恶劣天气下，如何确保船舶靠泊距离精度达到厘米级，横向速度低于5厘米/秒？【靠泊辅助】【安全监测】

1. 船舶安全靠泊的基本结构与技术要求

船舶靠泊，就像是为一艘巨大的“水上建筑”寻找一个合适的“停车位”并安全停靠。这个过程对精度和安全性有极高的要求，尤其是在复杂天气条件下。我们需要测量的“被测物”主要有两类：

• 船舶自身的位置、姿态和运动状态：这包括船舶的纵向位置（与码头前后的距离）、横向位置（与码头平行的距离）、船首和船尾与码头的角度（横向偏移和偏转角）、以及船舶的速度（包括前进/后退速度、横向漂移速度和角速度）。准确掌握这些信息，才能知道船在哪里、朝向哪里、以多快的速度移动。

• 码头环境及障碍物信息：这包括码头墙壁的几何形状、前方和侧方的防撞设施（如碰垫）、码头边缘的精确位置、以及附近是否存在可能影响靠泊安全的障碍物（如其他船只、浮标、水下结构等）。了解这些，才能确保船舶不会撞上不该撞的地方。

在复杂天气下，比如大风、浓雾、大雨或强流，船舶靠泊的难度会几何级数增加。能见度降低，风和水流对船体的作用力增大且难以预测，传统的人眼观察和简单雷达可能无法提供足够精确和实时的信息。这时，就需要可靠的、高精度的测量技术来辅助船员或自动化系统做出正确判断。

2. 船舶靠泊监测参数及评价

为了确保船舶安全靠泊，我们需要监测一系列关键参数，并对它们进行有效评价：

• 距离（Distance to Berth/Obstacles）：这是最核心的参数，指船舶与码头边缘、防撞碰垫或潜在障碍物之间的直线距离。通过精确测量，可以避免船舶与码头发生硬性碰撞，或者与邻近船只及其他结构发生刮擦。评价方法通常是测量值与预设安全阈值的比较。例如，当距离小于某个预警值时，系统应发出警报。

• 横向速度（Lateral Speed）：指船舶垂直于码头方向的移动速度，也称为靠泊速度。这是导致碰撞损害的主要因素之一。理想的靠泊横向速度应非常小，通常在几厘米/秒的量级。评价方法是实时速度值与安全速度上限的对比。

• 纵向速度（Longitudinal Speed）：指船舶平行于码头方向的移动速度。这个速度需要与码头泊位长度、船舶长度以及系泊点位置相匹配。评价方法同样是实时速度值与操作规程中允许的纵向速度范围的比较。

• 艏艉偏距（Bow/Stern Offset）：指船首和船尾相对于码头或泊位设计中心线的横向距离。靠泊时，船体需要与码头保持平行，同时位于泊位的指定位置。评价方法是艏艉偏距的实时值是否在允许的公差范围内。

• 角度/偏转角（Approach Angle/Yaw Angle）：指船舶的纵轴线与码头边线之间的夹角。正确的靠泊需要船舶以一个很小的、受控的角度接近码头，以确保船体能够平稳贴合码头。评价方法是实时角度值与安全角度范围的比较。

• 姿态（Attitude - Roll, Pitch）：横摇（Roll）和纵摇（Pitch）反映了船舶在水面上的倾斜状态。虽然靠泊时通常要求水域平稳，但在恶劣天气下，监测这些参数有助于评估船体与码头之间碰垫的受力情况，以及船体可能发生的摇摆范围，为操作人员提供更多信息。评价方法是对横摇和纵摇幅度的实时监测，并与安全阈值进行比对。

这些参数的实时、准确监测，是船舶在复杂天气下安全靠泊的基石。

3. 实时监测/检测技术方法

在确保船舶靠泊安全方面，市面上有多种成熟的测量技术方案，各有特点和适用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

脉冲激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）

这种技术就像对着目标喊一声，然后精确计算声音传过去再传回来的时间，只不过这里用的是激光。当激光测距仪发射一个短促的激光脉冲后，光线会以极快的速度（大约每秒30万公里，即光速c）传播。当激光束遇到目标物（如码头墙壁或船体）并被反射回来时，测距仪会接收到这个回波脉冲。通过精确测量激光从发射到接收的总时间间隔（Δt），我们就可以计算出距离（D）。

