CN106601030B - 一种船舶智能过闸辅助航行系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于内河航运和卫星导航技术领域，尤其涉及一种船舶智能过闸辅助航行系统，该系统包括：船舶高精度位置和姿态管理系统、船舶智能过闸信息管理系统、船舶智能过闸终端。本发明提出的船舶智能过闸辅助航行系统能够有效解决船舶过闸时由于不能精确定位和姿态信息缺乏导致船舶驾驶困难、紧急情况下船舶危险驾驶报警方法单一、过闸手续办理繁琐、排闸不科学、船间距过大浪费闸室空间、指挥调度效率不高等问题，可以大大增加船舶驾驶安全系数，节约船主过闸等待时间，有效提高船舶驾驶安全系数和过闸效率。

Description

一种船舶智能过闸辅助航行系统

技术领域

本发明属于内河航运和卫星导航技术领域，尤其涉及一种船舶智能过闸辅助航行系统。

背景技术

近年来，随着内河航运事业快速发展，船舶数量逐年递增，船闸作为水运物资进出的重要通道，成为了制约内河航运发展的瓶颈。原因主要在于，船舶过闸时位置信息不精确，尤其是在大雾、雨雪等特殊天气条件下，工作人员难以确认船舶的精确位置；有的船主为提前过闸，不按调度指令航行，违章停靠、违规航行、违规拿号过闸等情况加大了管理人员的稽查工作量，同时也容易堵塞航道，影响了船闸过闸效率；船舶过闸时间距过大，导致闸室一次放行的船舶数量有限，浪费了闸室空间资源，直接影响船闸通过能力；另一个原因是过闸信息化程度较低，船舶在候闸、排闸、过闸时手续办理复杂，浪费时间较多。船闸管理部门与船舶间信息交流不畅通，容易制造双方矛盾，冲突时有发生。

由此可知，以上船舶过闸方式存在诸多弊端，耗时耗力，无法保持安全、有序的船舶过闸秩序，容易造成船闸堵船，航道堵塞，其已经不能适应任务繁重、情况复杂的船闸运行实际需要，直接导致了船闸运行效率低下，成为了制约沿岸经济快速健康发展的瓶颈之一。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种船舶智能过闸辅助航行系统。该系统包括：船舶高精度位置和姿态管理系统、船舶智能过闸信息管理系统和船舶智能过闸终端。

所述船舶高精度位置和姿态管理系统包括船舶高精度位置监控子系统、船舶高精度姿态监控子系统、数传电台和数据处理与控制中心。

所述船舶高精度位置监控子系统包括船闸基准站、船载移动站、船载告警影像雷达，所述船舶高精度姿态监控子系统包括船载高精度组合惯导。

所述船闸基准站建立在船闸相对高处且周围无遮挡无强电磁干扰的坚固地点，所述船载移动站建立在船舶外形轮廓转折点处，通过采用载波相位差分技术以实时监测各船载移动站的厘米级位置信息，进而可以得到船舶的外形轮廓和整体实时移动位置信息。

所述船舶智能过闸信息管理系统包括船舶北斗导航子系统、船舶报到子系统、预约报闸APP子系统、船舶调度子系统、过闸收费子系统、报表及信息查询子系统、系统管理模块。

所述船舶智能过闸信息管理系统采用B/S架构设计，以JavaScript技术调用高精度电子江图实现WebGIS功能，服务器应用程序釆用.NET技术设计开发，编程语言为Java，系统数据库釆用Oracle实现数据存储。

所述船舶智能过闸终端包括主机模块、存储模块、定位模块、通信模块、电源模块、显示模块、打印模块和传感器模块。

所述船舶高精度位置监控子系统采用载波相位差分技术，由船闸基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给船载移动站，移动站接收北斗卫星的载波相位，与来自船闸基准站的载波相位进行求差解算，实时给出厘米级的定位结果。

