雷达和GIS系统在内河船舶防碰撞中的应用研究_王端伟.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8雷达和GIS系统在内河船舶防碰撞中的应用研究 王端伟 安徽省淮河船舶检验局 摘 要：船舶内河航行运输作为国内河流区域内重要的交通运输形式之一，通过对国内过往发生的水上交通事故进行统计与分析，可以发现因为船舶碰撞而造成的水上交通事故在所有水上交通事故当中占据较高比例。特别是在内河通航水域范围之内，在船舶密集度较高的交通航行情况之下，船舶在航行或是停泊的过程中相互之间常会发生碰撞事故，对船舶以及船舶驾驶人员的安全都造成了威胁。因此，为了保障船舶的安全性能以及船舶驾驶人员的生命健康和安全，对内河船舶碰撞事故进行严密的预测和判断，并及时的做出预警就是应有之义。随着我国内河船舶制造与发展越来越先进化、智能化，将雷达和GIS系统科学合理的应用到内河船舶防碰撞中更是大势所趋。因此，本文将对雷达和GIS系统在内河船舶防碰撞中的应用展开全面深入的研究。关键词：船舶碰撞事故；内河通航水域；船舶驾驶人员；雷达；GIS系统 船舶内河航行运输基于自身环保性、先进性以及经济性等优势成为国内河流水域中的主要交通运输方式1。随着国内船舶制造技术的不断发展、船舶内河航行运输行业发展规模的不断扩大,内河船舶的总数量也越来越多,内河水域之上船舶的密集度也越来越高。除此之外,国内河流水域的自然环境以及交通航行状况也更具有复杂性和多变性,致使船舶与其它船舶、桥梁或是航行障碍物等发生碰撞事故的可能性不断上升2。基于雷达和GIS系统构造并建立起完善的内河船舶防碰撞预警系统,为内河船舶避免碰撞的决策工作提供具有科学性、精准性和可靠性的数据参考,促进船舶的制造与发展更加自动化、智能化,显著推动内河船舶航行运输全过程安全性能的提高,有效提升国内河流水域交通运输管理方面的能力和质量。1.雷达和GIS系统的概述1.1雷达的发展以及工作原理雷达作为极其常见的助航设备之一,它主要的作用是支持船舶相互之间以及船舶和岸上统筹管理部门相互之间的信息传递和资源交互。雷达系统可以进行自主性考察和探测、对目标船舶进行轨迹跟踪,还可以依照回波观察和分析出目标物体的具体大小以及形状3。能够精准获取河流水域范围内所有运动、静止或是固定的障碍物以及周围环境相关信息等的图像。将雷达应用在内河船舶防碰撞当中,保障了船舶行驶的安全系数,提高了河流水域范围内通航的效率和经济效益4。随着科学领域技术多样化的创新发展和进步,雷达相关的基础理论知识和实用操作技术都在不断地革新,雷达整体的性能也更加良好,在海、陆、空三种交通类别当中也得到了更为广泛的应用。雷达系统的基础结构如图1所示。（1）雷达测量距离的基础原理。雷达测量距离主要是利用电磁波,借助雷达将电磁波发出,记录雷达发射电磁波的具体时刻信息以及雷达接收碰撞到障碍物后电磁波返回的具体时刻信息,通过计算得到船舶当前距离障碍物所在位置的实际间距5。计算公式如下：发出时刻为t1,接收时刻为t2,光波速度为C,具体间距为R。R=0.5C(t2-t1)（2）雷达测量方位的基础原理。雷达在对障碍物具体方位进行测量的时候主要是借助于雷达天线,通过雷达天线的主波束对目标物体进行探察和测量,如若能够精准定位就能图1 雷达系统基础结构图珠江水运 2023 0393DOI:10.14125/ki.zjsy.2023.03.00411mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8而导致船舶操纵出现偏离既定航线风险的升高,进而增大船舶相互之间发生碰撞事故的可能性；其次是河流水域范围内航行运输的交通环境,随着内河船舶航行运输行业的不断发展与扩张,当前河流水域范围内的航行运输环境更加复杂多变13。船舶依照避碰策略进行紧急避让的过程当中,船舶驾驶人员还需要对实际的河流水域交通形态和趋势进行分析,系统全面的考虑内河航道当下的实际航行运输环境。3.