其核心物理基础是光在介质中传播的速度恒定性，距离的计算公式为： D = (c * Δt) / 2 其中，c代表光速，Δt代表激光往返的时间。因为光速非常快，所以要实现毫米级的精度，就需要极其精确的时间测量电路，其时间分辨率需要达到纳秒甚至皮秒级别。

核心性能参数（典型范围）： * 测距范围：通常从几十米到数百米，甚至达到500米。 * 精度：普遍在毫米级到厘米级之间，部分先进产品可达到±1毫米。 * 测量速度/采样频率：从几十赫兹到数百赫兹，甚至更高，能够满足实时监测的需求。 * 分辨率：取决于精度，通常是毫米或厘米。

技术方案的优缺点： * 优点： * 高精度：能够提供厘米甚至毫米级的距离数据，对于精细靠泊至关重要。 * 非接触式测量：无需物理接触，减少了对设备和被测物的磨损。 * 响应速度快：激光速度极快，测量周期短，能够提供实时数据。 * 抗干扰能力强：相比声波等，激光受风、噪音影响小。 * 适用于复杂表面：现代TOF激光传感器可以通过特殊算法和硬件设计，在多种表面（如深色、反射率低）上进行有效测量。 * 局限性： * 受天气影响：激光在大雾、大雨、大雪等恶劣天气下，会因为散射和吸收而衰减严重，导致测量距离缩短、精度下降甚至无法测量。 * 成本考量：高精度、长距离的激光测距设备通常成本较高。 * 单点测量：大多数此类传感器只能测量一个点的距离，如果需要全面了解环境，则需要部署多个传感器或配合扫描机构。 * 适用场景：主要用于船舶接近码头过程中的精准距离控制，以及停泊后与码头相对位置的持续监测。在能见度较好的情况下，提供关键的辅助信息。

雷达测距技术

雷达测距的工作原理与激光飞行时间法相似，但它使用的是无线电波（微波或毫米波）。雷达系统发射电磁波脉冲，电磁波以光速传播，遇到目标后部分能量反射形成回波。雷达通过测量电磁波从发射到接收回波的时间差（Δt），来计算目标距离（D）。 其距离计算公式为： D = (c * Δt) / 2 其中，c代表电磁波在空气中的传播速度（接近光速），Δt代表电磁波往返的时间。除了距离，雷达还能根据回波的方位角信息确定目标的相对方向。

核心性能参数（典型范围）： * 测距范围：从几十米到几百公里，远超激光测距。 * 距离精度：通常在米级到几十米级别，如±10米 + 1%距离。 * 方位精度：通常在±1°左右。 * 最小探测距离：从几十米到上百米不等，取决于天线和安装高度。

技术方案的优缺点： * 优点： * 全天候能力：雷达波的穿透力强，受雾、雨、雪等恶劣天气的影响远小于激光，具有强大的全天候工作能力。 * 远距离探测：能够探测到几十甚至上百公里外的目标，提供广阔的态势感知。 * 多目标跟踪：现代雷达可以同时跟踪多个目标，并提供其距离、方位、航向和速度等信息。 * 局限性： * 精度相对较低：相对于激光，雷达的距离和方位精度较低，难以满足靠泊阶段毫米或厘米级的精细距离控制需求。 * 最小探测距离限制：存在最小探测距离，过近的目标可能无法有效识别。 * 分辨率较低：对于小型目标或近距离密集目标的分辨能力相对较差。 * 适用场景：主要用于船舶在航行和接近港口区域的远距离目标探测、防撞预警和航道规划，以及在靠泊初期提供大范围的态势感知，辅助船员了解周边环境。

多层/三维激光扫描技术

这种技术是激光测距的扩展应用，它将单点的激光测距仪通过机械或电子扫描方式，在一个区域内快速、密集地进行距离测量，从而构建出目标的二维（多层）或三维（点云）几何模型。例如，一个多层激光扫描仪可能在垂直方向上以一定角度间隔发射几束激光，并在水平方向上进行扫描，从而获得一个扇形区域内的环境轮廓。核心原理依然是飞行时间法。

核心性能参数（典型范围）： * 测量范围：从几十米到上百米，例如最远可达64米或1000米。 * 扫描角度：常见的有275°、360°等。 * 层数/维度：多层（如4层）或三维点云。 * 角度分辨率：从0.05°到数微弧度。 * 重复精度：通常在毫米级到厘米级，例如±15毫米或1.2毫米@50米。 * 扫描速率：每秒数万到数百万个点。

