CN107571965B - 一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，属于船舶与海洋工程技术领域。本发明通过气象预报和船载的传感器，获得船舶所在海域的海洋环境基本信息，利用系统的海洋风浪理论模型，对船舶周围的海洋风浪场进行构建，并利用超级计算机或云计算对船舶运动进行实时模拟，获得船舶运动响应，结合有关的海上作业规范和船舶运动响应，给出海上作业辅助决策信息，辅助决策信息能够通过移动终端实时反馈到船舶上的用户。本发明能够为船舶海上作业方案设计及实施提供辅助决策支持，在作业方案设计阶段就对可能发生的危险情况进行规避或者提前对可能发生的危险情况进行预警，具有广泛的应用市场前景、良好的社会效益和经济价值。

Description

一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统。

背景技术

海洋经济是我国经济的重要组成部分，是我国21世纪重点关注和发展的领域。随着海洋资源的开发利用的逐步深入与一带一路国家重大战略的推进实施，海洋渔业、海洋矿产资源开发、海上运输等活动日益频繁。船舶是人们探索海洋、进行海洋油气与矿产资源开发、海上运输的重要工具，广泛应用于海洋工程中的各个领域。

对于船舶，从设计到全生命周期营运，海洋风浪及其引起的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡等六个自由度运动是影响船舶自身及其海上作业安全的主要因素。对于渔船而言，吨位一般较小，过大的摇荡会导致船舶无法进行作业，甚至发生倾覆，造成人员伤亡和财产损失。对于运输船如油轮、散货而言，在恶劣海况下，过大的横摇运动会导致船舶稳性损失，对航运安全造成极大威胁。对于海洋工程船或者科考船而言，过大的船体摇荡运动会对船载起重作业、母船上潜器的布放回收、海上吊装、采油、钻井、动力定位、船载直升机起飞降落等作业带来严重的威胁。

因此，在作业方案规划与设计、作业实施等各个阶段，有效地对船舶运动进行预报，并结合有关海上作业安全规范，为海上作业提供辅助决策支持是当前船舶营运中迫切需要解决的问题。目前，关于海上作业决策技术及信息服务方面，主要存在两个方面的不足：一是气象预报所提供的海洋环境信息十分粗糙，其空间分辨率远远大于船舶的尺度本身，而且关于海洋风浪的频率特征等信息，并不能够有效提供；二是现有的作业决策依据的是海洋气象信息本身，是一种依赖经验的间接判断方式，关于船体本身的具体运动状态并不知晓。

对此，本发明提出一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，通过气象预报和船载的传感器，获得船舶所在海域的海洋环境基本信息，在此基础上，利用系统的海洋风浪理论模型，对船舶周围的海洋风浪场进行构建，并利用超级计算机或者云计算实现对船舶运动的实时模拟，获得船舶运动响应，最后，结合有关的海上作业规范和船舶运动响应，给出海上作业辅助决策信息，辅助决策信息能够通过移动终端实时反馈到船舶上的用户。

目前，国内外均未有类似或者相同的海上作业决策支持系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能为船舶海上作业提供方案设计及辅助决策支持且能在作业方案设计阶段就对可能发生的危险情况进行规避或者提前对可能发生的危险情况进行预警的基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，包括人机交互模块、海洋气象信息预报模块、船载风浪信息观测模块、海洋环境信息提取模块、海洋风浪场重构模块、船体水动力计算模块、辅助决策模块、深度学习与智能校验模块、系统数据存储模块、移动终端、卫星、超算模块、云计算模块及数据库模块，其具体的实现步骤包括：

(1)用户通过移动终端，提交需求；

(2)系统根据用户需求，从海洋气象信息预报模块获取海洋环境基本信息，同时系统根据船载风浪信息观测模块同步对船舶所在海域的海洋环境信息进行校验分析和动态更新；

(3)利用系统的海洋风浪数值模型，通过海洋风浪场重构模块对船舶周围的海洋风浪场进行构建，并通过船体水动力计算模块在超算模块或者云计算模块中对船舶水动力性能进行实时模拟，获得船舶运动响应信息；

