基于信息交互與傳達技術(shù)的船舶航跡界面設(shè)計方法

朱 丹

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018）

0 引言

對船舶航跡界面實施合理設(shè)計，是能夠有效規(guī)范以及管理船舶航跡，提升船舶航行安全以及穩(wěn)定性的重要前提[1-3]。鑒于此，為更好保障船舶安全穩(wěn)定運行，設(shè)計一種合適的船舶航跡界面非常有必要。

近年來國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，吳瀟燦等[4]研究應(yīng)用計算機輔助技術(shù)的船舶航跡界面設(shè)計方法，古毅杰等[5]研究應(yīng)用視覺感知技術(shù)的船舶航跡界面設(shè)計方法。2 種設(shè)計方法均具有較強的實際應(yīng)用性，但僅限于船舶航行環(huán)境復(fù)雜程度較低的狀況。

基于信息交互與傳達技術(shù)對船舶航跡界面實施合理設(shè)計，可使船舶駕駛?cè)藛T在較為復(fù)雜的航行環(huán)境中，也能夠準確獲知船舶航行狀況，以便及時糾正航行錯誤。為此，本文提出基于信息交互與傳達技術(shù)的船舶航跡界面設(shè)計方法，提升船舶在航行方面的安全性與穩(wěn)定性。

1 船舶航跡界面設(shè)計

1.1 船舶航跡界面架構(gòu)

基于信息交互和傳達技術(shù)對船舶航跡界面實施合理設(shè)計，以較快速度把船舶航跡以及航行環(huán)境合理呈現(xiàn)于用戶面前，旨在使用戶獲得更為良好的視覺體驗感，更為完美地完成航行任務(wù)。設(shè)計的船舶航跡界面架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶軌跡界面架構(gòu)Fig.1 Architecture of ship trajectory interface

在該界面架構(gòu)中，用戶以語音輸入模塊為可靠輸入媒介，輸入航跡界面控制指令，并以無線局域網(wǎng)為可靠傳輸媒介將相應(yīng)的控制指令發(fā)送至信息交互平臺。與此同時，通過信息交互平臺的航行環(huán)境信息挖掘模塊與組合導(dǎo)航模塊中的各種傳感裝置互聯(lián)，完成相應(yīng)的船舶導(dǎo)航以及航行環(huán)境信息采集工作，并形成航行環(huán)境數(shù)據(jù)集。而后通過信息交互平臺的航跡規(guī)劃模塊利用形成的航行環(huán)境數(shù)據(jù)集，規(guī)劃與控制船舶航跡。船舶航跡控制與規(guī)劃完成后，將航跡規(guī)劃結(jié)果通過通信模塊發(fā)送至控制顯示模塊實施合理顯示，合理呈現(xiàn)船舶航跡以及航行環(huán)境。

1.2 信息交互平臺設(shè)計

對信息交互平臺實施合理設(shè)計，實現(xiàn)船舶航行環(huán)境信息合理交互，是保障船舶航跡界面設(shè)計合理性的必要前提[6]。本文利用B/S 架構(gòu)以及ZigBee 開發(fā)機制對該信息交互平臺進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，最終設(shè)計出的信息交互平臺技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 信息交互平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical architecture of information interaction platform

該技術(shù)架構(gòu)在嵌入類Linux 環(huán)境內(nèi)實施合理開發(fā)，組網(wǎng)通過ZigBee 協(xié)議實施合理設(shè)計，并通過QOS編譯技術(shù)對數(shù)據(jù)庫實施交叉編譯控制，利用ARM 芯片實施Linux 內(nèi)核合理觸發(fā)，與此同時，利用MPLL鎖相環(huán)的作用，產(chǎn)生船舶航行環(huán)境信息交互控制時所需要的時鐘脈沖。

1.3 視覺傳達技術(shù)在船舶航跡界面設(shè)計中的應(yīng)用

1.3.1 視覺傳達技術(shù)船舶航跡圖形界面搭建

運用合適的圖形套件對船舶航跡圖形界面實施合理設(shè)計是讓設(shè)計的船舶航跡界面擁有較為理想視覺傳達效果的關(guān)鍵。本文使用隸屬視覺傳達技術(shù)范疇的Qtopia 圖形類套件對船舶航跡圖形界面實施合理搭建，搭建流程總結(jié)如下：

