1、本 科 毕 业 设 计跨海大桥桥墩避碰系统的研究所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要为了有效避免船舶间、船岸间碰撞事故的发生，本文结合 DSP 技术以及 AIS（Automatic identification System，船舶自动识别技术） ，设计实现了一种基于 AIS 的大桥桥墩避碰报警系统。AIS 的诞生为船舶避碰提供了一种新方法，研究了船舶自动识别系统 AIS 的关键技术及其组成，设计了基于 AIS 的避碰报警系统。该系统对 AIS 等设备采集的数据进行变换与接收，以 DSP 为信息处理和控制元件，采用 FPGA 以解决多接口
2、的问题。AIS 技术的引入，使船舶碰撞危险系数的计算更为精确，船舶与岸台之间、船舶与船舶之间的通信更加迅速。AIS 协助船舶避碰是船舶相互发送与接收位置及运动参数信息并附加船舶的静态信息为船舶避让决策提供重要参考，并同时对船舶进行识别以利于有效的沟通。近年来，这一手段以其直观、高效、良好的数据兼容性、易于叠加与共享，得到了全面的重视及广泛的应用。本文主要内容包括以下几个方面：（1） 根据国内外的资料文章以及 IMO 的文件，分别对 AIS 系统的技术和避碰系统的概况进行了归纳和整理。分析了 AIS 对于雷达和 ARPA 的优越性，并将 AIS 应用到避碰系统中。（2） 在系统的研究过程中，首先
3、对系统的整体进行了设计，其次选择了相应的 DSP 芯片，并完成了外围接口电路的设计，然后完成了报警电路的设计。（3） 分析了 AIS 信息的采集，完成 AIS 信息采集的硬件、软件设计，然后对 AIS 的信息解码进行了分析，主要包含了 AIS 码文中明码和暗码的解析。（4） 最后对 CPA 和 TCPA 这两个重要的避碰参数进行了计算。关键词：避碰；AIS；大桥桥墩；信息采集IIIAbstractIn order to effectively avoid a ship, the ship collision accident between the shores, this combinati
4、on of DSP technology and AIS (Automatic identification System, Automatic Identification Technology), designed to achieve a kind of bridge piers based on AIS collision avoidance alarm system. The birth of AIS collision avoidance and provides a new method to study the Automatic Identification System A
5、IS of key technologies and components, designed based on the AIS in collision avoidance alarm system. AIS and other equipment of the system to transform the data collected and received by DSP as information processing and control components, the use of multi-interface FPGA to solve the problem. The
6、introduction of AIS technology to enable the calculation of collision risk factor is more precise, between ship and shore station, the communication between ship and ship more quickly. AIS is a ship collision avoidance assist each other to send and receive information on the location and movement pa