(4)结合有关的海上作业规范，给出海上作业辅助决策信息，并通过深度学习与智能校验模块的分析修正决策辅助信息，通过移动终端实时反馈到用户。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，所述的人机交互模块通过操作移动终端上开发的APP或者直接发送文字消息的形式实现。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，步骤(1)中所述的用户需求包括两个层面，一是作业前的实施计划或者实施方案评估，二是作业过程中的安全监测与预警。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，步骤(2)中所述的海洋气象信息预报模块根据用户提交的需求向气象预报部门获取海域环境信息；所述的船载风浪信息观测模块主要包括测量风速和测量海浪的装置，其测量数据经海洋环境信息提取模块进行特征提取后，通过卫星发送到系统计算中心。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，步骤(3)中所述的海洋风浪场重构模块通过综合考虑船舶所在海域的海洋风浪历史统计规律、气象预报中心的海洋环境预报信息、船载海洋环境测量参数，建立船舶所在海域的波浪场数值模型，为船舶运动响应数值模拟提供环境输入。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，步骤(3)中所述的船体水动力计算模块通过海洋风浪场重构模块提供的海洋风浪模拟环境在超算模块或云计算模块上对船舶水动力性能进行仿真；

其中，船体水动力计算模块中包括船舶水动力学计算模型，具体包括切片方法、二维半方法、三维势流方法和粘性计算流体力学方法。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，步骤(4)中所述的深度学习与智能校验模块根据仿真的运动响应和海上安全作业规范得到辅助决策信息，并对得到的决策信息进行校验，之后通过移动终端向用户提供信息服务。

对于一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，所述的深度学习与智能校验模块向移动终端发送决策信息后继续收集决策应用情况信息，通过决策应用情况信息对系统进行深度学习模块的训练，提高系统后续决策的准确性和智能程度；

其中，决策应用情况信息包括系统提供的辅助决策信息的误差率及误差原因。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统利用海洋气象预报、波浪理论和船舶水动力学，通过超算实现船舶运动响应的实时模拟，并通过移动终端反馈给用户，能够在作业方案设计阶段就对可能发生的危险情况进行规避或者提前对可能发生的危险情况进行预警。

相比于传统的依靠粗糙的海洋气象信息进行决策的方法，本发明所提供的决策信息精度更高；同时，本发明可用于渔船、工程船、运输船等各类船舶，适用范围广。

随着海洋作业日益增多和一带一路国家重大战略的推进，海洋作业安全的重要性日益凸显，海上作业决策信息服务的需求日益迫切，因此，本发明具有广泛的应用市场前景、良好的社会效益和经济价值。

附图说明

图1为本发明一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统的结构组成及工作流程示意图；

图2为本发明一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统的信息交互流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，包括人机交互模块1、海洋气象信息预报模块2、船载风浪信息观测模块3、海洋环境信息提取模块4、海洋风浪场重构模块5、船体水动力计算模块6、辅助决策模块7、深度学习与智能校验模块8、系统数据存储模块9、移动终端10、卫星11、超算模块12、云计算模块13及数据库模块14，其具体的实现步骤包括：

(1)预先建立用户档案，包括船舶的类型、主尺度参数、三维计算模型等主要信息；

(2)在人机交互模块1，用户通过移动终端10，通过登录系统终端APP或者发送短信消息的形式，向系统提供作业决策需求；

其中，第一种需求是作业前的实施计划或者实施方案评估；例如，渔船或者工程船可以在出海打渔或海上施工之前，向系统提交作业的地点、途径的航线、作业的计划等基本信息，从系统获取作业计划的安全评估决策信息；

第二种需求是作业过程中的安全监测与预警；例如，渔船或者工程船在海上作业的过程中，可通过移动终端实时向系统提交需求，系统实时地对未来一段时间(几十分钟到数小时不等)的作业安全进行评估，提供决策信息和安全预警服务，提前做好危险防范和规避人员财产损失。

(3)系统根据用户提供的作业类型、作业海域、作业初步规划等基本信息，通过海洋气象信息预报模型2获取海洋环境基本信息，构建船舶周围的海洋风浪场。而在允许的条件下，系统会同步基于船载风浪信息观测模块3对船舶所在海域的海洋环境信息进行校验分析和动态更新。

(4)在步骤(3)的基础上，利用海洋风浪场重构模块5，对船体周围的海洋风浪进行模拟仿真，用于后续船舶水动力响应计算的输入。

海洋风浪场的重构利用了大尺度海洋环境模拟与精细尺度海洋环境模拟的耦合技术，将大尺度海洋环境气象预报作为精细尺度海洋风浪环境模拟的边界和初始条件，并根据模拟海域的风浪统计概率特征，利用波浪理论，实现船体周围波浪场的精细化模拟。

