无线遥控系统应用于小型开体抛石船的设计

2022-02-07郑钦佳

广东造船 2022年6期

郑钦佳

（中交四航局江门航通船业有限公司，江门 529145）

1 前言

在码头防波堤施工中，通常采用大吨位抛石船进行深水区域的抛石作业，采用小型开体抛石船进行浅水区域的抛石作业。目前的开体抛石船，配置驾驶员在船上进行操控，开体抛石过程具有一定的危险性，尤其是在大风浪区域中进行抛石作业，如果操作不当，有可能会出现开体驳倾翻，危险性极高。

安全生产是企业发展的红线，为保证开体抛石船施工安全，我司自主开发研制了遥控开体抛石船，实现在岸端显控台遥控驾驶、船上无人化开体抛石施工。目前，无线遥控系统应用于开体抛石船进行开体抛石属于一项创新技术，国内尚无应用案例，具有很大的市场需求。

2 船舶概述

某开体抛石船是一艘小型的具备遥控驾驶功能、用于运输小型石头、高精度定位的抛石船，采用去机舱化设计，整体舱室为浮体结构，动力系统采用单机单桨的尾甲板装配式集成动力舱形式，如图1 所示。

图1 开体抛石船实拍外形图

该船装配式集成动力舱，包含：柴油机、蓄电池组、油箱、轴带发电机、轴带液压泵站、阀组、控制箱、驾控台等。其中，柴油机直接驱动推进器，轴带液压泵站控制舵桨回转和开体油缸动作，蓄电池组和轴带发电机提供船端用电。

船的主要参数：

总长19.80 m、型宽6.00 m、型深1.85 m；满载吃水1.50 m；

设计空载航速7 kn；

装载量50.00 m³；

最大开体宽度0.98 m；

遥控距离2 km。

3 无线遥控系统设计

该船的无线遥控系统设计，要求系统运行稳定、可靠、安全，通讯设备本身具备高质量，设备之间在配置上能良好的衔接和融合，无线传输导致的系统延时不能影响船舶的正常航行和施工作业，确保系统软件运行稳定，并设置遥控安全保护机制。

3.1 系统组成

无线遥控系统，由船端通讯设备、无线网络、岸端通讯设备三部分组成：在网络配置上，独立存在主链路和备用链路。主链路可同时进行数字传输、图像传输和控制信号传输；备用链路可实现数字传输和控制信号传输。当主链路出现故障或被干扰出现异常时，系统会自动切换到备用链路工作，此时岸端可继续操控并获取船端状态的数据信息。无线遥控系统示意图，如图2 所示。系统的设备供电电压等级有三种：DC12 V、DC24 V、AC220 V。其中，摄像头采用DC12 V 供电，智能主控、通信电台和GPS 采用DC24 V，岸端显控台采用AC220 V 供电。

图2 无线遥控系统示意图

3.2 船端通讯设备

船端通讯设备，由智能主控、船端通信电台、GPS、高清摄像头组成。船端设备链接示意图，如图3所示。

图3 船端设备链接示意图

3.2.1 智能主控

智能主控连接船端通信电台、GPS、高清摄像头、PLC，预留了辅助驾驶、任务规划等功能的相关软硬件接口；智能主控通过船端通讯电台接收岸端遥控指令，经串口下发控制指令到PLC；智能主控接收PLC、GPS上送的状态报文和高清摄像头的图像，通过船端通讯电台传输至岸端进行处理和显示。

智能主控是一款定制化的智能航行控制模块，具备标准化配置且包含软硬件系统，包含船载航行控制系统和指挥航行控制系统，可实现无人船自主/远程遥控航行、自动避障等功能。

智能主控的参数如下：铝合金机箱；MCU&CPU：ROM-3310WS-MCA1E；RAM：512 MB；Nand Flash：4 GB；外部接口：10 路10/100/1 000 M，自适应网络电接口M12-8，3 路RS232 串口，1 路RS422 串口；系统供电：DC24 V；指示灯：GPIO 指示灯；操作系统：Linux；防水性能：IP67；重量：不大于5 kg；安装方式：壁挂。

3.2.2 船端通信电台

船端通信电台，包含通信数据链接收机和通信天线：通信数据链接收机，通过RS232 串口线+网线连接智能主控，提供主/备两路通信链路；主/备通信天线，采用1 组双发双收的主天线和1 组单发单收的备用天线。当主链路失效时，可自动切换至备份链路；当主链路和备份链路同时失效时，尝试重连三次未恢复通信，自动进入预定安全模式，立刻执行柴油机怠速、离合器脱排、舵角归零等操作，同时触发失控信号灯进行声光报警。