雷达和GIS系统的应用将雷达和GIS系统应用在内河船舶防碰撞统筹与管理当中,选取合适研究的雷达设备,获取精准的数据信息,选取性能较高的GIS系统对雷达所获取的数据信息进行系统全面的处理和分析,为内河船舶防碰撞策略的制定提供更具科学性和精准性的数据保障和支撑。3.1雷达数据信息的解读和分析在 进 行 雷达 设 备 筛 查 和 选 择的 过 程 中,要选 取 符 合 国 际 海 事组织（International Maritime O r ga n i z at ion,I MO）以 及国际电 工委员会（Inter nat iona l Electrotechnical Commission,IEO）既定标准的,还要选取微小目标物体勘察和探测性能较高,可以在恶劣航行运输环境当中保持较高实用性能的雷达设备。依照雷达数据信息标准协议的数据信息格式进行解读和分析。具体雷达数据信息标准格式如表够发现目标物体,如若出现定位偏离就不能发现目标物体。再者,显示器扫描线与雷达天线时刻保持着同步旋转,直接查看显示器扫描线的方位即可6。（3）雷达测量速度的基础原理。雷达测量速度主要是依据船舶与障碍物之间存在相对运动,通过频率计算出目标障碍物相对于船舶自身的运动速度。计算公式如下：发射出的频率为f1,接收到回波频率为f2,载波波长为,目标障碍物相对于船舶自身的运动速度为v。v=0.5(f1-f2)1.2GIS系统的发展以及应用地理信息系统（Geographic Information System,GIS）是综合性能极强的系统,广泛涵盖了地理学、地图学、远距离探测技术、计算机科学以及应用软件开发技术等基础理论和先进技术7。当前GIS系统的实际应用主要可以分为两大类,一类是基于GIS系统和技术对平台存储的海量用户数据信息进行处理和分析,另一类是基于GIS系统和技术构建并开发出可以为平台用户群体提供专属GIS应用软件。随着我国社会、经济以及科技等领域更加深层次的融合与发展,当前GIS系统在国内各个领域也有了更多的融合与应用,例如：交通运输领域、国家军事领域、社会公安治理领域、国土安全维护管理领域等等,GIS系统当中地理数据信息的录入、存储、查询、解析以及显示等众多极具实用性的应用功能为各个领域的建设与发展都有着显著促进作用8。2.内河船舶碰撞概述分析针对 内 河船 舶 之 间 发 生 碰 撞事故的可能性可以通过碰撞危险度（Collision Risk Index,CRI）数值的大小来衡量碰撞事故发生可能性的大小9。碰撞危险度的取值范围在0-1之间：如若碰撞危险度为0,则代表船舶相互之间不存在发生碰撞事故的可能性；如若碰撞危险度为1,则代表船舶相互之间无法通过避免碰撞策略阻止碰撞事故的发生。造成内河船舶之间发生碰撞事故,造成内河船舶碰撞危险度数值上升的因素有很多。内河船舶基础操纵系统组成如图2所示10。依照船舶基础操纵系统的各个组成部分,对内河船舶相互之间发生碰撞事故的主要因素进行分析。从船舶驾驶人员层面进行分析。首先是船舶驾驶人员的感知能力缺失,基于船舶驾驶群体之间的差异性,部分船舶驾驶人员在船舶内部和外部管理的通信过程中会出现错误,对于先进的设备无法做到充分利用等等。同时还存在部分船舶驾驶人员工作态度不端正或是航行运输实践经验积累较少11。其次是船舶驾驶人员的决策能力较弱,无法将船舶实际状况以及现有数据信息相互结合进行综合全面的分析。从船舶自身层面进行分析。由于船舶自身吨位、尺寸大小、实际操作性能以及内河船舶实际航行速度等因素都会在不同程度上提高船舶在河流水域范围内与其它船舶之间发生碰撞事故的可能性12。从内河船舶交通航行环境层面进行分析。环境层面主要分为两类环境：首先是河流水域范围内的自然环境,自然环境的优劣状况会直接影响内河船舶航行运输的安全系数,如若出现能见度较低、太阳光照较强等不良气象就会直接影响船舶驾驶人员的航行视线,从图2 船舶基础操纵系统组成94学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 81所示。