所述系统通过采集船舶外形轮廓图进行二次开发利用。

所述系统应用于船舶过闸、船舶引航、船舶导航、船舶执法、船舶监管、港口运营、水运物流领域。

基于上述技术方案，本发明通过在船闸处建设北斗高精度基准站，在船舶关键部位建设移动站，采用载波相位动态实时差分(Real-time kinematic，RTK)方法，对船舶关键部位实现厘米级高精度定位，判断出船舶的实时轮廓、位移、航向和运动情况。同时，在船舶周围关键位置安装告警影像雷达，实时监测船舶周围障碍物情况，在船舶靠近障碍物到达一定距离时发出告警信息。在船上配套安装高精度组合惯导，进而判断出船舶的实时航行姿态，再运用数据传输技术实时传送到船闸管理中心。结合船舶过闸信息系统和船载终端，有效解决船舶过闸时由于不能精确定位和姿态信息缺乏导致船舶驾驶困难、紧急情况下船舶危险驾驶报警方法单一、过闸手续办理繁琐、排闸不科学、船间距过大浪费闸室空间、指挥调度效率不高等问题，可以大大增加船舶驾驶安全系数，节约船主过闸等待时间，有效提高船舶驾驶安全系数和过闸效率。

附图说明

图1是本发明中船舶智能过闸辅助航行系统的组成框图

图2是本发明中船舶高精度位置和姿态管理系统的组成框图

图3是本发明中船舶轮廓图

图4是本发明中船舶智能过闸信息管理系统的组成框图

图5是本发明中船舶智能过闸终端的组成框图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示的一种船舶智能过闸辅助航行系统，其主要由三部分组成：船舶高精度位置和姿态管理系统、船舶智能过闸信息管理系统、船舶智能过闸终端。

(一)、船舶高精度位置和姿态管理系统

船舶高精度位置和姿态管理系统用于提供船舶航行时的高精度位置信息和船舶航行姿态信息，该系统主要包括船舶高精度位置监控、船舶高精度姿态监控和数据处理与控制中心等部分，如图2所示，其中，船舶高精度位置监控子系统包括船闸基准站、船载移动站、船载告警影像雷达等，船舶高精度姿态监控子系统主要包括船载高精度组合惯导。

1、船舶高精度位置监控子系统

船舶高精度位置监控采用载波相位差分技术，以实时处理两个测站的载波相位为基础，能实时提供观测点的三维坐标，并能达到厘米级的高精度。由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站。移动站接收北斗卫星的载波相位，与来自基准站的载波相位进行求差解算，实时给出厘米级的定位结果。

基准站建立在船闸相对高处且周围无遮挡无强电磁干扰的坚固地点，移动站建立在船舶四周关键位置，特别是船舶外形轮廓转折点处，这样可以实时监测各移动点的厘米级位置信息，然后将各个移动点用直线连起来，就可以得到船舶的轮廓和整体实时移动位置信息，如图3所示。在船舶的四周位置1、2、3、4、5处分别安装移动站。将基准站采集的载波相位观测值播发给移动站进行组差解算，得到移动站观测点的实时高精度三维坐标，再将相邻各点用直线进行连接，可以得到船舶的大概轮廓形状。这样对比传统的船载AIS位置信息进步不少，一是精度大大提高了，由数十米量级提高到厘米级，二是船舶位置信息由点变成了船舶形状，更直观、更贴近实际，便于指挥调度和掌握船舶航行过闸时的状态。

表1 船舶尺度比值的范围

序号	船舶类型	L(长)/B(宽)比值
			1	远洋客轮	8～10
2	沿海客货船	6～7.5
			3	远洋货船	6～8
4	拖船	3～6.5
			5	渔船	5～6
6	油轮	4.8～7.5

船舶轮廓信息得到后，可以计算出船舶长(L)和宽(B)，进行长宽比(L/B)计算，对照上表1船舶尺度比值的范围可以估计出船舶的类型，与AIS静态信息中的船型、船长和船宽等进行比较，验证船舶自动播发的AIS静态信息的准确性，并为船舶过闸收费和图形排闸提供依据。

船载告警影像雷达主要通过在船载移动站同一地点安装带远红外线广角摄像装置的影像雷达，实时监控船舶周围情况，并清晰地显示于船载液晶显示屏上，便于船员准确把握船舶周围情况，更好地操控船舶。

