基于人机交互技术的船舶实时导航系统

张龙龙，袁静雯，金喆洙

(韩国国立釜庆大学 海洋融合设计工学学科 设计工学，韩国 釜山 48513)

0 引 言

船舶是通过导航系统进行任务执行以及实时航行路线的确定[1]。船舶导航系统提供船舶位置、航向、航速、水平以及方位基准等相关数据，主要由导航系统、定位设备等多个部分组成[2]，通过各个部分之间的协作和运行，实现船舶的航行计划。由于海上环境多变且复杂程度较高[3]，海上船舶数量较多，对船舶实时导航效果造成一定影响，导致其航行情况发生不同程度的偏差[4]，导航结果的可视化效果不理想。此外，海上交通管理水平不断提升，对于智慧导航的需求也不断提升。罗春艳等[5]为实现船舶自主导航，以水面环境信息为基础，以获取最优路径为核心，完成船舶航行导航路径规划。该方法在应用过程中，能够精准完成导航路径的规划，但是无法实现导航结果的可视化交互。张莉等[6]为实现船舶精准导航，通过仿真模型对船舶的航行位姿和位置进行仿真模拟，实现导航系统的建模，保证船舶导航的可靠性。但是该系统在应用过程中，对于海量导航信息的处理效率较低。

人机交互技术是以计算机等输入和输出设备为依据，完成计算机和人之间的交互，该交互结果可以是二维图形交互或者三维图形交互等，并且该交互结果具有较好的视觉渲染效果，可全面呈现交互内容[7]。本文结合船舶导航存在的问题以及实时导航的需求，设计基于人机交互技术的船舶实时导航系统。

1 船舶实时导航系统

1.1 系统总体架构

为实现船舶智慧实时导航，降低环境或者天气等因素对于导航效果的影响，并全面、可靠呈现船舶导航结果，设计基于人机交互技术的船舶实时导航系统，通过该系统完成船舶智慧导航，并生成海上地图，呈现导航结果。系统整体分为3 个模块，分别为信息集成模块、导航管理模块以及人机交互模块。信息集成模块依据卫星、GPS 接收器、传感器以及纸质海图导入等，获取船舶的实时航行状态以及海图信息等，通过工业控制总线PC104 的嵌入式计算机完成上述信息的综合处理后，经由网络接口将信息传送至导航管理模块中。该模块主要依据GPS 和捷联惯导系统(SINS)系统完成船舶智慧导航，并且可完成船舶航行相关信息的查询；查询结果通过人机交互模块进行可视化交互。人机交互模块主要通过Web 构建交互模块，并且进行交互结果的渲染。此外，该模块在进行人机交互时，可控制可视化的视图角度，通过色彩显示屏呈现交互可视化结果。系统的整体架构如图1 所示。

图1 基于人机交互技术的船舶实时导航系统架构Fig. 1 Architecture of a real-time navigation system for ships based on human-computer interaction technology

信息集成模块：主要以PC104 的嵌入式计算机为核心支撑，包含卫星、GPS 接收器、多源传感器，纸质海图、PC104 总线协议以及可扩展无线网卡等部分，主要作用是获取船舶航行的相关信息，并实现信息的集成。通过协议总线将信息传送至导航管理模块，为船舶实时导航提供信息依据。

导航管理模块：接收信息集成模块传送信息后并将其存储在数据库中，实现船舶导航以及船舶航行相关信息的查询，包含船舶方位、运动轨迹、航行速度、当前实时位置以及规划航行线路等。其中，船舶的导航是通过INS/GPS 组合导航模型完成。

人机交互模块：主要包含视图控制、图层控制、彩色显示器、Web页面以及Node.js 技术等部分，完成船舶智慧导航结果的可视化渲染，并通过显示屏完成人机交互。

1.2 信息集成模块结构

船舶综合导航信息的管理是实现船舶实时导航的重要依据，因此，为保证船舶实时导航效果，以PC104 的嵌入式计算机为核心构建信息集成模块，实现综合导航信息的集成管理，该模块的整体结构如图2所示。在进行船舶综合信息管理过程中，为保证信息的安全传输，以PC140 总线协议作为传输协议，保证信息的传输安全性，并且设有2 个EMERALD-MM 八串口卡、串口接口协议、CAN 卡、以太网接口等，以此满足综合船舶导航的管理需求。

图2 信息集成模块结构Fig. 2 Information integration module structure

1.3 导航管理模块设计

1.3.1 导航管理模块结构

实现船舶的实时智慧导航是系统的核心目标，因此，导航管理模块是系统的核心功能模块，该模块的整体结构如图3 所示。该模块以S3C2440 作为微处理器，实现电子地图的管理以及视图控制。同时，通过该处理器控制并调用导航管理模块中的步动态随机存取存储器、内部存储器中的信息，并将信息传送INS/GPS 组合导航模型中，进行船舶的实时导航。