7、rameters and attach the ships static information for the ship to evade an important reference for decision making, and also to identify the ship in order to facilitate effective communication. In recent years, the means of its intuitive, efficient and good data compatibility, easy to stack and shari
8、ng, has been full attention and a wide range of applications. The main contents include the following:(1) According to the information home and abroad, the paper articles and IMO, respectively, the system of AIS technology and collision avoidance system profiles are summarized and finishing. Analysi
9、s of radar and ARPA AIS for the advantages of AIS will be applied to the collision avoidance system.(2) The research process in the system, first, the whole system was designed, then select the appropriate DSP chip, and completed the design of the external interface circuit, and then complete the al
10、arm circuit.(3) Of the AIS information collection, information gathering to complete AIS hardware, software design, and then decode the information on the AIS were analyzed, the main code contains the AIS codes and cipher text of the resolution.(4) Finally, the CPA and TCPA collision of these two im
11、portant parameters were calculated.Keywords: Collision Avoidance; Automatic identification System; Bridge pier; InformationIV目 录第 1 章 绪 论 .11.1 课题选取的背景 .11.2 避碰系统的简介以及研究概况 .21.2.1 避碰系统的构成以及原理 .21.2.2 避碰系统的研究概况 .31.3 本文研究的主要目的和内容 .31.3.1 本文研究的主要目的 .31.3.2 本文研究的主要内容 .3第 2 章 AIS 概 况 .42.1 AIS 出现的背景 .42
12、.2 AIS 的构成 .42.3 AIS 的功能 .52.4 AIS 在在避碰系统中的作用 .6第 3 章 系 统 整 体 结 构 设 计 .73.1 系统概述 .73.2 整体结构设计 .73.2.1 FPGA 和 DSP 的接口设计 .73.2.2 FPGA 和 DSP 与其他外围的接口电路设计 .83.3 报警电路的设计 .9第 4 章 AIS 信 息 的 采 集 及 解 码 分 析 .104.1 AIS 信息概述 .104.2 AIS 信息的采集及过程 .104.3 AIS 信息采集的硬件设计 .124.4 AIS 信息采集的软件设计 .124.5 AIS 信息的分析 .134.5.1