通过表格数据信息进行分析,计算出船舶和目标物体之间的实际间距、方位角度以及相对速度。3.2雷达数据信息的处理和显示具体操纵过程当中,雷达设备实际的扫描周期通常较短,就会出现较短时间内雷达设备获取到的数据信息出现冗余现象,因此就需要对部分雷达设备获取的数据信息进行处理,保留具有实用价值的目标数据信息。在完成雷达设备数据信息解读和分析之后,结合GIS系统的显示应用功能,将实际的目标物体的具体位置信息显示在地图画面当中,让雷达设备数据信息更好的应用在内河船舶防碰撞统筹管理工作实践过程当中14。随后再通过GIS系统对雷达设备数据信息进行过滤操作,用GIS系统算法对剩余雷达设备数据信息进行深度处理,最终保留最具实用性的目标点,并通过GIS系统着重标注显示。3.3雷达数据信息的判定和过滤将雷达设备所获取的数据信息通过GIS系统呈现出来之后,对海量的障碍物数据信息进行判定和过滤。进行雷达设备数据信息过滤的主要思路就是将海量雷达设备数据信息当中与河道类似的静态障碍物进行过滤、将与船舶处于同一纬度的数据信息进行过滤、对GIS系统地图中不存在的数据信息进行过滤。雷达数据信息判定和过滤的具体流程如图3所示。4.结束语综上所述,本文首先对雷达和GIS系统进行了全面细致地了解与分析,能够明确将雷达和GIS系统融合并应用到内河船舶管理与船舶防碰撞的预警当中有着鲜明的优势。其次对内河船舶碰撞事故的重要概念以及众多因素等进行详细的分析和明确。最后深入探索和研究雷达和GIS系统在内河船舶防碰撞中的实际应用途径。通过系统全面的研究可以明确将雷达和GIS系统融合应用到内河船舶防碰撞当中,可以有效降低船舶在高密集度内河水域之内船舶碰撞交通事故的发生频率,最大程度保障了船舶驾驶群体的生命健康和安全。参考文献：1马红光,姜勤波,刘志强,等.基于GIS系统DEM数据的雷达地杂波建模与仿真J.现代雷达,2019,41(07):44-48.2甄廷忠,江龙,段燕楠,等.基于昆明市精细化GIS的天气雷达标准格式基数据应用J.气象科技,2020,48(01):59-67.3伍洋.GIS技术在新一代天气雷达工程选址分析中的应用J.电子技术与软件工程,2018(11):200-202.4吴帅,谢春思,李进军,等.反舰导弹末制导雷达基于GIS对岛岸附近目标搜索策略J.兵器装备工程学报,2019,40(01):98-101.5李子平,周钦强,张来添,等.基于茂名市GIS新一代C波段多普勒天气雷达(CINRAD/CCJ)基数据的应用J.广东气象,2020,42(04):76-80.6刘婷.基于雷达和GIS的内河运输船舶避碰仿真系统研究D.武汉理工大学,2017.7常彦妮.多方向航行船舶防碰撞航线有限元计算研究J.舰船科学技术,2020,42(08):31-33.8甄廷忠,江龙,康道俊,等.基于自研GIS的标准格式雷达基数据应用和预警系统的设计与实现J.计算机应用与软件,2020,37(10):14-19+106.9罗捷,王德岭.遗传极限学习计算法在船舶碰撞危险度确定中的应用J.舰船科学技术,2021,43(18):34-36.10谭红宝.基于改进VGG网络船闸船舶避撞方法C/.中国水力发电工程学会自动化专委会2021年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会论文集.出版者不详,2021:395-399.11周嘉健,黄桂烨,吕玉嫦,等.基于GIS地图的天气雷达环境遮挡可视化应用J.广东气象,2022,44(02):70-72+77.12苏德辉.泉州海事局和泉州市海洋与渔业局在船舶较密集的泉州湾共同开展商渔船防碰撞专项行动J.中国海事,2022(05):82.13孟贝贝.多条件约束下离港过闸船舶防碰撞控制优化方法J.舰船科学技术,2021,43(20):64-66.14李冠运,刘松涛.基于GIS技术的雷达地形遮挡盲区高度快速计算方法J.中国电子科学研究院学报,2022,17(07):646-650.ID05300000000000000