CN103714718B - 一种内河桥区船舶安全航行预控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内河桥区船舶安全航行预控系统，它包括雷达站、信息处理中心和AIS基站；雷达站和AIS基站分别与信息处理中心通讯连接；所述信息处理中心包括：从雷达站或/和AIS基站获得数据并对数据进行处理和记录的数据处理和记录单元、对获取的雷达或/和AIS数据进行融合得到船舶航迹的航迹融合单元、电子江图单元、根据数据处理和记录单元处理和记录的数据进行预测并判断是否发出警报指令的预控决策单元、根据预控决策单元发出的指令控制AIS基站发出警报的预控信息发送单元。本发明能根据桥区实时的交通状况，自动识别船舶的航行风险和自动对船舶进行预警，引导船舶安全通过桥区，减少事故风险。

Description

一种内河桥区船舶安全航行预控系统

技术领域

本发明专利涉及一种岸基端的水上船舶交通的安全预警和控制系统，特别涉及一种对内河桥区船舶航行的自动预控系统。

背景技术

随着交通运输业的快速发展，内河桥梁的数量逐年增多，这些桥梁的建设无疑促进了经济的发展，但也在一定程度上恶化了桥区的通航环境，尤其是在船舶比较多的繁忙水域，桥梁对船舶通航形成了阻碍，增加了航行难度，增加了船舶搁浅、船船碰撞和船桥碰撞等事故风险，一旦发生事故将造成生命和财产的损失，有的还会造成环境污染。目前一般有两种方式来减少这些风险：第一种，船舶自身安装了雷达、船舶自动识别系统（AIS,AutomaticIdentificationSystem）终端和测深仪等设备，船员通过显示屏读取这些设备的测量信息确定船舶周围的交通状况，再根据自己的经验来规避风险；第二种，海事监管部门通过船舶交通服务系统（VTS，vesseltrafficservices)对通过桥区的船舶进行监管，工作人员通过观察电子显示屏，一旦发现可能出现事故风险，立刻通过甚高频电话通知船舶采取相应的避险措施。这两种方式对风险的判断都是通过人的经验和主观判断来实现，而人由于疲劳、精力不集中和经验不足等因素会导致主观意识有时会出现误判，有时会出现漏判，一旦出现这种情况，风险很可能就变成事故。因此，对于桥区航行水域，如何自动识别船舶航行风险，自动向船舶发送预警和控制信息是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的技术不能自动识别桥区水域船舶航行风险和对船舶进行预警和控制的缺陷，提供了一种内河桥区船舶安全航行的预控系统，能根据桥区实时的交通状况，自动识别船舶的航行风险和自动对船舶进行预警，引导船舶安全通过桥区，减少事故风险。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：