技术方案的优缺点： * 优点： * 全面的环境感知：能够实时获取靠泊区域的几何信息，提供周围障碍物的完整二维或三维轮廓。 * 高精度物体检测：对船舶与码头之间的相对位置、角度以及障碍物（如缆绳、碰垫）的检测更为精确。 * 辅助决策：通过点云数据，可以生成直观的视觉辅助界面，帮助船员判断靠泊态势。 * 局限性： * 受天气影响：与单点激光测距类似，恶劣天气会严重影响其性能。 * 数据处理复杂：生成的海量点云数据需要强大的计算能力进行实时处理和分析。 * 成本较高：三维激光扫描仪通常价格不菲。 * 适用场景：主要用于船舶靠泊过程中的近距离防撞、障碍物识别、船体与码头相对位置的精细对齐，以及在港口自动化中进行AGV（自动导引车）导航等。

GNSS/惯性组合定位技术

这种技术不是直接测量船舶与码头之间的距离，而是高精度地确定船舶自身在全球坐标系下的位置、航向和姿态（横摇、纵摇）。它通过结合全球导航卫星系统（GNSS，如GPS、北斗）的定位数据和惯性测量单元（IMU）提供的运动数据，进行数据融合。GNSS提供绝对位置，但可能受信号遮挡、多路径效应和更新频率限制；IMU提供高频的姿态和运动变化，但存在累积误差。两者结合，取长补短，可以输出连续、高精度的位置和姿态信息。

核心性能参数（典型范围）： * 平面定位精度（RTK模式）：厘米级，如0.01米 + 1ppm（相对基站距离）。 * 横摇/纵摇精度：高精度，如0.015°。 * 航向精度：高精度，如0.03°（双天线配置）。 * 更新频率：通常高达100-200赫兹。

技术方案的优缺点： * 优点： * 绝对高精度定位：提供船舶在地球上的精确位置，不受码头或其他目标物体特性的影响。 * 全天候工作：只要有GNSS信号，不受能见度限制（但IMU提供短时抗GNSS中断能力）。 * 姿态信息：同时提供船体的姿态信息，这对于理解船体运动和受力情况非常重要。 * 广泛应用：技术成熟，在航海、测量等领域广泛应用。 * 局限性： * 无法直接测距：不能直接提供船舶与码头或其他障碍物之间的相对距离，需要结合已知的码头坐标才能间接计算。 * 依赖外部信号：在GNSS信号受遮挡（如高层建筑附近）或干扰时，性能会受影响。 * 成本较高：高精度的DGNSS/RTK和IMU系统价格不菲。 * 适用场景：作为船舶靠泊系统的核心定位与姿态基准，为其他传感器提供精确的船体自身状态信息，尤其适用于需要厘米级甚至毫米级精准定位的自动化靠泊系统和水文测量等。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款市场上知名的品牌及其采用的技术方案，以便更好地理解不同方案的特点。

1. 挪威康士伯 康士伯作为海事技术的领导者，其K-Bridge雷达系统是集成导航解决方案的核心组成部分。它主要采用雷达测距技术，通过发射和接收S波段或X波段的脉冲雷达波来探测目标，也可以选择固态宽带雷达（FMCW）技术。

   • 核心参数：测距范围可达0.03海里至96海里（约55米至177公里），提供超远的探测能力。距离精度为±10米 + 1%距离，方位精度为±1°。

   • 应用特点与优势：康士伯的雷达系统在恶劣天气下具有卓越的可靠性和目标探测能力，能够提供船舶周围广阔的水面目标和岸线信息，支持船舶远距离航行安全和靠泊前的态势感知。它高度集成在整体导航系统中，是船舶防碰撞预警的基石。

2. 英国真尚有 英国真尚有LCJ系列激光测距传感器，凭借其±1mm的精度和最远500米的测量范围，是一款高性能的脉冲激光飞行时间法（TOF）测距传感器。它通过激光束反射测量距离，可以在深色表面和太阳辐射下工作，甚至可测量1550℃高温物体表面。

   • 核心参数：测量范围0.05米至500米，精度高达±1毫米，测量速度快至250Hz。工作温度范围宽达-40°C至+60°C，并具备IP65防护等级，同时提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）。

   • 应用特点与优势：LCJ系列尤其适合对近距离靠泊精度要求极高的场景，例如LNG船液货装卸安全监控。其高精度和高测量速度能够实时提供船舶与码头之间精确的相对距离，帮助船员或自动化系统进行厘米级甚至毫米级的精细操作。即使在户外和有一定恶劣条件（如高温、阳光）下，也能保持稳定性能。