13、 Parametric Sentences（明码语句） .134.5.2 Encapsulation Sentences（暗码语句） .144.6 AIS 信息解码分析实例 .16V第 5 章 避 碰 参 数 的 设 计 .185.1 CPA 和 TCPA 的简介 .185.2 定义坐标以及相关参数 .185.3 TCPA 的计算 .195.4 CPA 的计算 .19结 束 语 .21致 谢 .22参 考 文 献 .231第 1 章 绪论1.1 课题选取的背景随着国际贸易和交通运输事业的发展，世界海运总量不断扩大，跨越江河、港区和海峡的大型桥梁越来越多，同时，船舶的数量、航速以及吨位都在不断增
14、加，船舶撞击桥墩、桥梁的重大海损事故日益增多，并且呈上升趋势。1980 年，美国阳光大桥被一艘散货船撞塌，35 人死亡，损失超过 2.5 亿美元；1983 年，在前苏联的伏尔加河上，一艘客轮错走大桥侧孔，由于净空高不足，导致上甲板室整个被切除，176 人死亡；2002 年，美国一船队撞上某公路桥桥墩，造成桥梁坍塌，17 辆汽车坠入河中，17 人丧生。在我国，1998 年浙江龙港大桥被一装有甲苯的油船撞塌，4 人死亡，一位船员甲苯中毒，大桥终端 4 个月，重新修复花费高达 800 万元；2008 年 3 月 27 日凌晨 1 时 15 分，台州籍货轮“勤丰 128”与正在建设中的金塘大桥发生撞击
15、，导致桥面上的两块箱梁断裂塌落，其中大部分直接砸向货轮的船尾，船上 4 人死亡，多人受伤。这一事故使得大桥施工被迫暂停。2009 年 1 月 6 日 10 点 30 分左右，桃夭门大桥被违规行驶的江苏连云港籍“信旺 6 号”工程船擦碰，大桥钢箱梁底部局部被擦损。幸好，大桥仍正常运行。2009 年 11 月 16 日下午，载有约 3000 吨钢板的韩国籍货船“马克”号发生走锚，擦碰金塘大桥一处非通航孔两侧的 E31 和 E32 两座桥墩，最终在宁波镇海海域冲滩。经舟山市政府、东海救助局、宁波海事局等有关部门全力搜救，船员全部脱险。这一事故虽然对大桥损害不大，但是原定于 11 月 22 日的通车仪
16、式由于考虑到安全原因被迫取消。造成事故的原因比较多，其中人为错误居第一位，设备故障占第二位，天气恶劣造成的事故占第三，可见船撞事故基本上不是管理部门所能控制的。为了提高船舶运输的安全性和经济性，为了促进了航海自动化技术的发展，人们进行了对船舶自动避碰方法的研究。船舶自动化中最重要组成环节之一就是船舶驾驶的自动化，从船舶驾驶自动化技术的研究成果来看，避碰系统是其中的一个薄弱环节，而这一环节与船舶的航行安全有着直接的联系。在目前的避碰领域的实践中，还是离不开船舶驾驶员的主管决策，凭着航行经验手动完成船舶避碰。在航运业的初期，船舶密度小，航行速度低，这时凭着驾驶员的主管判断是可以完成避碰任务的。然而
17、，现在随着船舶大型化、高速化、专业化的发展，几万吨、几十万吨的船舶已不稀奇，这时手动完成避碰任务已经很难，现有的 ARPA 所提供的信息同样满足不了现代航海的需求。如何有效地避免船桥碰撞，减轻驾驶员的劳动强度和心理负担等一些亟待解决的问题到目前为止还没有十分有效的解决方法，这也是国内外航海界研究的热门话题。因此，对这一问题作进一步的研究有着重要的理论价值和现实意义。尽管 IMO 和各国还是主管部门制定了避碰规则并强制配备了各种通信设备，在建立港口通信以及 VTS 和船舶报告制度等方面也做出了不懈的努力，但海事事故依旧发生。关于避碰的研究已经进行了很多年，取得了很大的成就。但是避碰的有关机制以及
18、避碰行为的相关因素的关系问题，还有待于进行更深入的研究。本文的选题依据以下几个方面：（1） 实习生活中深感研究船舶避碰的行为的重要性。当前船舶碰撞事故占我国全部海上交通事故的 60%以上，由于港口的船舶密集度高，在一些港口甚至达到了 80%以2上 1。对于这些碰撞事故的调查表明，95%以上是由驾驶员在避碰过程中的疏忽、避碰幅度过小采取行动过完等造成的，迫切感到对船舶避碰行动研究的重要性和紧迫性。（2） 船桥相遇时避碰决策的制定主要依赖于驾驶员的一系列操作完成，但是在某些状态下，驾驶员能否迅速估计局面并采取正确的行动，在很大程度上取决于驾驶员的心理状态和心理素质。（3） 现在，人们一方面正在致力
19、于对避碰规则的完善和修改以及避碰理论的研究，另一方面大力开发集现代科技和自动化为一体的避碰系统，以取代或延伸人在航海中的部分劳动力，以减轻船员负担。随着桥梁建设步伐的加快以及船舶运输呈现的一些新变化，船桥避碰问题将会越来越突出。关于船桥碰撞造成的损失，船舶的损失对于船舶的拥有者来说是相当致命的；桥梁的损失对于桥梁的拥有者来说是不可估量的；对于相关商业公司而言则是由于交通中断造成的业务损失；对于政府而言，除了上述各项损失之外，还有人员的伤亡和环境以及社会等更大方面的影响。由于以上原因，世界各国对于船桥避碰问题越来越重视，本课题正是在这样的背景之下产生的。1.2 避碰系统的简介以及研究概况1.2.