1）在PC 端建立可靠的開發(fā)環(huán)境。

2）使用Qtopia 圖形類套件中的desineg 對船舶航跡圖形界面實施合理設(shè)計。按船舶航跡界面開發(fā)需求，在qvfb 中對交叉編譯類工具進行設(shè)置，而后于應(yīng)用性程序開發(fā)板對該交叉編譯類工具實施合理運行。該項工作完成后，在Qtopia 圖形數(shù)據(jù)庫中對要使用的船舶航跡界面設(shè)計庫文件執(zhí)行有效復(fù)制操作，并通過autoconfig 工具獲得相應(yīng)的Makefile 文件，對該文件執(zhí)行交叉編譯操作并將其復(fù)制至文件系統(tǒng)中，與此同時使Linux 運行腳本處于啟動狀態(tài)，并向其內(nèi)導(dǎo)入Qtopia環(huán)境類變量聲明，在該時刻把關(guān)于船舶航跡的圖形界面導(dǎo)入至用戶端界面，完成船舶航跡圖形界面設(shè)計。

1.3.2 控制顯示模塊視覺傳達功能設(shè)計

控制顯示模塊視覺傳達功能設(shè)計是實現(xiàn)船舶航跡界面設(shè)計的有效基礎(chǔ)?？刂骑@示模塊視覺傳達功能主要指電子海圖顯示、船舶航跡管理等功能，具體的控制顯示模塊視覺傳達功能架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制顯示模塊視覺傳達功能架構(gòu)Fig.3 Control display module visual communication function architecture

1.4 基于改進蟻群算法的船舶航行軌跡規(guī)劃

采集到的船舶航行環(huán)境信息，使用改進蟻群算法完成船舶航行軌跡規(guī)劃[7]，并將最終的船舶航行軌跡規(guī)劃結(jié)果返回到控制顯示模塊實施合理顯示，與此同時將其保存至軌跡再現(xiàn)功能模塊。改進蟻群算法船舶航行軌跡規(guī)劃過程可簡單歸納為以下幾點：

步驟1針對要進行航行軌跡規(guī)劃的船舶，以電子海圖數(shù)據(jù)以及采集到的船舶航行環(huán)境數(shù)據(jù)為可靠依據(jù)，構(gòu)建與船舶實際航行環(huán)境密切相關(guān)的柵格模型，對船舶起始點以及目標點、障礙區(qū)域以及規(guī)避航路點實施合理設(shè)置。本文為有效避免規(guī)劃航跡同障礙區(qū)域發(fā)成重疊現(xiàn)象，對柵格模型內(nèi)包含障礙物執(zhí)行了膨化處理操作。

步驟2船舶航跡多目標規(guī)劃模型構(gòu)建。在實際的船舶航行中，在充分保障船舶航行安全以及穩(wěn)定性的同時，也應(yīng)對船舶航線距離以及其平均性偏離度加以考慮，從該角度對船舶航跡多目標規(guī)劃模型實施合理構(gòu)建，構(gòu)建出的船舶航跡多目標規(guī)劃模型中包含的2 個目標函數(shù)公式為：

式中：ξ(n) 表示航線距離；fn表示第n次船舶航跡穿過的柵格中心點；d(fn,fn+1) 表示fn、fn+1兩個柵格中心點之間的直線距離；N表示柵格的總數(shù)量；ψ(n)表示每隔一定間距的規(guī)劃航跡與船舶起始位置q0及終止位置qf間連接直線段的中間點的距離偏離比；l(fn)表示fn到船舶起始位置q0及終止位置qf間連接直線段的中間點的距離；表示船舶起始位置q0以及終止位置qf間的長度。

步驟3用 ?表示螞蟻數(shù)量，Nmax表示最高迭代次數(shù)，a、β分別表示信息素以及啟發(fā)函數(shù)的重要性程度，Q與v分別表示信息素所擁有的濃度值以及與啟發(fā)信息相關(guān)的遞減系數(shù)，ρ表示信息素在揮發(fā)時的系數(shù)，ω1、ω2表示航跡長度以及平均性偏離距離權(quán)重，對以上參數(shù)執(zhí)行合理設(shè)置操作[8]。

