CN102730166A - 内河船舶吃水自动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动测量技术范畴，具体涉及一种内河船舶吃水自动监测系统及方法，其采用机械式带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器作为船舶吃水监测的核心设备，传感器系统布设于桥梁下，对过往的船舶进行机动式的监测。传感器进行剖面测量，并快速获取船体的剖面图像数据，使用软件就可以测量当前的船与桥梁的距离和船舶的吃水状态，经过计算得出船舶实际吃水深度，并将该实际吃水深度与该船舶的核定吃水深度进行比对，判断该船舶是否属于超载。该系统可以布设在航道的桥梁下方，具有测量精度高、控制灵活、实时性好、速度快等诸多优点，可广泛用于各类航道的吃水监测，对航道内船舶吃水深度严格监测和控制具有十分重要的现实意义。

Description

内河船舶吃水自动监测系统及方法

技术领域

本发明属于自动测量技术范畴，具体涉及一种基于带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器与视频分析的内河船舶吃水自动监测系统及方法。

背景技术

实际船舶干舷高度一般是指沿舷侧自水线面量至上层连续甲板(干舷甲板)边线的垂直距离；实际船舶吃水深度一般是指沿舷侧自水线面量至船舶底部最低点的垂直距离。长江干线航道近些年来“超载”、“超吃水”现象较为严重，形势不容乐观。

船舶“超载”直接威胁水上交通安全，已成为水上交通安全的“头号杀手”。超载后导致船舶重心上升稳性下降，其控速性能和回转性能变差。在船舶靠、离码头，掉头或航行中与其他船舶、设施相遇时，若驾驶员操作不当，极易发生碰撞、触碰事故，尤其是内河运输船舶超载后，其干舷部分大半没入水中，只剩船头和驾驶台(室)露出水面，有人戏称“潜水艇”。有时风浪稍大或大船经过，也会发生“浪沉”事故。如果发生碰撞，则必然导致沉船事故发生。这些都对广大船员的人身和财产安全造成严重的威胁，直接影响经济发展和社会稳定。

船舶“超吃水”极易在浅、险、弯、窄航道内造成搁浅及发生其他水上交通事故，搁浅后将改变船舶周围水流的流速、流向、流态，加之处于浅、窄、弯曲河段，使航道内泥沙淤积、束窄航槽、河床不正常地演变等一系列连锁式破坏，不仅恶化航道条件，影响其他船舶的安全航行，同时造成自身巨额经济损失。该现象出现的主要原因是少数船舶为了经济效益，在吃水远远超过所经航段水深而不采取减载措施的情况下，任然冒险航行；客观条件上，枯水期长江中游航道条件差，富余水深不多。

目前治理“超载”、“超吃水”主要靠海事部门在船舶签证时，严查船舶证书，核对船舶干舷高度、吃水深度；同时，加强现场巡航、巡查力度，并强化安全宣传。这种治理方式海事部门投入了巨大的人力、物力、财力，无形中增加了海事管理的成本。

面对严峻的通航形势，一些船舶却受利益驱使，怀有侥幸心理冒险航行，搁浅后严重破坏航道，威胁通航安全，使本已十分紧张的通航形势雪上加霜。尤其是长江干线进入枯水期以后，频频发生“超吃水”船舶搁浅事故。虽然海事部门启动应急预案，比如启动减载基地、对重点船舶进行全程护航等，但是对于船舶实际吃水一直没有很有效的监测和控制办法，只凭目视和经验无法实现有效的监督管理，违章现象屡禁不止。

现有的船舶超载检测方法主要分为两类：一类通过在船舶上安装特定的传感器进行检测，另一类主要依靠视频分析进行超载测量。前者有明显的缺陷，船主为了超载谋利会想方设法破坏或影响安装在各自船舶上的传感器的工作状态，从而使得测量数据的准确性不可信；而后者仅仅依靠视频分析来进行测量，则很难达到较高的测量精度，且测量结果极容易收到天气状况，光照条件等因素的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器和视频分析相结合的内河船舶吃水自动监测系统及方法，本技术方案充分利用带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有高测量精度、全天候、全天时的工作特点，并结合视频分析来加强测量系统的准确性，配合超载取证，在技术方案和实际效果等方面都较其他测量方法具有较大的优势。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术手段来实现，

