CN112053591B - 无人机群协同智能航标的近海立体联动组网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网及航道监管系统，包括水面子网层、空中子网层和岸上云计算中心；发明的无人机与海上平台智能航标相结合，将无人机的高空视角、强机动性等与航标的海上优势联合对航道实行无缝监管通信系统，具有更高的效能与实时性；另外航标嵌入传感器设备实现对航道水文、气象信息的采集，改善传统单独布设传感器的过程，从而节省资源；另外航标嵌入边缘计算设备可以直接将采集的信息进行预处理，通过无线通信的方式传输至海上航行船舶和无人机。边缘计算设备直接对航标采集的数据进行预处理，减少海上数据传输所消耗的带宽，同时保证航行船舶在最短时间得到航道相关信息，保证船舶航行安全。

Description

无人机群协同智能航标的近海立体联动组网系统

技术领域

本发明涉及一种无人机群协同智能航标的立体联动组网及航道监管系统，涉及边缘计算领域、网络部署优化领域、以及数据转发存储等相关领域，尤其涉及一种适用于无人机协同路径规划的基于智能航标的立体联动组网及航道监管系统。

背景技术

目前航道监测手段主要依靠传统VTS、CCTV、AIS和VHF等现代化监管系统，而动态监管手段的研究甚少，主要采用海巡船方式、无人机方式等。但是随着航运业的快速发展，海事监管面临的问题日益多样化，监管任务日趋繁重，依靠现有的监管体系无法满足海事监管“空、海、地”三维一体的要求。现有技术中一般采用新型航标灯利用北斗定位技术完成航标灯的精确定位，利用多传感器融合技术实现航道水文等信息的实时采集，并通过无线通信技术实现各部分之间信息的传输，实现对船舶稳定跟踪、对水文信息实时检测，并确定航标灯的工作情况。另外还采用海巡船与无人机实现联合监管，无人机进行动态监管、信息采集和海巡船待命状态，当出现人为干预的情况时，启动调动机制，紧急情况下，海巡船担负回收无人机的任务，同时无人机提供监控现场情报为船艇巡航规划合理路线。然而海巡船监控航道具有监测范围小、航时短、只适用于近海且费用高的缺点。同时，船舶在环境时刻变化的海上航行随时都面临风险，现有通信方式需通过通信链路将信息传至岸上处理分析，再反馈给船舶，过程耗时较长，不能保证船舶获取信息的实时性，增加船舶航行的危险性。此外，在信息回传至岸上的过程中，传统方式不能对大量数据进行预处理，导致其传输过程中会消耗过多的带宽，同时监管手段比较单一、监管信息不全面、实时性较差因此无法满足动态航道监管的要求。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网及航道监管系统，具体包括：

水面子网层，所述水面子网层为智能航标，所述智能航标包括传感器设备和边缘计算设备，所述传感器设备用于获取航道的水文和气象信息以及船舶流量信息，所述边缘计算设备接收所述传感器设备传送的采集到的数据信息并对接收到的信息进行融合计算、实时预测航道的安全状况，所述边缘计算设备将处理后的信息输出至航行船舶；

空中子网层，所述空中子网层为无人机，用于汇聚多个智能航标传送的数据信息，所述无人机上设置有用于定期监测智能航标工作状态的摄像机；

岸上云计算中心，包括数据分析模块和数据存储模块，所述数据分析模块接收无人机传送的水文、气象数据以及无人机采集的图像信息并对接收到的信息进行处理和分析获得船舶的实时状态和航道的潜在危险情况，所述数据存储模块接收数据分析模块传送的分析后的结果信息并进行定期存储。

进一步的，所述智能航标还包括AIS设备和无线通信设备，所述智能航标通过无线通信设备与空中子网层无线数据通信，根据通信距离以及覆盖范围的约束条件部署智能航标。

进一步的，所述边缘计算设备设置有支持多种类型传感器设备的通信接口。

进一步的，所述传感器设备采用水流传感器、水深传感器以及风力传感器、风向传感器以及能见度传感器。

进一步的，所述空中子网层为无人机提供满足飞行高度、速度、任务载荷重量、飞行操作方式的无人机平台，同时所述无人机平台对多无人机进行协同路径规划、提供无人机定点悬停汇聚智能航标的数据信息以及控制无人机的返航。

