0 引　言

船舶航行环境信息不仅包括传统的航海元素，如风速、风向、温度、湿度等，还涉及到更复杂的气象数据^[1]，如气压、能见度、降水量等。实时、准确的航行环境信息对于船舶的航行安全、效率以及应对紧急情况都具有不可替代的作用^[2-3]。因此，研究能够实时、高效地采集航行环境信息的方法，已成为当前航海领域的重要需求。金立艳等^[4]利用船舶内部的传感器、气体分析仪等设备，以及船舶外部的环境监测系统，实现对船舶内部和外部环境信息的实时采集和传输。该方法中传感器和气体分析仪的精度和稳定性易受环境因素影响，降低信息采集精度。甘兴旺等^[5]利用图像传感器捕获船舶周围环境的图像和视频数据，但图像传感器容易受到天气、光照等因素的影响，进而影响数据采集的精度和质量。

主动式RFID技术的主要优势在于其具有更远的读取距离、更高的读取速度、更高的数据容量、更好的耐用性和更高的安全性，且不受外界环境影响^[6]。为此提出主动式RFID技术的船舶航行环境信息实时采集方法，为船舶安全航行提供数据支持。

1 船舶航行环境信息实时采集

利用主动式RFID技术，实时采集船舶航行环境信息的具体步骤如下：

1）启动触发器，发射船舶航行环境信息采集指令的低频触发信号。

2）当主动式RFID标签进入触发器发射的低频触发信号范围内时，主动式RFID标签利用自身电源生成电流，以电磁波的形式，通过天线发射内部存储的航道与水文等环境信息至RFID读写器。

3）RFID读写器接收电磁波形式的船舶航行环境信息后，对其进行解码处理，得到航道与水文等信息，完成船舶航行环境信息实时采集。

1.1 船舶航行环境信息实时采集的触发器设计

主动式RFID技术内，利用触发器发射船舶航行环境信息采集的低频触发信号，触发器的功能框图如图1所示。主动式RFID技术内，触发器负责生成船舶航行环境信息采集指令的150 kHz低频信号。当主动式RFID标签进入150 kHz低频信号覆盖范围内时，主动式RFID标签会结束低功耗状态，进入正常工作状态，发射其内部存储的航道与水文等信息至RFID读写器内。

1.2 航行环境信息存储的主动式RFID标签设计

主动式RFID标签接收信息采集指令的150 kHz低频触发信号后，通过自身电池能量，主动发送其内部存储的航道与水文等信息，至RFID读写器内。主动式RFID标签具备较远的信号传输距离，可降低RFID读写器的密度，提升船舶航行环境信息采集效果。在船舶航行的航道附近安装主动式RFID标签，通过主动式RFID标签的信息存储功能，存储该航道附近相关的航道与水文等信息，同时依据指定频率，发送航道与水文等信息到RFID读写器内。主动式RFID标签的功能框图如图2所示。

1.3 航行环境信息读取的RFID读写器设计

主动式RFID技术内，RFID读写器的作用是完成航道与水文等信息的收集与读写。RFID读写器的功能框图如图3所示。接收机、发射机与频率综合器属于RFID读写器的射频前端。发射机负责对发射信号进行调制以及功率放大处理，并将处理后的信号传输至主动式RFID标签内。接收机负责接收并解码处理，主动式RFID标签发射的航道与水文等信息。接收与发射通路基带，以及控制单元，负责处理RFID读写器的内部协议命令。

1.4 船舶航行环境信息实时采集的防碰撞算法

多个主动式RFID标签同时进入读写器的通信范围内时，各RFID读写器之间会互相干扰，从而无法确保RFID读写器能够准确识别每个主动式RFID标签内存储的航道与水文信息等问题。通过使用概率功率控制的防碰撞算法，RFID读写器可以按照一定的规则逐个与主动式RFID标签进行通信，降低读写器间的碰撞概率，提高航道与水文等信息的读取效率，同时确保信息实时采集的准确性。在主动式RFID技术中，针对随机一个RFID读写器$ i $，其需要符合的条件为：

$ \frac{{{G_{il}} \cdot {P_i}}}{{{U_i}}} = {W_i} \geqslant {W^*} \text{。}$

(1)

式中：P_i为RFID读写器的发送功率；U_i为其余全部RFID读写器的干扰总和；$ {W_i} $为RFID读写器信噪比；W*为W_i的门限；$ {G_{il}} $为主动式RFID标签$ l $和$ i $间的往返信道损耗。

U_i是和其余RFID读写器二次干扰的总和，则W_i为：

$ {W_i} = \frac{{{G_{il}} \cdot {P_i}}}{{\displaystyle\sum {{G_{jl}}{P_j}} }}\text{。} $

(2)