3. 德国西克 德国西克的MRS1000多层激光扫描仪，采用多层激光扫描技术，其核心原理也是飞行时间法（TOF）。它通过发射短脉冲激光并测量往返时间，结合内部扫描机构，在275°扇形区域内生成多层环境轮廓点云。

   • 核心参数：测量范围最远可达64米，扫描角度275°，提供4层扫描平面，重复精度±15毫米，防护等级IP69K。

   • 应用特点与优势：MRS1000专为户外和恶劣环境设计，坚固耐用。其多层扫描能力能提供船舶靠泊时侧方和前方障碍物的全面检测，例如识别码头结构、碰垫位置以及潜在的碰撞风险，为靠泊操作提供更全面的空间信息和避障能力。

4. 美国天宝 美国天宝的Applanix POS MV SurfMaster系统，是一款先进的海洋定位和姿态系统，结合了差分全球导航卫星系统（DGNSS）/实时动态（RTK）技术与惯性测量单元（IMU）。它通过融合GNSS信号和IMU的运动数据，提供船体自身的高精度位置和姿态信息。

   • 核心参数：RTK模式下平面定位精度可达0.01米 + 1ppm，横摇/纵摇精度0.015°，航向精度0.03°，更新频率高达200赫兹。

   • 应用特点与优势：天宝的解决方案在船舶靠泊、疏浚和水文测量等对自身定位精度要求极高的海洋应用中表现卓越。它能为靠泊系统提供厘米级的高精度船体位置、航向和姿态数据，是实现自动化靠泊和精确导航的关键基础，从而显著提升靠泊的安全性和效率。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为船舶靠泊选择激光测距或其他传感器时，有几个关键技术指标需要深入考量：

• 测量范围：

  • 实际意义：决定了传感器能够探测到目标的最远和最近距离。

  • 影响：如果最大测量范围不足，船舶在较远距离接近码头时可能无法获得引导信息；如果最小测量范围过大，则在船舶非常靠近码头时（例如最后几米）可能会出现盲区。

  • 选型建议：对于船舶靠泊，需要综合考虑从码头外围几十米到最终贴合码头这整个过程的距离覆盖。例如，在船舶进港初期可选用测程远的雷达，而临近码头几十米到几百米的关键距离，则需要一定范围的激光测距传感器提供高精度数据。

• 测量精度与重复精度：

  • 实际意义：精度指测量结果与真实值之间的接近程度，重复精度指多次测量同一目标时结果的一致性。

  • 影响：精度是靠泊安全的关键，较大的误差可能导致轻微擦碰，高精度能大大提高安全性。重复精度差的传感器，数据会跳动，给操作者造成困扰甚至误判。

  • 选型建议：靠泊的最后阶段，对精度要求极高，应选择精度在毫米级到厘米级的激光测距传感器，才能实现精准控制。对于非直接碰撞风险的辅助信息，精度要求可适当放宽。

• 测量速度/采样频率：

  • 实际意义：指传感器每秒能够完成的测量次数。

  • 影响：速度太慢，传感器无法及时反映船舶的实时运动状态，特别是在船舶快速移动或存在横向漂移时，数据滞后可能导致决策失误。

  • 选型建议：应选择测量速度至少在几十赫兹以上的传感器，以确保能够实时捕捉船舶的动态变化，提供可靠的实时反馈。

• 环境适应性（防护等级、工作温度、抗干扰能力）：

  • 实际意义：指传感器在不同环境条件下的稳定工作能力。

  • 影响：船舶靠泊环境复杂多变，暴露在海上盐雾、雨雪、高温、强风、太阳辐射等条件下。防护等级不足可能导致设备进水或尘土，高温或低温可能使传感器失效，强光可能导致测量失败。

  • 选型建议：必须选择至少IP65或更高防护等级的传感器。工作温度范围要覆盖当地的极端气候条件。同时，要考虑传感器在阳光直射、低反射率表面测量等复杂光学条件下的性能。雷达在雾雨等天气下表现优异，而激光测距则需要考虑其在恶劣天气下的性能衰减。

• 接口类型与集成能力：

  • 实际意义：指传感器提供的数据输出格式和与其他系统连接的便利性。

  • 影响：如果传感器接口不兼容或集成复杂，会增加系统开发的难度和成本。

  • 选型建议：选择提供多种标准接口（如RS232、RS485、RS422、模拟输出等）的传感器，以便于与船舶集成导航系统、靠泊辅助系统或PLC（可编程逻辑控制器）进行无缝数据交换。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 恶劣天气下的性能衰减