一种内河船舶吃水自动监测系统，该系统包括：

船舶监测部分，用于扫描过往船只，对其型号、形状、尺寸等参数信息进行采集确认，并测定该船只的距离及桥梁到水面的高度；

信号传输部分，用于将船舶监测部分所监测的数据信息传输至后端的控制部分；

后台控制部分，用于控制船舶监测部分及信号传输部分的工作状态，接收信号传输部分输入的监测数据，并对该监测数据进行运算处理以及启动警示设备；

警示设备，用于对违规船只发出警示信息；

客户端部分，用于实现远程监控功能。

实现上述目的的本发明，其进一步的技术特征在于，所述船舶监测部分包括AIS信号接收器，设置于桥梁正下方的测距传感器，桥梁两侧的至少两个视频联动装置和带云台的传感器，以及航道两侧的测距浮标。

进一步的技术特征还包括，所述信号传输部分为连接于船舶监测部分与后台控制部分之间的光纤，或者是设置于船舶监测部分上的无线发送装置及设置于后台控制部分上的无线接收装置。

本发明还同步公布了一种利用上述自动监测系统对内河船舶吃水进行自动监测的方法，该自动监测方法包括如下步骤：

a，预先在桥梁下部固定船舶监测部分，并在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线位置时，AIS信号接收器向船舶监测部分各设备发出“船舶进入”的监控指令；

b，测距传感器5接收到“船舶进入”的监控指令后，向固定于其正下方的测距浮标6发出激光，测出桥梁到水面的高度h1；

c，带云台的传感器接收到“船舶进入”的监控指令后，传感器以角度r向下扫描监测船舶，得出其与船舶甲板之间的直线距离s；

d，信号传输部分将上述测得的高度h1及直线距离s传输至后台控制部分；

e，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1及直线距离s，并同步调取由AIS信号接收器提取的船舶数据信息得出船型深h3；

f，后台控制部分经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cosr，船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cosr，则得出船舶实际吃水深度h＝h3-h4＝h3-(h1-s·cosr)；

g，后台控制部分将船舶实际吃水深度h与AIS信号接收器提取的船舶数据信息中的该船舶核定吃水深度进行比较；

h；若比较得出船舶实际吃水深度h大于该船舶核定吃水深度，则向船舶监测部分发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监测部分数据库中并触发警示设备对该违规船只发出警示信息；若船舶实际吃水深度h小于该船舶核定吃水深度，则整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入。

本发明还同步提供了当船舶没有开启AIS系统时，对其进行自动监测的方法，该自动监测方法包括如下步骤：

a，预先在桥梁下部固定船舶监测部分，并在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线位置时，视频联动装置监控到船舶进入信息，向各设备发出“船舶进入”的监控指令；

b，测距传感器5接收到“船舶进入”的监控指令后，向固定于其正下方的测距浮标6发出激光，测出桥梁到水面的高度h1；

c，带云台的传感器接收到“船舶进入”的监控指令后，传感器以角度r向下扫描监测船舶，得出其与船舶甲板之间的直线距离s；

d，信号传输部分将上述测得的高度h1及直线距离s传输至后台控制部分；

e，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1及直线距离s，经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cosr，则计算出船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cosr；

f，后台控制部分将该干舷高度h4与海事部门核定的该类型船舶最小干舷值进行比较；

g，若比较得出该干舷高度h4小于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则向船舶监测部分发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监测部分数据库中并触发警示设备对该违规船只发出警示信息；若船舶干舷高度h4大于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入。