其中，P_j为RFID读写器$ j $的发送功率。

$ i $可读取主动式RFID标签内存储的船舶航行环境信息的最大距离是d_i，代表$ i $可识别的最大读写范围，公式如下：

$ {d_i} = {\left( {\frac{{{P_i}}}{{{W_i} \cdot \left( {\displaystyle\sum {{G_{jl}}{P_j}} } \right)}}} \right)^{\frac{1}{{4q}}}}\text{。} $

(3)

其中，$ q $为航道与水文等信息传输的路径损耗。

$ i $的读取范围的概率分布函数为：

$ \varphi \left( {{d_i}} \right) = f\left( {\varphi \left( {{P_i}} \right),\varphi \left( {{U_i}} \right)} \right)\text{。} $

(4)

式中：$ \varphi \left( {{P_i}} \right) $为$ i $的发送功率密度函数；$ \varphi \left( {{U_i}} \right) $为$ i $的干扰的累积概率函数。

设成功概率为$ a $，失败概率为$ b $，则$ \varphi \left( {{P_i}} \right) = H( {P_i}: a,b ) $。设$ H\left( \cdot \right) $为伽马函数，代入式（4）得：

$ \varphi \left( {{d_i}} \right) = f\left( {H\left( {{P_i}:a,b} \right),\varphi \left( {{U_i}} \right)} \right)\text{。} $

(5)

变换式（5）可得：

$ \left[ {a,b} \right] = {U_i}\left( {\varphi \left( {{d_i}} \right)} \right) \text{。}$

(6)

获取$ a $与$ b $的值，并将其代入概率密度函数的分布，便可获取RFID读写器的功率分布图。令每个RFID读写器的功能分布在不同区域内，解决RFID读写器间的干扰问题，防止RFID读写器出现碰撞现象，确保数个RFID读写器能够同时和主动式RFID标签进行通信，提升船舶航行环境信息实时采集精度。

2 实验结果分析

以某船舶航行航道为实验对象，利用本文方法实时采集该船舶在该航道上航行时的环境信息，验证本文方法船舶航行环境信息实时采集的有效性。该航道全长190 km，水面宽度在280～345 m，水深在11.5～21 m，可通行最大排水量为$ 21\times10^4 $ t的船舶。

利用本文方法实时采集船舶航行环境信息时，需要触发器发射的低频触发信号在重叠区域内，能够彼此抵消，防止2个触发器同时触发同一个主动式RFID标签，重叠区域内两路触发信号的变化情况如图4所示。可以看出，重叠区域中两路触发信号的波形相位完全相反，这意味着其在时间上是对称的。同时，其幅值也完全相同，这意味着其强度或振幅相等。这种对称性和强度的一致性表明，两路触发信号在重叠区域内可以相互抵消，防止同一主动式RFID标签被2个不同触发器同时触发。如果2个不同的触发器同时触发一个标签，那么可能会出现数据冲突或错误。应用本文方法设计的触发器，可提升船舶航行环境信息实时采集的稳定性和可靠性。

利用本文方法中的主动式RFID标签以电磁波的形式，将其内部存储的航道与水文等信息发送至RFID读写器内，主动式RFID标签发送的电磁波信号如图5所示。可以看出，本文方法可有效以电磁波形式，发送航道与水文等船舶航行环境信息，该电磁波信号主要在−100 ～150 kHz之间波动。在船舶航行环境中，电磁波信号可以方便地传输航道、水文等信息，使得船舶驾驶员可以及时获取航行环境的相关信息，更好地掌握航行状况，从而做出更加准确的航行决策。同时，由于电磁波信号的抗干扰能力强，可以有效地避免信号传输过程中的干扰和噪声影响，提高船舶航行环境信息的实时采集质量和可靠性。

利用本文方法中RFID读写器解码处理接收的电磁波信号，得到实时采集的船舶航行环境信息，船舶航行环境的水文信息采集结果如表1所示。可以看出，本文方法可有效解码处理电磁波信号，得到水文信息，完成船舶航行环境信息实时采集。同时，本文方法实时采集的盐度信息与实际盐度信息间差距较小，最大误差是0.13 psm；实时采集的深度信息与实际深度信息差距也较小，最大误差仅有0.09 m。实验证明，本文方法船舶航行信息实时采集精度较高。

以盐度信息与深度信息为例，检测航行环境的航道信息实时采集结果如图6所示。以危险物信息为例，可以看出，本文方法可有效实时采集船舶航道信息，了解船舶航行过程中存在的危险物，提醒驾驶员及时避开危险区域，提升船舶航行的安全性。

3 结　语

通过在航道附近布置主动式RFID标签，可以实时采集船舶航行过程中的水文与航道等信息，为船舶驾驶员提供及时、准确的信息支持，帮助其优化船舶的航行路线和速度，提高航行效率，并及时发现潜在的安全隐患和紧急情况，采取相应的应急措施进行应对，提升船舶航行的安全性。