一种内河桥区船舶安全航行预控系统，它包括雷达站、信息处理中心和AIS基站；雷达站和AIS基站分别与信息处理中心通讯连接；所述信息处理中心包括：

从雷达站或/和AIS基站获得数据并对数据进行处理和记录的数据处理和记录单元、

对获取的雷达或/和AIS数据进行融合得到船舶航迹的航迹融合单元、

电子江图单元、

根据数据处理和记录单元处理和记录的数据进行预测并判断是否发出警报指令的预控决策单元、

根据预控决策单元发出的指令控制AIS基站发出警报的预控信息发送单元；

所述航迹融合单元根据雷达或/和AIS数据，得到船舶的航迹、速度、航向；

所述电子江图单元的数据库中至少记录有桥墩位置坐标、航标位置坐标信息；

所述数据处理和记录单元处理和记录的数据至少包括船舶的位置坐标；

所述预控决策单元包括船－桥碰撞预控决策模块，所述船－桥碰撞预控决策模块做出以下选择：

将当前DCPA的值与DCPA阈值进行对比，

当前DCPA的值小于等于DCPA阈值时，发出预警和控制指令；

将当前TCPA的值与TCPA阈值进行对比，

当前TCPA的值小于等于TCPA阈值时，发出预警和控制指令；

所述DCPA=sinα×|AB|，TCPA=cosα×|AB|/υ；

其中：

DCPA为船舶接近航标或桥墩时的最近距离；

TCPA表示船舶从当前位置到达DCPA点的时间；

AB为船舶的位置坐标点与桥墩的位置坐标点之间的长度；

υ为船舶的速度；

α为船舶的位置坐标点和桥墩的位置坐标点之间的连线与船舶的航向之间的夹角。

上述方案中，所述数据处理和记录单元处理和记录的数据还包括船舶的长度；

所述预控决策单元包括船－船碰撞预控决策模块，所述船－船碰撞预控决策模块包括上行船－船碰撞预控决策模块和下行船－船碰撞预控决策模块；

所述上行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于上行船舶安全间距时，发出预警和控制指令；

所述下行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于下行船舶安全间距时，发出预警和控制指令；

下行船舶安全间距为2.5×（L_后船＋L_前船）,上行船舶安全间距为2×（L_后船＋L_前船）；

上述L_后船和L_前船分别表示后船和前船的船长。

上述方案中，所述电子江图单元的数据库中还记录有航道中心线位置信息；

所述预控决策单元包括防偏航预控决策模块，防偏航预控决策模块做出以下选择：

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离大于等于阈值时，且船舶航向指向航道外侧，发出预警和控制指令；

或，

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离小于阈值时，将更新后的船舶位置坐标点带入计算。

本发明的有益效果在于：可以解决现有的岸基和船载终端系统都不具备自动识别船舶航行风险和自动对航行风险进行预警的问题，信息处理中心可自动通过AIS基站向船舶发出警报，可以减少船员和工作人员的工作强度，减少通航风险，引导船舶安全通过桥区。

附图说明

图1是本发明实施例示意图。

图2是信息处理中心框图。

图3是预控决策示意图。

图4是船－船避碰示意图。

图5是船－桥或船－航标避碰示意图。

图6是防偏航示意图。

图7是系统流程图。

具体实施方式

如图1所示的本发明一种内河桥区船舶安全航行预控系统实施例，它为武汉长江大桥桥区船舶安全航行预控系统，该大桥是在长江上修建的第一座跨江大桥，有8个桥墩和9个桥孔，每空跨度128米，上行和下行各自开放一个桥孔，由于桥墩多，通航孔窄，为了保障安全，船舶在通过桥区时不允许追越，还要限制航速，这就限制了桥区的通过能力。

本发明一种内河桥区船舶安全航行预控系统实施例，它包括雷达站、信息处理中心和AIS基站；雷达站和AIS基站分别组成信息采集和传输子系统，信息采集和传输子系统与信息处理中心通讯连接。

所述的信息采集和传输子系统结构，其雷达站和AIS基站为信息采集部分。雷达站可设置在大桥附近，离海事监管中心比较近，通过雷达对桥区航道进行扫描，可获取桥区水域的全景交通图像，包括运动的船舶目标以及静止和固定的目标，可获得船舶的大小、航向、速度和位置等信息。AIS基站可设置在大桥附近，对监管水域内装备了AIS的船舶进行自动识别，可获取船舶的位置、速度、航向、船长、船宽等动态和静态信息。

所述信息传输部分，AIS信息通过无线传输方式传输到信息处理中心。无线传输采用DTU（DataTransferUnit）传输方式，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，本系统采用3GDTU单元，通过移动或联通的3G无线通信网络进行传输，3G网络传输速度快，性能稳定，可保障系统的实时性要求。AIS基站的数据转化成串行数据输入到DTU单元，DTU单元以无线方式将数据传输到3G网络，3G网络以有线方式将数据传输到因特网，因特网最后将数据传送到信息处理中心。由于雷达的输出数据量比较大，雷达站一般建在海事监管中心附近，雷达站与信息处理中心采用光纤连接进行通信。