进一步的，所述无人机的飞行高度为500m至1000m。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网及航道监管系统，该系统利用空海联动组网实现航道监管，不仅利用航标的海上优势，还充分利用无人机机动性强、高空视角等优势，具有更高的效能与实时性。航标嵌入传感器设备和边缘计算设备，节省通信资源同时降低传输时延。智能航标、无人机与岸上云计算中心三维组网，改善传统无人机群与岸上控制中心二维组网监测时信息传递一体化能耗不足的缺陷，在功能实现方面，将单一航道数据监测、航标巡视与航标监测于一体，提高了系统性能；同时以整体消耗时间最小为目标进行多无人机协同路径规划，减少整体巡航时间，有效避免信息被重复收集，造成信息冗余，保证获取航道信息的实时性与可靠性，实现航道的动态监管。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的无人机与智能航标联合组网拓扑图；

图2为本发明的无人机与智能航标通信示意图；

图3为本发明的无人机载荷覆盖模型示意图；

图4为本发明的智能航标与岸上云计算中心配合工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网及航道监管系统，包括：水面子网层、空中子网层和岸上云计算中心。

水面子网层中的智能航标搭载传感器设备和边缘计算设备。智能航标组成如图2所示。其中传感器设备负责采集航道水流、水深、风力风向以及能见度等水文气象数据及船舶航行数据；边缘计算设备对采集的数据进行预处理及数据分析，并通过无线通信方式将信息上传至无人机和航行船舶。最大化避免由于数据传输或数据存储中发生的数据丢包问题，保证数据的完整性，完成数据预处理减少后期数据处理和分析的总计算量，提高计算效率，同时保证海上航行船舶接收信息的时效性，增加航行安全性。边缘计算设备对该数据进行预处理，包括去冗余及噪声等，并进行数据分析。

由于水流水深影响船舶的操纵性，流速越快，船舶行驶越困难，事故发生率越大，而水位不足同样会引起船舶搁浅；风速及风向影响航行安全，横向风向会影响船员操纵船只的难度，同时影响航行速度，所以采用边缘计算设备对接收到的信息进行融合计算，保证数据实时处理及分析，对于实时预测航道安全状况，保证船舶航行安全至关重要。

空中子网层主要为多无人机组成，负责汇聚智能航标转发的数据；同时，无人机配置的高清光电摄像机，可以以图像的形式更加直观的定期监测航标工作状态。

岸上云计算中心包括数据分析模块和数据存储模块。数据分析模块负责对边缘数据设备处理的水文、气象等数据以及无人机采集的图像信息进一步处理和分析，得到更加直观的信息。上述数据处理完成后需要对其在数据存储模块内进行定期存储，同时将该信息反馈给海事监管相关部门实现对航道有效精准的交通管控。

进一步的，空中子网层的无人机群汇聚智能航标处理分析的数据，同时由其配备的高清光电摄像机获取航标与海面溢油情况，实现对航道航标的有效监管。

进一步的，为了满足智能航标能够与船舶及无人机的通信需求需要配备AIS设备以及无线通信设备。同时，智能航标需要提前根据通信距离以及覆盖范围等约束进行有效部署。

进一步的，所述的边缘计算设备需要具备一定的存储能力和计算能力，其次，边缘计算设备需要支持多种类型传感器传输需求的通信接口。边缘计算设备完成对数据处理分析后，最终数据将上传至云端，以便进一步数据分析。

进一步的，传感器设备采用水流、水深等水文信息传感器，风力、风向、能见度等气象信息传感器。边缘计算设备预留多种类型传感器接口，保证多个传感器并行传输数据至边缘计算设备。

进一步的，空中子网层为无人机提供无人机飞行平台分系统，提供满足飞行高度/速度、任务载荷重量、飞行操作方式的无人机平台；测控与通信分系统，可实现遥控、图像/数据的传输等；无人机飞行平台分系统包括高清光电摄像机，无线通信系统以及导航模块。