(5)船体水动力计算模块6在步骤(4)的基础上，利用超级计算机或者云计算实现对实尺度船舶水动力性能进行实时模拟，给出船舶的运动响应信息；数值仿真所采用的水动力方法包括切片法、二维半、三维势流方法和三维粘流方法；根据船舶类型和作业需求的不同，采用的水动力方法也有所差异。

(6)系统结合有关的海上作业规范、国家标准、国际标准，针对具体作业类型，给出初步的海上作业辅助决策信息，并通过系统深度学习与智能校验模块8进行进一步的分析与修正，通过移动终端10实时向用户提供系统的辅助决策信息。

(7)为了更好地为用户提供全生命周期的海上作业决策支持服务，系统深度学习与智能校验模块8还负责在事后收集决策应用情况信息，包括系统提供的辅助决策信息的误差率、误差原因等后验数据，用于系统深度学习模块的训练，以提高系统后续决策的准确性和智能程度；系统所采用的深度学习模型主要采用具有监督功能的多层反馈神经网络。

结合图1，步骤(1)-(7)为本发明所提供的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统的具体实现流程，其中，涉及到的信息交互流程如图2所示。

用户的需求信息通过移动终端10发送到卫星11，卫星信号经由信号接收塔18中转后通过Web服务器15和实时通讯服务器16进入以太网17。系统根据用户信息需求，将有关数据存储到数据库14中，并向超算模块12或者云计算模块13分配计算任务，进行海洋环境和船舶运动响应的模拟仿真。而在系统计算完成后，系统提供的辅助决策信息将通过“以太网17-实时通讯服务器16-信号接收塔18-卫星11-用户移动终端10”的信息链实时反馈到用户。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于，包括人机交互模块、海洋气象信息预报模块、船载风浪信息观测模块、海洋环境信息提取模块、海洋风浪场重构模块、船体水动力计算模块、辅助决策模块、深度学习与智能校验模块、系统数据存储模块、移动终端、卫星、超算模块、云计算模块及数据库模块，其具体的实现步骤包括：

(1)用户通过移动终端，提交需求；

(2)系统根据用户需求，从海洋气象信息预报模块获取海洋环境基本信息，同时系统根据船载风浪信息观测模块同步对船舶所在海域的海洋环境信息进行校验分析和动态更新；

(3)利用系统的海洋风浪数值模型，通过海洋风浪场重构模块对船舶周围的海洋风浪场进行构建，并通过船体水动力计算模块在超算模块或者云计算模块中对船舶水动力性能进行实时模拟，获得船舶运动响应信息；

(4)结合有关的海上作业规范，给出海上作业辅助决策信息，并通过深度学习与智能校验模块的分析修正辅助决策信息，通过移动终端实时反馈到用户。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：所述的人机交互模块通过操作移动终端上开发的APP或者直接发送文字消息的形式实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：步骤(1)中所述的用户需求包括两个层面，一是作业前的实施计划或者实施方案评估，二是作业过程中的安全监测与预警。

4.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：步骤(2)中所述的海洋气象信息预报模块根据用户提交的需求向气象预报部门获取海域环境信息；所述的船载风浪信息观测模块主要包括测量风速和测量海浪的装置，其测量数据经海洋环境信息提取模块进行特征提取后，通过卫星发送到系统计算中心。

5.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：步骤(3)中所述的海洋风浪场重构模块通过综合考虑船舶所在海域的海洋风浪历史统计规律、气象预报部门的海洋环境信息、船载海洋环境测量参数，建立船舶所在海域的海洋风浪数值模型，为船舶运动响应数值模拟提供环境输入。

6.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：步骤(3)中所述的船体水动力计算模块通过海洋风浪场重构模块提供的海洋风浪模拟环境在超算模块或云计算模块上对船舶水动力性能进行仿真；

其中，船体水动力计算模块中包括船舶水动力学计算模型，具体包括切片方法、二维半方法、三维势流方法和粘性计算流体力学方法。

7.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：步骤(4)中所述的深度学习与智能校验模块根据仿真的运动响应和海上安全作业规范得到辅助决策信息，并对得到的辅助决策信息进行校验，之后通过移动终端向用户提供信息服务。

8.根据权利要求1所述的一种基于移动终端的船舶海上作业辅助决策支持系统，其特征在于：所述的深度学习与智能校验模块向移动终端发送辅助决策信息后继续收集决策应用情况信息，通过决策应用情况信息对系统进行深度学习模块的训练，提高系统后续决策的准确性和智能程度；

其中，决策应用情况信息包括系统提供的辅助决策信息的误差率及误差原因。