如图2所示，所述信息处理中心包括：

从雷达站或/和AIS基站获得数据并对数据进行处理和记录的数据处理和记录单元、

对获取的雷达或/和AIS数据进行融合得到船舶航迹的航迹融合单元、

电子江图单元、

根据数据处理和记录单元处理和记录的数据进行预测并判断是否发出警报指令的预控决策单元、

根据预控决策单元发出的指令控制AIS基站发出警报的预控信息发送单元；

所述航迹融合单元根据雷达或/和AIS数据，得到船舶的航迹、速度、航向（船首向）；

所述数据处理和记录单元处理和记录的数据至少包括船舶的位置坐标；

所述的电子江图数据库，保存有长江水道的航道信息，包括航道的宽度、航道中心线、桥墩的位置坐标、航标的位置坐标等信息。

所述的航迹融合单元完成以下功能：

AIS数据与雷达数据有冗余和互补性。将雷达测量的位置信息与AIS接收的位置信息按精度合并，从而提高了航迹精度；另外，如果由于雷达探测目标的丢失，或由于AIS接收的信息丢失，通过航迹合并，跟踪船舶目标的可靠性也得到提高。航迹融合的步骤如下：

1）坐标变换。AIS和雷达两者对目标位置的描述采用不同的方法。AIS获得的目标位置数据来自于本船的GPS，以地理坐标的经度与纬度表示。雷达的目标位置是以极坐标的距离和方位表示的。为了便于处理，需将两者的位置坐标变换到同一个坐标系下，通常变换到直角坐标系下面。

2）时间对准。由于雷达和AIS对船舶位置采集的时刻是不相同的，在数据融合之前必须进行时间对准，使它们具有相同的采样时刻。

3）航迹相关。判断来自两个传感器的两条航迹是否代表同一个目标。

4）航迹融合。利用航迹融合算法将2条相关的航迹融合为一条航迹，并利用航迹解析算法得到船舶包括速度、航向的航行行为信息。并江融合后的航迹保存到航迹融合数据表中。

所述的电子江图单元：电子江图除了记录和显示航道信息之外，还能实时显示融合后的船舶的航迹信息。当系统监测到船舶有事故风险时，该船舶会以醒目的颜色显示在电子江图上，当风险解除时，会恢复原来的颜色。

如图3所示，所述预控决策单元包括船－桥碰撞预控决策模块、船－船碰撞预控决策模块、船－航标碰撞预控决策模块、防偏航预控决策模块。

如图5所示，所述船－桥（或船－航标）碰撞预控决策模块做出以下选择：

将当前DCPA的值与DCPA阈值进行对比，

当前DCPA的值小于等于DCPA阈值时，发出预警和控制指令；

将当前TCPA的值与TCPA阈值进行对比，

当前TCPA的值小于等于TCPA阈值时，发出预警和控制指令；

所述DCPA=sinα×|AB|，TCPA=cosα×|AB|/υ；

其中：

DCPA为船舶接近航标或桥墩时的最近距离；

TCPA表示船舶从当前位置到达DCPA点的时间；

AB为船舶的位置坐标点与桥墩的位置坐标点之间的长度；

υ为船舶的速度；

α为船舶的位置坐标点和桥墩的位置坐标点之间的连线与船舶的航向之间的夹角。

航标和桥墩都是固定不动的，形状也相似，它们的避碰方法是相同的。在图5中，垂线段|BC|表示表示船舶接近航标或桥墩的最近距离DCPA，TCPA表示船舶从A点到达最近距离点C的时间。DCPA和TCPA可以采用以下方法确定：

船舶的经纬度坐标、速度υ和航向航标或桥墩的位置坐标可从数据库获取，是已知的，故线段|AO|、|BO|及|AB|的长度可以求出。由图5可知，∠OAB=β=tdn^-1(|BO|/|AO|),故DCPA=sinα×|AB|＝