进一步的，无人机需要以能耗以及巡航时间为目标进行多无人机协同路径规划，实现无人机定点悬停汇聚智能航标的数据信息，并及时返航。为完成数据收集以及航标监测，无人机的飞行高度为500m～1000m。

进一步的，无人机与智能航标的通信模型如图3所示。智能航标获取信息并处理分析后通过无线通信方式与无人机进行通信。无人机由初始位置起飞进行巡航，为了防止数据被重复收集，浪费通信资源同时造成数据冗余，采用多无人机协同路径规划方案。在无人机垂直高度固定、速度已知并保持不变的情况下，以整体时间最小化为目标进行路径规划。由于无人机携带载荷具有一定覆盖范围，所以无人机无需到达每一个节点，而是到达可以监视目标区域的位置即可。其载荷探测模型如图4所示，其中无人机的垂直飞行高度为定值H，载荷探测角度α，无人机载荷的探测半径为R，可以表示为R＝H*α。只有在无人机的通信范围内可以与智能航标进行通信。

本发明的技术方案无人机与海上平台智能航标相结合，将无人机的高空视角、强机动性等与航标的海上优势联合对航道实行无缝监管通信系统，具有更高的效能与实时性；另外航标嵌入传感器设备实现对航道水文、气象信息的采集，改善传统单独布设传感器的过程，从而节省资源；另外航标嵌入边缘计算设备可以直接将采集的信息进行预处理，通过无线通信的方式传输至海上航行船舶和无人机。边缘计算设备直接对传感器采集的数据进行预处理，减少海上数据传输所消耗的带宽，同时保证航行船舶在最短时间得到航道相关信息，减小传输时延，保证船舶航行安全。并且无人机在接收航标预处理的信息同时利用高清光电摄像机实现航标巡检。智能航标、无人机、岸上云计算中心进行三维组网，改善传统无人机群与岸上控制中心二维组网监测时信息传递一体化能耗不足的缺陷，在功能实现方面，将单一航道数据监测、航标巡视等功能融为一体，提高了系统性能；多无人机群进行协同作业，以整体消耗时间最小为目标进行路径规划，并将采集的信息回传至岸上云计算中心。同时，对多无人机路径进行合理规划，可以减少整体巡航时间，有效避免信息被重复收集，造成信息冗余，有效扩大监视范围，保证获取航道信息的实时性与可靠性，实现航道的动态监管。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网系统，其特征在于包括：

水面子网层，所述水面子网层为智能航标，所述智能航标包括传感器设备和边缘计算设备，所述传感器设备用于获取航道的水文和气象信息以及船舶流量信息，所述边缘计算设备接收所述传感器设备传送的采集到的数据信息并对接收到的信息进行融合计算、实时预测航道的安全状况，所述边缘计算设备将处理后的信息输出至航行船舶；

边缘计算设备对该数据进行预处理，包括去冗余及噪声；

空中子网层，所述空中子网层为无人机，用于汇聚多个智能航标传送的数据信息，所述无人机上设置有用于定期监测智能航标工作状态的摄像机；

岸上云计算中心，包括数据分析模块和数据存储模块，所述数据分析模块接收无人机传送的水文、气象数据以及无人机采集的图像信息并对接收到的信息进行处理和分析获得船舶的实时状态和航道的潜在危险情况，所述数据存储模块接收数据分析模块传送的分析后的结果信息并进行定期存储；

所述智能航标还包括AIS设备和无线通信设备，所述智能航标通过无线通信设备与空中子网层无线数据通信，根据通信距离以及覆盖范围的约束条件部署智能航标；

所述边缘计算设备设置有支持多种类型传感器设备的通信接口；

所述空中子网层为无人机提供满足飞行高度、速度、任务载荷重量、飞行操作方式的无人机平台，同时所述无人机平台对多无人机进行协同路径规划、提供无人机定点悬停汇聚智能航标的数据信息以及控制无人机的返航。

2.根据权利要求1所述的一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网系统，其特征在于：所述传感器设备采用水流传感器、水深传感器以及风力传感器、风向传感器以及能见度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种无人机群协同智能航标的近海立体联动组网系统，其特征在于：所述无人机的飞行高度为500m至1000m。

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