大的保障。
        5.总结
        在陆上交通飞速发展的今天，水路交通也在发生着前所未有的变化，陆上交通在很多方面都实现了高度的自动化。在科技高速发展的时代，我们的水上交通需要更高的智能化、自动化。本文提出的船舶自动靠离港系统和船舶靠离港自动收费系统正是想着船舶自动化方向发展的模型，它们能解决很多的困难问题，在航运不是很景气的时候，这样的系统对于节约成本，获取巨大的经济效率、经济利益有着十分关键的作用。但是，由于很多问题还没有得到解决，本文提出的系统模型还需要进一步的研究和完善。
        参考文献：
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        [2] 陈小凤、刘正江、李铁山.2006.船舶自动靠离泊系统方案及其混合控制策略.大连海事大学学报.U664.82
        [3] 郭伟明、郭晓晓、丁驿帆.2006.实现船舶自动靠离码头的磁力系泊装置.中国舰船研究.U675.9
        [4] 宋颖华.2002.不停车收费系统及技术标准的探讨.公路交通科技.U495
        [5] 崔莉、鞠海玲、苗勇、李天璞、刘巍、赵泽.2005.无线传感器网络研究进展.计算机研究与发展.TP391.