在本系统中，DCPA和TCPA各设置一个预警阈值，如果监测到其值小于各自的阈值，则要向船舶发出预警，并要求船舶调整航向或减少速度等操作。

如图4所示，所述预控决策单元包括船－船碰撞预控决策模块，所述船－船碰撞预控决策模块包括上行船－船碰撞预控决策模块和下行船－船碰撞预控决策模块；

所述上行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于上行船舶安全间距时，发出预警和控制指令；

所述下行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于下行船舶安全间距时，发出警报指令；

下行船舶安全间距为2.5×（L_后船＋L_前船）,上行船舶安全间距为2×（L_后船＋L_前船）；

上述L_后船和L_前船分别表示后船和前船的船长。

桥区航道比较直，船舶基本都沿与航道中心线平行并与中心线接近的航线行船，所以船舶的航首向近似平行。在桥区，要防止追越，则后船只能尾随前船，且后船与前船要保持一个安全间距SafeDistance，经过对桥区船舶间距的统计分析，安全间距近似表示：

下行船舶安全间距SafeDistance＝2.5×（L_后船＋L_前船）。

上行船舶安全间距SafeDistance＝2×（L_后船＋L_前船）。

图4中的船舶间距InterDistance可采用以下方法确定：

船舶间距InterDistance等于线段|AC|的长度。船舶的经纬度坐标和航向可从数据库获取，是已知的，故线段|AO|,|BO|的长度可以求出。ΔDCA与ΔDOB相似，故∠DAC与∠DBO相等，所以∠DBO等于由于线段 所以，|AC|=即船舶间距InterDistance＝

系统一旦监测到两船的间距InterDistance接近安全间距SafeDistance，则要向船舶发送防止追越的预警信息，并通知前船进行加速或后船进行减速等操作。

如图6所示，所述预控决策单元包括防偏航预控决策模块，防偏航预控决策模块做出以下选择：

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离大于等于阈值时，且船舶航向指向航道外侧，发出预警和控制指令；

或，

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离小于阈值时，将更新后的船舶位置坐标点带入计算。

在图6中，虚线BD表示航道的中心线，线段AD表示船舶与航道中心线的垂直距离OffsetDistance。这个距离可采用以下方法确定：

航道中心线上的点B的位置坐标、中心线与正北的方位角以及船舶的位置坐标可以从数据库获取，故线段|AO|,|BO|及|AB|的长度可以求出。由图6可知，∠OAB＝β=tan^-1(|AO|/|BO|)，故

OffsetDistance设定一个阈值，如果监测到其值小于该阈值，并且船舶首向指向航道外侧，则表示船舶有偏离航道的风险，则要及时向船舶发出预警，要求船舶调整航向或速度，沿接近中心线的航线航行。

所述的决策信息发送单元是将决策信息通过图2的传输子系统发送。决策信息先送到因特网，再通过因特网传输到3G网络，再由3G网络发送到DTU，再由DTU送到AIS基站，最后由AIS基站无线传输给指定的船台AIS终端，船舶收到信息后，就可以按照信息调整操作。

所述系统的工作流程如图7所示，包含以下步骤：

步骤1：初始化。令在航船舶编号变量i=1，i=1,2,…,N，N为桥区在航船舶的数量，由AIS和雷达的数据确定其大小；从电子江图数据库获取桥墩、航标、航道中心线的位置信息；

步骤2：接收AIS和雷达数据分别存入数据处理和记录单元的AIS船舶基本信息数据表和雷达船舶基本信息数据表；

步骤3：对AIS数据和雷达数据进行融合；

步骤4：融合后的数据写入在航船舶数据表；

步骤5：读在航船舶数据表，将船舶信息显示在电子江图上；

步骤6：根据船舶编号变量i的值，从在航船舶数据表中读取船舶i的信息，并令另外一个船舶编号变量j=i+1；

步骤7：根据船-桥避碰算法判断船舶i及桥墩碰撞的危险程度；同样，根据船-航标的避碰算法判断船舶i及航标碰撞的危险程度；

步骤8：如果判断结果满足预控的条件则向船舶i发送预控信息，否则往下执行；

步骤9：根据船舶防偏航算法判断船舶i偏航的危险程度；

步骤10：如果判断结果满足预控的条件则向船舶i发送预控信息，否则往下执行；

步骤11：如果N=1,表明桥区只有一条船，或者如果i=N,表明是在航船舶数据表中的最后一条船，则不需要进行船-船碰撞检测，转到步骤1，否则往下执行；

步骤12：根据船舶编号变量j的值，从在航船舶数据表中读取船舶j的信息;