步驟4通過人工勢場法計算初始船舶航行軌跡以及節(jié)點距離信息，在此基礎(chǔ)上，按改進螞蟻路徑挑選原則挑選下個船舶航行路徑點。

步驟5如果螞蟻到達了目標位置，那么該輪循環(huán)完畢，以信息素更新機制為可靠依據(jù)執(zhí)行信息素更新操作。

步驟6判別是否達到最高迭代次數(shù)，如果達到，終止操作，輸出規(guī)劃出的船舶最優(yōu)航跡，否則回到步驟4。

1.5 船舶航行環(huán)境圖像中值濾波

本文設(shè)計的船舶航跡界面不僅可較好呈現(xiàn)規(guī)劃出的船舶航行軌跡，還可在呈現(xiàn)船舶航行軌跡的同時，實時呈現(xiàn)當前航行環(huán)境，為船舶實際航行的順利開展提供可靠保障。航行環(huán)境圖像與其他一些非圖像性質(zhì)航行數(shù)據(jù)均通過船舶信息交互平臺的航行環(huán)境信息挖掘模塊與組合導(dǎo)航模塊中的各種傳感裝置互聯(lián)獲得，非圖形性質(zhì)數(shù)據(jù)主要被用于完成相應(yīng)的船舶航跡規(guī)劃，航行環(huán)境圖像則會由通信模塊發(fā)送至航行環(huán)境圖像預(yù)處理模塊實施中值濾波處理，而后發(fā)送至控制顯示模塊實施合理顯示。航行環(huán)境圖像中值濾波的過程用公式可描述為：

式中：h2(i,j) 表示濾波窗口內(nèi)船舶航行環(huán)境圖像中心像素點(i,j)的新灰度值；k、mk(i,j)分別表示內(nèi)船舶航行環(huán)境圖像所擁有的像素點的數(shù)量以及像素點所對應(yīng)的權(quán)值；R表示像素初值。

2 實驗與分析

以某40 萬噸級別國際貨運船為實驗對象，將本文設(shè)計船舶航跡界面應(yīng)用于該艘國際貨運船中，驗證本文方法在船舶航跡界面設(shè)計工作方面的優(yōu)勢。該艘貨運船長約306 m，寬約49 m，型深約26 m。船艙容量約為52 m3，船體采用單殼體結(jié)構(gòu)，具有非常大的載貨空間，可滿足大噸位國際貨運運輸任務(wù)需求。除此之外，該艘國際貨運船排水量為56 000 t，滿載時的排水量可達67 000 t，航速為14～16 kn，此航速可確保該艘國際貨運船在國際貨運長途航行過程中，運輸效率達到比較理想的狀態(tài)。表1 為該船舶航跡界面設(shè)計時的參數(shù)。

表1 船舶航跡界面設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of ship trajectory interface

在本文設(shè)計的船舶航跡界面中，對船舶航跡進行合理規(guī)劃并通過航跡界面實時顯示船舶航跡以及船舶航行環(huán)境，以驗證本文方法的有效性。具體的船舶航跡規(guī)劃以及船舶航跡與航行環(huán)境實時顯示效果如圖4 所示。

圖4 航跡顯示界面Fig.4 Track display interface

可以看出，應(yīng)用本文方法可以實現(xiàn)船舶航跡界面設(shè)計。設(shè)計完成后，在該界面可較好將船舶當前航行環(huán)境以及船舶規(guī)劃航跡呈現(xiàn)于工作人員面前，還可將船舶實時位置信息、偏航狀況等信息同步呈現(xiàn)，能夠更好滿足實際需要。

為進一步驗證本文方法在船舶航跡設(shè)計方面的有效性，繪制不同比例尺狀況下，顯示于本文設(shè)計航跡界面的電子海圖，在不同放大倍數(shù)條件下的清晰度對比效果圖，并將預(yù)處理前后的航行環(huán)境圖像效果進行合理對比，獲得的對比結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 不同放大倍數(shù)電子海圖清晰度Fig.5 Definition of electronic charts with different magnifications

圖6 航行環(huán)境圖像預(yù)處理效果Fig.6 Image preprocessing effect of ship navigation environment

分析可知，不同比例尺狀況下，顯示于本文設(shè)計航跡界面的電子海圖清晰度與放大倍數(shù)間存在負相關(guān)關(guān)系。在相同的放大倍數(shù)下，比例尺較大電子海圖呈現(xiàn)出的視覺效果更清晰，且在比例尺較小的情況下，即使放大倍數(shù)達到了3.6 倍，呈現(xiàn)出的電子海圖清晰度也能達到0.8 左右。此外，航行環(huán)境呈現(xiàn)前的預(yù)處理操作，可使采集到的船舶航行圖形中的噪聲元素基本被去除。表明應(yīng)用本文方法對船舶軌跡界面實施合理設(shè)計，可有效降低放大倍數(shù)、噪聲元素對軌跡界面呈現(xiàn)電子海圖、航行環(huán)境圖像效果產(chǎn)生的不良影響，使駕駛員獲得更理想的視覺體驗感。

3 結(jié)語

基于信息交互與傳達技術(shù)對船舶航跡界面實施合理設(shè)計，并對該方法在船舶航跡界面設(shè)計的優(yōu)越性實施合理驗證。實驗與分析結(jié)果顯示，應(yīng)用該設(shè)計方法后，可設(shè)計出較理想的船舶航跡界面，保障船舶航行順利進行。