图3 导航管理模块结构Fig. 3 Navigation Management Module Structure

1.3.2 基于INS/GPS 的船舶导航模型

导航管理模块为精准、有效完成船舶的实时导航，将INS 和GPS 相结合，构成INS/GPS 船舶导航模型，能够充分利用存储的船舶导航相关信息，有效避免导航结果发生发散现象。如果船舶的状态变量和状态方程分别用和x表示，两者的计算公式为：

式中：F表示船舶状态转移矩阵；w表示导航误差；φ表示偏航姿态角误差； δv表示速度误差； δp表示经纬高位置误差；ba和bg表示位置漂移和陀螺常值漂移。

量测方程用z表示，其计算公式为：

式 中： δPGPS和 δVGPS均 表示 误 差，前 者 对 应GPS 测 量位置，后者对应GPS 测量速度； δPIMU和 δVIMU均表示误差，前者对应惯性器件积分位置，后者对应管型器件速度；v表示GPS 系统误差，H表示GPS 系统的量测矩阵，其表达式为：

依据GPS 测量数据即可获取状态变量的估计结果。在此基础上，引入Kalman 滤波算法，Kalman 滤波状态模型公式为：

1.4 人机交互模块结构

该模块的主要作用是实现导航结果和用户之间的可视化交互，并且在交互过程中，为保证交互效果，通过Node.js 技术进行信息渲染，最后通过 Web页面的形式展示给用户。该模块整体分为：用户交互设计功能、信息渲染功能、交互页面加载功能。通过3 个部分的结合，实现船舶导航结果的人机交互。该模块的整体结构如图4 所示。

图4 人机交互可视化技术结构Fig. 4 Structure of human-machine interaction visualization technology

1）用户交互设计功能

该功能主要完成交互界面的设计，对于交互页面结构而言，采用分布加载的方式完成前端加载过程的设计，优化加载性能，同时设有信息容灾备份功能，一旦在交互过程中，交互界面加载失败，则可马上进行回滚操作，保证页面交互时的流畅性，并较少页面加载时间。

2）信息渲染功能

信息渲染是人机交互时的重要部分，渲染主要分为2 个部分，一是前端加载渲染，另一个是局部渲染，两者均利用Node.js 技术完成。该功能在应用过程中，可在不依赖用户属性的前提下，完成前端交互平台所有信息的分流化处理，使其形成用户操作的相关信息以及显示信息，同时通过MongoDB 数据库完成交互信息的维护。

3）交互页面加载功能

该功能的主要作用是提升Web 交互页面的加载效率、降低用户的操作以及等待时间，实现船舶导航结果的高效展示。在该功能中引入信息缓存技术，保证网络状态不稳定的情况下的交互效果。

2 测试结果与分析

为验证本文系统的应用效果，将某救援船舶作为目标，进行相关测试。该船排水量为5 564 t，功率为8500 kW，长为95 m，型宽为14.7 m，型深为7.5 m，续航能力1 500 nmile。该救援船主要用于深海救援，海域搜索范围268 nmile。其搜索海域内存在多条海洋暗流、并且小型岛屿和暗礁数量较多，同时该海域位于多个航线的公共航信经过区域，船舶经航数量相对较多。因此，该船在作业过程中对于导航的要求较高。

使用的导航系统和传感器相关参数如表1 所示。

表1 导航系统和传感器相关参数Tab. 1 Navigation system and sensor related parameters

应用本文系统后，船舶在运行过程中能够及时查询实时导航结果，呈现船舶所在位置的经度和纬度，并且可查看船舶的实时航行速度。因此，本文系统应用效果较好，能够完成船舶导航结果的实时查询。

为验证本文系统对于船舶的导航效果，获取船舶在不同的航行距离下，偏航角、航行速度的导航误差结果，如表2 所示。其中偏航角和航行速度的允许偏差结果分别为5.2°和0.5 m/s。依据表2 测试结果可知，随着船舶航行距离的逐渐增加，偏航角、航行速度的导航误差结果均在允许的标准范围内，两者的最大误差分别为4.6°和0.44 m/s。

表2 偏航角、航行速度的导航误差结果Tab. 2 Navigation error results of yaw angle and navigation speed

为进一步验证本文系统的导航效果，获取船舶在作业过程中的航迹导航结果，将该结果和设定航线结果进行对比，如图5 所示。可知：本文系统能够精准完成船舶作业航迹导航，并且导航结果和设定航线之间吻合程度较高，能够保证船舶的安全航行。

图5 船舶在作业过程中的航迹导航结果Fig. 5 Navigation results of ship's track during operation

为验证本文系统的船舶导航人机交互效果，获取船舶导航结果的交互结果。本文系统，能够有效完成船舶导航结果的可视化，并呈现航向海域内的详细情况，具有较好的人机交互效果，能够全面呈现船舶的导航结果。

3 结 语

为提升船舶导航的智慧水平以及实时性，全面掌握船舶航行状态，并实现导航结果的可视化交互，设计基于人机交互技术的船舶实时导航系统，并对该系统的应用效果展开相关测试。结果表明，该系统能够精准掌握船舶的实时航行情况，并且能够按照设定的航行线路精准完成船舶航行导航，全面呈现导航结果的可视化交互。