20、1 避碰系统的构成以及原理从船舶避碰的基本过程可以知道，其基本构成如图 1.1 所示。首先要与提供本船和目标船信息的设备，即如图 1.1 中所示的传感器部分；其次，需要计算机系统完成分析判断、信息处理以及确定避碰方案，这部分主要由输入输出接口、存贮本船和目标信息以及 ECDIS 信息的数据库构成；自适应舵或智能舵和主机及被控对象部分是实施避碰方案的操船机构部分。船舶信息电子海图数据库传感器接口 信息传感器 自适应舵或智能舵 船舶避碰软件图 1.1 避碰系统的构成框图雷达或 ARPA，陀螺罗经和计程仪以及最新的 AIS 系统一般是现有的船舶自动避碰系统的中所使用的传感器设备。目标的相对位置信息利
21、用雷达获得，本船的航向和航速等信息则利用陀螺罗经和计程仪获得，并作为避碰信息的部分原始数据。避碰信息的原始数据需要进行必要的预处理，这部分主要由避碰计算机系统输入接口完成；然后在信息的分析、分类、计算、处理、危险判断和确定避碰方案由智能避碰软件在对目标信息进行滤波处理的基础之上，用智能避碰软件应用数理分析与专家系统原理相结合的3方法实现；最后通过计算机系统的输出接口将避碰方案经过必要的数据转换处理后，实施避让方案。目前的船舶避碰系统存在的主要问题是传感器的局限性以及避碰软件功能的扩展和完善问题，而 AIS 的日趋成熟和普及将成为解决上述问题的一种有效的办法。1.2.2 避碰系统的研究概况关于避
22、碰系统的研究，开始于 20 世纪 70 年代末，进入 90 年代以来，由于在“96 国际海上避碰会议”上曾经提出过船舶自动避碰是今后 10 年乃至 20 年航海技术的主攻方向之一，以及由于 80 年代末日本及英国率先使用专家系统，因此在整个世界范围内引起了很多专家学者的兴趣，并成为目前航运界的前沿课题，到目前为止发表了大量的研究成果。英国利物浦理工大学研究的避碰专家系统是一种咨询式的避碰知识库。系统的信息主要从 1972 年国际海上避碰规则，海员、海事专家以及专业人员对上述规则的解释和船舶工艺的实地应用三方面取得的。通过归纳出 14 种可能采取的避碰行动方案。东京商船大学练习船“汐路丸”上的模
23、拟避碰决策系统是一种全自动的避碰专家系统，它不仅给出避碰决策，同时还能通过避碰决策自动控制车舵等装置。在我国，海军广州舰艇学院研究的避碰系统，是一种咨询式的避碰决策系统。上述自动避碰系统各有千秋但不足的地方也有，如在碰撞危险度的评价方面缺乏多因素的考虑。当前，船舶自动避碰系统主要分两种类型：一种是人机对话咨询式的；另一种是全自动式的。对话咨询式的避碰系统给出的决策是辅助的，可供驾驶员参考。1.3 本文研究的主要目的和内容1.3.1 本文研究的主要目的目前我国交通各界对于船舶撞桥的问题有着一定的认识，但却还远远不够。在船撞桥事故中，受到安全威胁的船舶、桥梁、相关的人、物、水域环境以及社会等多个方
24、面。随着桥梁建设步伐的加快以及船舶运输呈现的一些新变化，船撞桥问题将会越来越突出。桥梁越建越大，越来越多，海船的尺度远远大于内河船只，桥梁的造价以及重要性又极高，船撞桥的问题以及由此带来的风险将显得更加突出。现在随着海上事故的频繁发生，研究自动避碰系统也就显得越来越重要，以当代先进的计算机、电子技术为基础开发的航海自动避碰系统已成为当今世界各国航运界的研究热点。本文旨在通过对避碰规则的收集整理、对 AIS 信息的采集、解码以及对 CPA、TCPA 的计算来完成一个基于 AIS 的大桥桥墩避碰报警系统的设计。1.3.2 本文研究的主要内容本文研究的是基于 AIS 的大桥桥墩避碰系统，首先概括梳理
25、了 AIS 和避碰系统出现的背景、概况，然后对系统进行了整体设计，包括报警电路的绘制，之后对信息采集、信息的解码过程以及 AIS 明码、暗码进行了一定的解析，最后面介绍 CPA 和 TCPA 的计算。4第 2 章 AIS 概况2.1 AIS 出现的背景自20世纪70年代以来，航运事业迅速发展，船舶朝着高速化、大型化方向发展，水域交通密度、船舶数量及危险货物装载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁船舶航行安全及海洋生态环境。雷达能够对海上目标进行测定和跟踪，但因为其自身的局限性，雷达并不能识别目标船舶的船名、呼号、船舶的大小、吃水以及操纵意图等重要信息，更为关键的是，雷达的工作性能受到气象、海