2、船舶高精度姿态监控子系统

船舶高精度姿态监控系统的任务是实时测量船体沿三个正交轴向的角运动状态，并同时提供船体的三个相对姿态角，即航向角、纵摇角和横摇角。

船舶高精度姿态监控系统采用惯导/北斗组合导航的形式，惯导系统采用三个光纤陀螺仪以及三个加速度计分别感受船舶运动的三个轴向角速率以及加速度，同时接收高精度北斗位置系统中的时间、位置等信息，进行组合导航计算，并以固定周期将时间、角速度、加速度、速度、位置、姿态等惯性导航信息输出给自带数据存储盒并进行信号处理，数据存储盒接收并实时存储惯性导航信息，便于事后分析处理。通过高精度姿态监控系统可以实时测出船舶航行过闸时的航向角、纵摇角和横摇角的变化情况，辅助船员更精准地操控船舶。当各种角度非正常变化过大并超出安全阈值时，能够以声光电等形式发出告警信息，提示相关部门和人员及时做好处置工作。

3、数据处理与控制中心

数据处理与控制中心主要完成船舶高精度位置信息和姿态角度信息的接收、信号处理，为船员提供船舶航行过闸信息，并将信息实时发送到船舶智能过闸信息管理系统。

4、数传电台

数传电台完成船舶高精度位置信息、船舶周围影像信息、船舶航行姿态角度信息、船舶航行过闸提示和告警信息等的实时传递。

(二)、船舶智能过闸信息管理系统

如图4所示，船舶智能过闸信息管理系统由船舶北斗导航子系统、船舶报到子系统、预约报闸APP子系统、船舶调度子系统、过闸收费子系统、报表及信息查询子系统、系统管理等部分组成，船舶智能过闸信息管理系统用于完成船舶过闸的引导、手续办理、缴费、候闸、排闸、过闸等整个业务流程，具体如下：

1、高精度定位导航和姿态监控

接收船舶高精度位置和姿态管理系统的厘米级高精度位置信息、船舶周围障碍物信息和船舶姿态角度信息，掌握过闸船舶航行动态，为过闸船舶在船闸中的图形排闸、避碰管理、指挥调度等提供信息服务。

2、船舶远距离预约申报过闸

当过闸船舶进入北斗定位划定区域时，即可向船闸管理部门发送报到信号并拿到排队号，打破传统申请过闸模式，无需到报到站排队等候递交过闸申请，实现自动快捷的过闸申报。

3、不靠岸报闸

在船上即可完成报闸，在北斗船载终端上可查看船闸当前报到情况、候闸情况及待调度信息，使船舶过闸更加透明化，提升船闸监控和服务水平。

4、不停船扣费

绑定缴费账号，通过辅助过闸的手机APP，轻松快捷完成过闸缴费和消费查询等工作。

5、安全过闸

报闸、缴费全流程全部在船上完成，避免了人员下船上岸报到时易落水出事故等风险，提高船闸运行的安全性。

6、节能环保过闸

减少过闸等待时间，节省折返船来回锚地的油耗费用，降低了船舶运营的成本，降低船舶燃油消耗，促进水运节能减排。

7、接收AIS信息

采集AIS信息，监控航道AIS船舶，加强航道管理。北斗终端会将周边一定范围内的AIS船舶数据采集到系统管理平台，工作人员通过监控系统识别船舶信息，为流域船舶分布、货种及流向的大数据分析提供基础数据。

8、船舶状态监控

通过速度、姿态、温湿度、油耗等传感器，掌握船舶实时状态，加强安全监控和风险防范。

船舶智能过闸信息管理系统采用B/S架构设计，以JavaScript技术调用高精度电子江图实现WebGIS功能，服务器应用程序釆用.NET技术设计开发，主要编程语言为Java，系统数据库釆用Oracle实现数据存储。

具体过闸申报流程为：船舶驶入船闸报到设定区域时，北斗导航船载终端自动将报到信息发送到船闸调度中心，调度中心接收信息后，将报到成功确认信息发回北斗船载终端，并指挥船舶按先到先安排的顺序驶入锚地排队等待排挡，调度中心接收过闸船舶的实时高精度轮廓信息，结合船舶静态信息，分析船舶型号、尺寸大小，进行图形排闸，制定过闸计划，并将计划下发至北斗船载终端，船舶进入引航道待闸区，安全过闸后驶出船闸。船舶上行及下行过程相同。船舶过闸全程均在电子江图上显示，方便监管。