通信数据链接收机，是集视频、数据、控制信号传输于一体，专门针对无人机、无人车以及无人船而研发的数据链设备，具备最大5 W 的发射功率，最远覆盖距离可达50 km。具体参数如下：传输距离：10～50 km；系统延时：≤40 ms；设备功耗：≤30 W；工作频段：800 MHz、1.4 GHz；信道带宽：5/10/20 MHz；调制方式：QPSK、16Q AM、64Q AM；发射功率：25～37 dbm；视频接口：HDMI/SDI/LAN;视频延时：≤200 ms；视频数据接口：网口*1，串口*2（串口速率≤115.2 kbps）；供电/数据：J30J-21；视频输入：SMA-K/miniHDMI;天线接口：SMA-K*2。

3.2.3 GPS

GPS 采用P3-DU 北斗高精度定位测向接收机，采用双天线进行定位测向解算，RTK 定位精度可达厘米级，测向精度最高可达 0.2°（1 m 基线）；GPS 接收机通过RS232 串口线与智能主控连接，可实时获取经纬度坐标，精确判断开体抛石船的位置、速度和航向信息，上传到岸端通讯设备。

3.2.4 高清摄像头

船端摄像头采用海康威视400 万高清摄像头，支持POE 供电，180°广角，室外防水型；采用2 个180°广角摄像头组合，实现360°全景监控；摄像头通过网线连接智能主控，输出实时航行视频画面，通过图传电台传输到岸端通讯设备进行显示。

3.2.5 PLC

智能主控通过RS422 串口线与开体抛石船S7-1200 控制器PLC 连接，可采集船端柴油机、发电机、推进系统、液压系统等设备的重要指标参数，上传到岸端通讯设备；同时可以接收岸端通讯设备的控制指令，下传给PLC，实现柴油机操作、推进系统操控、抛石船开体操控。

3.3 无线网络

无线数据链通讯设备，集视频、数据、控制信号传输于一体。该设备具备最大10 W 的发射功率，具有主备两条不同频段的通信链路，三根天线工作，两条通信链路，可以分别完成数传+远程控制和图传+远程控制功能。当主链路受到干扰或者链路工作异常时，备份链路可以及时响应，确保无人船的控制正常；地对地覆盖距离可达3～5 km，具体参数见表1。

表1 主备链路参数表

无线数据链还具备以下特点：

（1）采用先进的调制技术，具备优秀的抗干扰能力；

（2）传输两路视频信号（HDMI/SDI/LAN）和两路串口数据；

（3）最高传输数率可达 25 Mbps；

（4）支持点对点、点对多点等组网模式；

（5）具有主备两套链路。

3.4 岸端通讯设备

岸端通讯设备，由移动拉杆箱式显控台和岸端通信电台组成（见图2）。其中，移动拉杆箱式显控台，主要包含工控机、摇杆推杆控制器、两台显示器等设备。

（1）工控机

采用嵌入式工控机、X86 架构处理器、i3-8145 U/8 G/6 4G，用于运行遥控系统软件和视频监控系统软件；外接推杆和摇杆控制器、两台显示器以及岸端通信电台等设备。

（2）遥杆推杆控制器

遥杆推杆控制器通过串口线连接至工控机，通过摇杆推杆和按钮，可实现远程操控柴油机、推进系统、船舶开体。

其中，本地/远程切换、发电机空开合闸/脱闸、急停、船舶开体/合体、合排/脱排、柴油机启动/停止等功能的控制，由显控台上实体按钮进行操作；前进/后退、加速/减速、舵桨机360°全回转操作，由遥杆推杆进行操作。

（3）显示器

配置了两台13.3 ft 的工业显示器，通过VGA 线连接至工控机，显示运行软件界面进行远程控船、远程抛石和远程监控船舶状态。其中，一台显示器用于显示航行及抛石控制显控界面、基于海图的航行状态显示及抛石操作界面，并设置报警弹框确认的安全保护措施，方便遥控人员了解当前系统状态；另一台显示器用于显示船端摄像头的实时回传图像。

（4）岸端通信电台

岸端通信电台与船端通信电台的组成配置和功能一样，电台通信示意图，如图4 所示。