26、况及周围地形的影响。例如，在狭水道、船舶密度较大的水域以及恶劣的环境时候，雷达的局限性尤其突出。在以往的船舶碰撞事故中，出现过多起由于VHF语言沟通障碍而不能及时了解对方船舶的操纵意图，最终导致碰撞事故发生的案例。此外，在VTS控制的领域里，VTS操作员通过VHF与船舶驾驶员联络也存在沟通的问题，同时VTS雷达对密集目标跟踪存在很多困难。为了解决船舶自动识别、自动交换信息的问题，人们曾经考虑过将传呼机应用于船舶的信息传达，但是由于只是单向地发送信息，在双向信息交流上仍不能满足船舶通信的需要，国外有关研究机构开始考虑将本船的属性信息通过VHF自动发送和接收，同时研究了多船通信之间的协议，并开始建
27、成产品。全球船载自动识别系统 AIS 正是在上述背景下以现代通信发展的基础应运而生的，在国际组织 IMO、IEC、ITU、IALA 的努力下，从 1992 年开始在国际会议上研讨 AIS 至今已经过去了 20 年，期间已经正式发布了 AIS 的测试标准、技术特性、性能标准、操作指南以及各类船舶期限安装的决议，其发展之迅速，反映了迫切的客观需求，十分令人瞩目。2.2 AIS 的构成（1）接口电路：将本船的动态信息转化成数字信号输入信息处理器。其中本船动态信息主要包括了船舶航速、航向、同步时间和 GPS 提供的船位。航速和航向分别由计程仪和罗经提供，同步世界时（UTC）通常作为 AIS 设备的参考
28、时间，主要的时间来源为 GPS。（2）信息处理器：信息处理器是 AIS 的核心部分，用于储存船名、本船识别码、船型、呼号等静态信息和航线、船舶吃水危险货物等相关的航行信息；接受接口电路送来的动态信息并进行处理和储存；将储存的本船最新航行数据以及必要的静态数据和其他与航行相关的信息进行编码后通过 VHF 发射；对接收到的其他船舶信息进行解码，并储存相关信息；将本船和其他船的航行数据相关信息在显示器上显示出来。（3）信息显示器：显示各种数据和状态信息以及监视系统的运行状态。（4）VHF 收发机：由系统信息处理机控制，自动发射和接收按协议通信方案规定好的已调信号，该已调信号中包含了本船和他船的航行信
29、息，发送信息的编码和接收信息的解码工作均由信息处理机完成。典型的 AIS 系统包含了一个 VHF 发射机，两台 VHF/TDMA 接收机，一台 VHF/DSC 接收机。AIS 可以同时在两个频率上交替进行工作。其系统组成框图如图 2.1 所示。5VHF 发射机 VHF/TDMA 接收机 1VHF/TDMA 接收机 2VHF/DSC 接收机船用电子通讯接口AIS信息处理器AIS显示器GPS/DGPS/GNS计程仪电罗经输入装置雷达/ARPAECDIS/ENS图 2.1 AIS 系统组成框图2.3 AIS 的功能AIS 的目的是实现一定范围内的所有安装有无线电应答器的船舶相互之间的联系，也就是意味
30、着不需要人工介入船舶便能同其他船只或岸台够连续不断地交换航行数据。只有当这些信息连续地、自动地传送给其他船只或岸台时，AIS 才能真正显示出其功能。SOLAS 第 5章第 19 条中规定了通用 AIS 的配备要求，已于 2002 年 7 月 1 日起新造船舶开始强制执行该系统的配置，同时，于 2004 年 7 月 1 日起对所有从事海上航行的船舶进行强制装备，500 总吨及以上不从事国际航运的货船和所有客船，从事国际运输的 300 总吨以上的船舶，均需要安装 AIS 的设备。由第 1 章可以知道，如果每艘船舶都安装了 AIS 系统，那么船只就可以把本船的航行信息发送出去，并且可以接收到周围其他
31、船只发来的航行信息，这将给海岸和港湾的船舶管理以及海上的船舶航行带来极大的方便。规则阐述的 AIS 系统具体有以下功能：（1） 系统可以在无人介入的情况下，主动并连续地向具有适当配备的主管当局或者其他船只发送和接收信息，信息中包括了船舶识别码、船位、船型、航速、航向、航行状态和其他必要的信息；（2） 以适当的跟新速率提供船位和操纵信息以便管理当局和其他船只精确跟踪和监视船只动态；（3） 与 AIS 岸台交换数据，以便主管部门指配工作模式，控制数据传输的时间和间隙；（4） 系统内设测试设备；（5） 大大简化了信息的交流次数和交流量；（6） 可以提供其他辅助信息以避免避碰事件的发生；（7） 提供国际海事标准界面，并且拥有人工输入和输出的数据接口。