  • 问题描述：激光测距传感器在浓雾、大雨、大雪等低能见度天气下，激光束会因散射和吸收而严重衰减，导致测量范围急剧缩短，甚至无法获得有效数据。这就像试图用手电筒穿透厚厚的雾气，光线很快就会被分散掉。

  • 原因与影响：水汽、雨滴、雪花等会阻碍激光的传播路径，降低接收信号的强度。这直接影响船舶在最需要帮助的复杂天气下获取精确距离信息的能力，增加碰撞风险。

  • 解决建议：

    • 多传感器融合：不应单一依赖激光测距。结合雷达（全天候）、GNSS/IMU（提供自身精确位置）等多源信息，形成互补。当激光性能下降时，雷达或GNSS可以提供基础的态势感知。

    • 高功率激光与特定波长：选用功率更高、或使用特定波长（如对水汽穿透力稍好）的激光传感器，并结合先进的信号处理算法，可以提高在一定恶劣天气下的穿透能力。

    • 局部环境改善：在可能的情况下，对传感器镜头进行加热或吹气，防止水雾凝结，保持光学窗口清洁。

    • 冗余部署：在多个位置安装传感器，增加系统的鲁棒性，即使部分传感器受影响，也能有其他数据源。

• 测量目标表面特性影响

  • 问题描述：码头墙壁或船体表面的颜色、材质、粗糙度或反射率差异，可能导致激光回波信号强度不一，影响测量精度和稳定性。例如，深色或粗糙表面会吸收更多激光，反射回来的信号较弱。

  • 原因与影响：激光测距仪依赖接收反射回来的激光信号。如果反射信号太弱或不稳定，系统就难以精确识别和计算距离，可能导致数据抖动或测量失败。

  • 解决建议：

    • 选用高抗干扰传感器：选择具备良好抗环境光和低反射率目标测量能力的传感器，如英国真尚有LCJ系列可以在深色表面和太阳辐射下进行测量。

    • 优化安装位置：选择目标表面反射特性较好的区域进行测量。

    • 表面处理：在关键测量点位，可以考虑在码头或船体上设置反射率稳定、颜色均匀的标记物或反射板，以确保激光回波信号的强度和稳定性。

    • 多点测量与滤波：通过多个传感器从不同角度测量，或对不稳定数据进行滤波处理，提高整体数据的可靠性。

• 安装位置与视野遮挡

  • 问题描述：传感器安装位置不当，可能导致其视野被船体结构（如起重机、救生艇）或码头设施（如系缆桩、照明灯）遮挡，形成测量盲区。

  • 原因与影响：如果关键区域被遮挡，传感器将无法提供必要的距离数据，使得船员在靠泊时缺乏对该区域的感知，增加碰撞风险。

  • 解决建议：

    • 系统规划与仿真：在安装前进行详细的系统布局规划，利用3D建模和仿真工具，评估不同安装位置的视野覆盖范围和盲区，选择最优的安装方案。

    • 多角度部署：在船首、船尾和船侧等多个关键位置部署多个传感器，通过重叠的测量区域来消除盲区，确保对整个靠泊区域的全面覆盖。

    • 考虑运动补偿：如果安装在船体上，要考虑船体在水面上的摇摆、俯仰运动对传感器视野的影响，可能需要配合姿态补偿技术。

4. 应用案例分享

• 大型集装箱船精准靠泊：在繁忙的自动化港口，激光测距传感器安装在集装箱船的船首和船尾两侧，实时监测船舶与码头防撞碰垫的距离和相对角度。这些高精度数据被输入到船舶靠泊辅助系统，为船长提供直观的图像和数据，确保船舶以最佳速度和角度平稳停靠，避免与码头发生碰撞。

• LNG船液货装卸安全监控：液化天然气（LNG）船在靠泊和装卸作业过程中对位置精度要求极高，任何碰撞都可能引发严重事故。激光测距传感器被用于精确监测LNG船与码头上的装卸臂之间的距离，确保在整个作业期间，船舶位置稳定，不发生超出安全范围的移动，保障作业安全。

• 渡轮码头自动化对接口：在一些自动化渡轮码头，激光测距系统被部署在码头或渡轮上，用于精确引导渡轮驶入狭窄的泊位，并与码头上的自动搭接桥进行精准对接。这不仅提高了靠泊效率，也减少了人工操作的风险，特别是在夜间或能见度较低时。