(三)、船舶智能过闸终端

船舶智能过闸终端主要用于船员实时掌握船舶所处位置和姿态信息，与船舶智能过闸信息管理系统进行信息交互，完成船舶基于北斗高精度定位和姿态信息的过闸过程。

船舶智能过闸终端采用模块化设计，用集成芯片完成相应的功能，在有限的空间内做到了体积小、质量轻、自动化程度高、易于操作、安装维护方便、稳定可靠。如图5所示，船舶智能过闸终端包括主机模块、存储模块、定位模块、通信模块、电源模块、显示模块、打印模块和传感器模块等。

主机模块包括主板、处理器、核心控制模块、通信模块、数据传输信号接口等；

存储模块包括铁电存储器和FLASH等，主要用于保存用户资料；

定位模块用于接收高精度定位监控系统提供的船舶高精度定位信息和姿态监控系统的船舶姿态角度信息；

通信模块主要由RS232接口和无线通信模块组成，其中无线通信模块用于船载终端同船闸监控中心之间的通信；

电源模块主要完成给船载终端供电，从船上取电，并转换成船载终端工作所需要的各种电压。电源模块具有自检测和保护功能，当监测到电源异常时能够自动切断供电；

显示模块主要用于实时显示船载终端的各种工作画面，采用触摸屏设计，分辨率、亮度等可调，并进行防水设计；

打印模块主要用于外接打印机，进行打印输出，还可外接调度屏或手柄；

传感器模块主要完成对船舶温度、湿度、速度、气体等的感知，并进行模数转换，输入主机模块进行处理。

此实施例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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种船舶智能过闸辅助航行系统，其特征在于，所述船舶智能过闸辅助航行系统包括：船舶高精度位置和姿态管理系统、船舶智能过闸信息管理系统、船舶智能过闸终端；

所述船舶高精度位置和姿态管理系统包括船舶高精度位置监控子系统、船舶高精度姿态监控子系统、数传电台和数据处理与控制中心；

所述船舶高精度位置监控子系统包括船闸基准站、船载移动站、船载告警影像雷达，所述船舶高精度姿态监控子系统包括船载高精度组合惯导；所述船闸基准站建立在船闸相对高处且周围无遮挡无强电磁干扰的坚固地点，所述船载移动站建立在船舶外形轮廓转折点处，通过采用载波相位差分技术以实时监测各船载移动站的厘米级位置信息，进而可以得到船舶的外形轮廓和整体实时移动位置信息；

将基准站采集的载波相位观测值播发给移动站进行组差解算，得到移动站观测点的实时高精度三维坐标，再将相邻各点用直线进行连接，得到船舶的大概轮廓形状；

船舶轮廓信息得到后，计算出船舶长和宽，进行长宽比计算，对照船舶尺度比值的范围估计出船舶的类型，与AIS静态信息中的船型、船长和船宽进行比较，验证船舶自动播发的AIS静态信息的准确性，并为船舶过闸收费和图形排闸提供依据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述船舶智能过闸信息管理系统包括船舶北斗导航子系统、船舶报到子系统、预约报闸APP子系统、船舶调度子系统、过闸收费子系统、报表及信息查询子系统、系统管理模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述船舶智能过闸信息管理系统采用B/S架构设计，以JavaScript技术调用高精度电子江图实现WebGIS功能，服务器应用程序釆用.NET技术设计开发，编程语言为Java，系统数据库釆用Oracle实现数据存储。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述船舶智能过闸终端包括主机模块、存储模块、定位模块、通信模块、电源模块、显示模块、打印模块和传感器模块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述船舶高精度位置监控子系统采用载波相位差分技术，由船闸基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给船载移动站，移动站接收北斗卫星的载波相位，与来自船闸基准站的载波相位进行求差解算，实时给出厘米级的定位结果。

6.根据权利要求1-5所述的任一系统，其特征在于，所述系统通过采集船舶外形轮廓图进行二次开发利用。

7.根据权利要求1-5所述的任一系统，其特征在于，所述系统应用于船舶过闸、船舶引航、船舶导航、船舶执法、船舶监管、港口运营、水运物流领域。