本发明采用带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器作为吃水监测的核心光学设备，并配合以智能视频分析模块，可以实时监测并识别出通航船舶的吃水深度、干舷高度、以及船舶型号信息等，该系统可以布设在航道的桥梁下方，具有测量精度高、控制灵活、实时性好、速度快等诸多优点，可广泛用于各类航道的吃水监测，对航道内船舶吃水深度严格监测和控制具有十分重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明系统工作原理框图。

图2为本发明系统安装结构示意图。

图3为本发明工作流程框图。

具体实施方式

如图1及图2所示为本发明系统工作原理框图及安装结构示意图。

1)船舶监测部分

船舶监测部分是航道船舶超载超吃水监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”，包括AIS信号接收器，设置于桥梁1正下方的测距传感器5，桥梁1两侧的至少两个视频联动装置3和带云台的传感器4，以及航道两侧的测距浮标6。所述至少两个视频联动装置3分别固定于桥梁两侧，与水面成0°-90°夹角，分别用于监控上下水航向的船舶。在桥梁下以与水平面垂直方式安装两个以上(视需监测的航道宽度而定)的带云台的传感器4，通过云台前后滑动对过往船只进行垂直扇形扫描。

预先在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线附近时，监测系统会发出指令让AIS信号接收器不间断把来自AIS天线的船舶AIS信号接收下来，由AIS数据处理器提取船舶动态数据，包括船名、船舶型号、经纬度坐标、航向、航速、目的港等，记录到船舶动态数据库中。也就是说在确定的时间点，船舶的位置也是确定的。通过AIS关于船舶航向、位置和船舶长度的三项数据信息，准确获取船舶的真实船名，然后向监测系统各设备发出船舶进入监控指令。针对不开AIS船舶，可用视频监控及传感器获取该船舶的图像数据与当前行驶时间的经纬度数据，同时向系统发出船舶进入监测指令。

视频联动装置3分别安置在桥梁两侧使其能侦察到过往船只，判断其是否在正常的行驶航道，并根据船只与桥梁之间的距离来控制传感器的工作状态，当船只进入监测距离时，指令雷达开始监测。为了减少摄像机所用的数量、简化传输系统及控制与显示系统，在摄像机上加装智能的、可遥控的、可变焦距镜头，使摄像机所能观察的图像分辨率更高，捕捉图像的速度更快，同时通过控制器的控制，可以使摄像机进行水平和垂直方向的旋转，从而使摄像机能覆盖到的角度、面积更大。总之，带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器与视频联动装置就象整个系统的眼睛一样，把它监视的内容变为数据与图象信号，传送给控制中心的监测软件系统上。

2)信号传输部分

信号传输部分就是系统数据信号、图像信号、控制信号等的通道，用于将船舶监测部分所监测的数据信息传输至后端的控制部分。为了确保数据传输的实时与精确，传输方式可采用高强度耐候性光纤。考虑到安装与后期维护的方便也可采用射频传输、公共频段传输及GPRS传输等方式。有线数据接口有：RS458、RS232、RS422。

3)后台控制部分

控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心。控制部分主要由数据监测控制报警系统组成。数据监测控制报警系统主要的功能有：测量数据与图像信号分配与放大、测量数据的校正与补偿、切换、记录等；对带高精度云台的毫米波雷达(激光)传感器、摄像机、电动变焦镜头、等进行控制，以完成对被监视场所全面、详细的监视或跟踪监视；对系统防区进行布防、撤防等功能。当前端防区有违规船舶驶入时，报警信号传送到控制中心，可以显示报警防区、联动警号、闪灯、摄像机等设备。

当系统有多路远距离信号传输时，还应根据远距离信号传送的方式，如视频传输、光纤传输、射频平衡式传输等等，考虑在控制台中是否应增设解调装置以对应光纤传输或射频传输、补偿装置以对应视频传输、还原装置以对应平衡式视频传输以及远端切换控制器装置以对应数据传输的远端切换方式等等。

