基于DDS 协议的离岸船舶实时定位方法

张罡

(武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050)

0 引言

离岸船舶安全航行的前提之一是依据自身的实时位置，制定路径规划方案，并在航行过程中，依据实时位置、航行速度等信息，持续调整航行偏差，确保船舶安全抵达目的地[1−3]。

张啸尘等[4]利用YOLOv3 算法提取船舶特征，通过SURF 算法匹配提取的特征，实现船舶的测距和定位。杨浩琪等[5]在卷积神经网络内，引入注意力机制，提升特征提取精度，通过难样本重学习的学习策略，抑制特征图像的背景干扰，依据背景抑制后的特征，得到船舶定位结果。但是，上述2 种方法均需要利用相机采集离岸船舶航行图像，在采集图像过程中，存在初始校准时间长的缺陷，导致定位方法无法满足离岸船舶的实时性需求，且易受外界环境影响，导致离岸船舶航行图像采集精度下降，从而影响定位效果。

DDS 协议属于一个发布/订阅模型的通用数据分发标准，具备较优的实时性与高效性，广泛应用于各个领域[6−7]。在位置定位领域中，应用DDS 协议可快速、可靠、实时地传输定位信息。为此，研究基于DDS协议的离岸船舶实时定位方法。

1 离岸船舶实时定位方法设计

在离岸船舶上安装移动阅读器，航道两侧安装固定标签，航道两侧的固定标签位置已知。当固定标签位于离岸船舶的移动阅读器范围内时，移动阅读器以无线射频的方式，传输该范围内固定标签信息至移动阅读器内。移动阅读器利用改进加权质心定位算法，结合移动阅读器接收固定标签信息的接收信号强度（RSSI）值，计算移动阅读器的位置信息，即离岸船舶的位置信息。

通过DDS 协议信息分发单元，传输离岸船舶位置信息至后台服务器。DDS 协议信息分发单元中信息发布者为移动阅读器。移动阅读器通过启动分发服务，结合DDS 接口完成数据分发，将离岸船舶的实时位置信息，传输至全局数据空间内。

全局数据空间负责登记移动阅读器与服务器全部信息，还负责缓存移动阅读器发布的离岸船舶实时位置信息，确保服务器能够精准查询到需要的信息。全局数据空间会按照位置信息的有效期，动态删除或调整信息，形成一个信息缓冲队列。信息缓冲队列的作用是缓冲服务器已订阅却没有及时接收的离岸船舶实时位置信息。全局数据空间中分发代理负责控制分发服务中的传输过程、QoS 与优先级，确保离岸船舶实时位置信息，发送至指定服务器内。信息分发管理节点负责根据服务器的订阅请求，以及移动阅读器的发布请求，管理各节点的信息分发路径，提升离岸船舶实时位置信息传输的安全可靠性。

服务器为信息订阅者。服务器通过调用DDS 接口对全局数据空间存储的离岸船舶实时位置信息，进行订阅或退订[8]，利用显示器呈现订阅的离岸船舶实时位置信息，实现离岸船舶实时定位。

基于DDS 协议的离岸船舶实时定位方法的技术架构如图1 所示。

图1 技术架构Fig.1 Technical architecture

1.1 基于DDS 协议的船舶位置信息传输过程

DDS 协议中，移动阅读器为信息发布者，用于发布离岸船舶实时位置信息，服务器为订阅者，用于查询离岸船舶的实时位置信息。利用DDS 协议传输离岸船舶实时位置信息的流程如图2 所示。

图2 离岸船舶实时位置信息传输流程Fig.2 Real-time location information transmission process of offshore ships

位置信息发布过程：移动阅读器在发布离岸船舶实时位置信息时，会构造一个信息写入者，写入者将要发布的实时位置信息主题以及服务质量，发布至发布者数据空间的信息缓冲区内。发布成功后，写入者进入阻塞等待状态，其余各移动阅读器陆续在发布信息缓冲区内添加发布记录。

位置信息订阅过程：在服务器要订阅某主题的离岸船舶实时位置信息时，移动阅读器需构造一个信息读取者。读取者会先在发布信息缓冲区内寻找匹配的发布者，再传输主题与服务质量信息至发布者数据空间内，然后进入阻塞状态等待实时位置信息读取过程中被激活。最后，读取者被激活后，移动阅读器会接收读取者订阅的实时位置信息。

1.2 离岸船舶实时定位的实现

移动阅读器利用改进加权质心定位算法，根据移动阅读器与固定标签间的RSSI 值，计算移动阅读器的实时位置，即离岸船舶实时位置。

移动阅读器位置坐标计算公式如下：

式中：为固定标签A，B，C至移动阅读器间的距离lA，lB，lC；(xA,yA)，(xB,yB)，(xC,yC)为A，B，C的坐标；(x,y)为移动阅读器的坐标。

令移动阅读器接收第A个固定标签ZA的RSSI 均值为RS S IA，来自ZA的信号强度均值为PA，则

ZA接收来自固定标签ZB的RSSI 均值是RS S IAB；信号强度均值为PAB。公式如下：

令固定标签ZA和ZB间的距离是lAB，以ZA和ZB为参考，计算ZA和移动阅读器间的距离lA，公式如下：

同理获取lB，lC的计算结果，并将lA，lB，lC代入式（1）和式（2）中获取移动阅读器的坐标，即离岸船舶实时位置。

2 实验分析

以民用船舶为实验对象，类型主要包括商船、渔船与工程作业船，3 种类型船舶的具体参数如表1所示。

表1 船舶的具体参数Tab.1 Specific parameters of ships

随机选择15 艘离岸船舶，利用本文方法对这15 艘离岸船舶进行实时定位，离岸船舶运行120 min后的实时定位结果如图3 所示。

图3 离岸船舶实时定位结果Fig.3 Real-time location results of offshore ships

可知，当离岸船舶航行120 min 后，本文方法可以有效实时定位离岸船舶位置，且定位结果与实际位置非常接近。上述实验证明，本文方法可精准实时定位离岸船舶。

以其中1 艘离岸船舶为例，利用本文方法对该艘离岸船舶进行实时定位，并根据实时定位结果生成离岸船舶航行轨迹，分析本文方法的实时定位效果，分析结果如图4 所示。

图4 本文方法的实时定位效果Fig.4 Real-time positioning effect of the proposed method

可知，本文方法可有效定位不同时刻离岸船舶的位置，根据本文方法定位生成的实际航行路径，与规划的航行路径非常接近，说明本文方法的实时定位结果精度较高。

分析本文方法在不同信息量时的信息分发效果，通过信息分发丢包率衡量本文方法的信息分发效果，信息分发丢包率越低，说明信息分发效果越佳，信息分发丢包率阈值为20%。信息分发丢包率分析结果如图5 所示。

图5 信息分发丢包率分析结果Fig.5 Analysis result of packet loss rate of information distribution

可知，随着信息量的增加，本文方法的信息分发丢包率呈上升趋势，当信息量达到14 GB 时，信息分发丢包率趋于稳定，稳定在16%左右，并未超过设置阈值，说明不同信息量时，本文方法的信息分发效果较优。

3 结语

离岸船舶定位精度，直接影响离岸船舶的航行安全。为此，依据DDS 协议的高效性，研究基于DDS协议的离岸船舶实时定位方法，精准定位离岸船舶位置，并满足船舶定位的实时性需求。应用本文方法可帮助船舶管理岸上总站，实时了解各离岸船舶的实时位置，及时发现离岸船舶潜在的碰撞危险，并加以纠正，提升离岸船舶航行安全性。