步骤13：根据船-船避碰算法判断船舶i及船舶j碰撞的危险程度；

步骤14：如果判断结果满足预控的条件则向船舶i和船舶j发送预控信息，否则往下执行;

步骤15：变量j=j+1；

步骤16：如果j<=N,转到步骤12，否则往下执行；

步骤17：变量i=i+1；

步骤18：如果i<=N,转到步骤6，否则转到步骤1。

Claims (2)

1.一种内河桥区船舶安全航行预控系统，它包括雷达站、信息处理中心和AIS基站；雷达站和AIS基站分别与信息处理中心通讯连接；其特征在于：所述信息处理中心包括：

从雷达站或/和AIS基站获得数据并对数据进行处理和记录的数据处理和记录单元、

对获取的雷达或/和AIS数据进行融合得到船舶航迹的航迹融合单元、

电子江图单元、

根据数据处理和记录单元处理和记录的数据进行预测并判断是否发出警报指令的预控决策单元、

根据预控决策单元发出的指令控制AIS基站发出警报的预控信息发送单元；

所述航迹融合单元根据雷达或/和AIS数据，得到船舶的航迹、速度、航向；

所述电子江图单元的数据库中至少记录有桥墩位置坐标、航标位置坐标信息；

所述数据处理和记录单元处理和记录的数据至少包括船舶的位置坐标；

所述预控决策单元包括船－桥碰撞预控决策模块，所述船－桥碰撞预控决策模块做出以下选择：

将当前DCPA的值与DCPA阈值进行对比，

当前DCPA的值小于等于DCPA阈值时，发出预警和控制指令；

将当前TCPA的值与TCPA阈值进行对比，

当前TCPA的值小于等于TCPA阈值时，发出预警和控制指令；

所述DCPA＝sinα×|AB|，TCPA＝cosα×|AB|/υ；

其中：

DCPA为船舶接近航标或桥墩时的最近距离；

TCPA表示船舶从当前位置到达DCPA点的时间；

AB为船舶的位置坐标点与桥墩的位置坐标点之间的长度；

υ为船舶的速度；

α为船舶的位置坐标点和桥墩的位置坐标点之间的连线与船舶的航向之间的夹角；

所述数据处理和记录单元处理和记录的数据还包括船舶的长度；

所述预控决策单元包括船－船碰撞预控决策模块，所述船－船碰撞预控决策模块包括上行船－船碰撞预控决策模块和下行船－船碰撞预控决策模块；

所述上行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于上行船舶安全间距时，发出预警和控制指令；

所述下行船－船碰撞预控决策模块做出以下选择：

当两船舶的位置坐标点之间的长度小于等于下行船舶安全间距时，发出预警和控制指令；

下行船舶安全间距为2.5×(L_后船+L_前船),上行船舶安全间距为2×(L_后船+L_前船)；

上述L_后船和L_前船分别表示后船和前船的船长。

2.如权利要求1所述的内河桥区船舶安全航行预控系统，其特征在于：所述电子江图单元的数据库中还记录有航道中心线位置信息；

所述预控决策单元包括防偏航预控决策模块，防偏航预控决策模块做出以下选择：

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离大于等于阈值时，且船舶航向指向航道外侧，发出预警和控制指令；

或，

当船舶的位置坐标点与航道中心线的垂直距离小于阈值时，将更新后的船舶位置坐标点带入计算。