4)警示设备

警示设备为警示灯和警号中的一种或两种，或其它可对声光设备等，用于对违规船只发出警示信息。

5)客户端部分

一般分为普通客户端用户和WEB客户端(B/S模式)两种模式。普通客户端主要通过专用客户端软件来实现远程监控功能，而WEB客户端(B/S模式)直接通过IE浏览器输入监控系统服务器的IP地址或WEB地址即可实现远程监控，因此相对来说操作性上更加便捷。

本发明还同步公布了一种利用上述自动监测系统对内河船舶吃水进行自动监测的方法，如图3所示，该自动监测方法包括如下步骤：

①，在接收到“船舶驶入”指令后，启动桥梁下安装的带云台的传感器4对船舶2围板至船沿的甲板进行扫描测量出传感器到船舶2甲板的距离s，同时测距传感器5对固定于其正下方水面上的测距浮标6发出激光，测出桥梁1到水面的高度h1。

②，通过带云台的传感器4所在的高精度云台给出扫描到甲板的射线与本传感器到水面的垂直射线形成的夹角度数r。

③，信号传输部分将上述测得的高度h1、直线距离s及夹角度数r传输至后台控制部分；

④，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1、直线距离s及夹角度数r，并同步调取由AIS信号接收器提取的船舶数据信息得出船干弦高度h3；

⑤，后台控制部分经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cosr，船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cosr，则得出船舶实际吃水深度h＝h3-h4＝h3-(h1-s·cosr)；

⑥，在获取当前船舶的实际干舷高度和吃水深度以后，与船舶基础数据干舷值及吃水报警预设的信息进行比对，如达到报警设置值，即实际干舷超证书规定值、实际吃水超设定值时，则向监控系统发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监控系统数据库中，并对该违规船只发出警示信息。

⑦，船舶驶过后，整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入，即转入过程①。

上述自动监测方法为对船舶开启AIS系统时的有效监控，当船舶为故意躲避监控而不开启AIS系统时，监测部分的AIS信号接收器便无从接收船舶信息，对其监控便成为盲区。为避免上述现象发生，本发明还同步提供了当船舶没有开启AIS系统时，对其进行自动监测的方法，该自动监测方法包括如下步骤：

①，预先在桥梁下部固定船舶监测部分，并在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线位置时，视频联动装置3监控到船舶进入信息，向各设备发出“船舶进入”的监控指令；

②，测距传感器5接收到“船舶进入”的监控指令后，向固定于其正下方的测距浮标6发出激光，测出桥梁到水面的高度h1；

③，带云台的传感器4接收到“船舶进入”的监控指令后，传感器以角度r向下扫描监测船舶，得出其与船舶甲板之间的直线距离s；

④，信号传输部分将上述测得的高度h1及直线距离s传输至后台控制部分；

⑤，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1及直线距离s，经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cosr，则计算出船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cosr；

⑥，后台控制部分将该干舷高度h4与海事部门核定的该类型船舶最小干舷值进行比较；

⑦，若比较得出该干舷高度h4小于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则向船舶监测部分发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监测部分数据库中并触发警示设备对该违规船只发出警示信息；若船舶干舷高度h4大于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入。

本系统依据《长江三峡库区船舶定线制规定(2005)》中的规则要素为条件设计，系统可24小时不间断进行实时数据联动监测。系统主要监测设备采用高精度毫米波(激光)雷达等技术手段，穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有高测量精度、全天候、全天时的工作特点，传感器在夜间可以排除太阳杂光的影响，更好的回收反射回的测量光束及减少测量时间，所以系统在夜间的监测效果会更好。

Claims (9)

1.一种内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，该系统包括：

船舶监测部分，用于扫描过往船只，对其型号、形状、尺寸等参数信息进行采集确认，并测定该船只的距离及桥梁到水面的高度；

信号传输部分，用于将船舶监测部分所监测的数据信息传输至后端的控制部分；

后台控制部分，用于控制船舶监测部分及信号传输部分的工作状态，接收信号传输部分输入的监测数据，并对该监测数据进行运算处理以及启动警示设备；

警示设备，用于对违规船只发出警示信息；

客户端部分，用于实现远程监控功能。

2.根据权利要求1所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述船舶监测部分包括AIS信号接收器，设置于桥梁(1)正下方的测距传感器(5)，桥梁(1)两侧的至少两个视频联动装置(3)和带云台的传感器(4)，以及航道两侧的测距浮标(6)。

3.根据权利要求2所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述至少两个视频联动装置(3)分别固定于桥梁两侧，与水面成0°-90°夹角。

4.根据权利要求2所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述带云台的传感器(4)固定于桥梁下方，与水面保持垂直，通过云台前后滑动对过往船只进行垂直扇形扫描。

5.根据权利要求1所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述信号传输部分为连接于船舶监测部分与后台控制部分之间的光纤。

6.根据权利要求1所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述信号传输部分为设置于船舶监测部分上的无线发送装置及设置于后台控制部分上的无线接收装置。

7.根据权利要求1所述的内河船舶吃水自动监测系统，其特征在于，所述警示设备为警示灯和警号中的一种或两种。

8.一种利用如权利要求1所述的自动监测系统对内河船舶吃水进行自动监测的方法，其特征在于，所述该自动监测方法包括如下步骤：

a，预先在桥梁下部固定船舶监测部分，并在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线位置时，AIS信号接收器向船舶监测部分各设备发出“船舶进入”的监控指令；

b，测距传感器(5)接收到“船舶进入”的监控指令后，向固定于其正下方的测距浮标(6)发出激光，测出桥梁到水面的高度h1；

c，带云台的传感器(4)接收到“船舶进入”的监控指令后，传感器以角度r向下扫描监测船舶，得出其与船舶甲板之间的直线距离s；

d，信号传输部分将上述测得的高度h1及直线距离s传输至后台控制部分；

e，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1及直线距离s，并同步调取由AIS信号接收器提取的船舶数据信息得出船型深h3；

f，后台控制部分经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cos r，船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cos r，则得出船舶实际吃水深度h＝h3-h4＝h3-(h1-s·cos r)；

g，后台控制部分将船舶实际吃水深度h与AIS信号接收器提取的船舶数据信息中的该船舶核定吃水深度进行比较；

h；若比较得出船舶实际吃水深度h大于该船舶核定吃水深度，则向船舶监测部分发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监测部分数据库中并触发警示设备对该违规船只发出警示信息；若船舶实际吃水深度h小于该船舶核定吃水深度，则整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入。

9.一种利用如权利要求1所述的自动监测系统对内河船舶吃水进行自动监测的方法，其特征在于，所述该自动监测方法包括如下步骤：

a，预先在桥梁下部固定船舶监测部分，并在电子航道图中标定监控线所在的位置，当船舶经过该监控线位置时，视频联动装置(3)监控到船舶进入信息，向各设备发出“船舶进入”的监控指令；

b，测距传感器(5)接收到“船舶进入”的监控指令后，向固定于其正下方的测距浮标(6)发出激光，测出桥梁到水面的高度h1；

c，带云台的传感器(4)接收到“船舶进入”的监控指令后，传感器以角度r向下扫描监测船舶，得出其与船舶甲板之间的直线距离s；

d，信号传输部分将上述测得的高度h1及直线距离s传输至后台控制部分；

e，后台控制部分接收信号传输部分输入的高度h1及直线距离s，经过计算得出：桥梁到船舶甲板的高度h2＝s·cosr，则计算出船身干舷高度h4＝h1-h2＝h1-s·cosr；

f，后台控制部分将该干舷高度h4与海事部门核定的该类型船舶最小干舷值进行比较；

g，若比较得出该干舷高度h4小于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则向船舶监测部分发送数据控制信息，将船舶超载超吃水数据信息及图像信息保存在监测部分数据库中并触发警示设备对该违规船只发出警示信息；若船舶干舷高度h4大于海事部门核定的该类型船舶最小干舷值，则整个系统进入待机监测状态，等待下一个船舶的驶入。

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