CN108281043B - 一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法，包含：信息采集与录入模块用于采集本船周边的船舶的动态信息和碍航物静态信息并向外传输；碰撞风险测度模块用于根据船舶的动态信息和碍航物静态信息，获得风险测度的结果；基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块用于根据接收到的船舶的动态信息和碍航物静态信息进行碰撞风险预警；综合碰撞风险预警模块用于对单一模式测量信息碰撞风险预警模块得到的各预警信息进行综合处理，获得最终的碰撞风险预警信息；预警信息远程传输模块用于将所述最终的碰撞风险预警信息远程传输给岸基管理机构。本发明具有直观和有效地向船舶值班人员提供船舶碰撞预警信息的优点。

Description

一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法

技术领域

本发明涉及航海科学技术领域，特别涉及一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法。

背景技术

船舶碰撞事故带来的后果极为严重，船舶碰撞属于高风险事件，船舶船舶碰撞事故引起社会的高度关注。特别是对于港口作业船舶，其作业区域主要集中在港口、航道或沿岸海域。而这类水域大多存在航道狭窄，船舶操纵空间受限，碰撞危险大。水深受限，浅水效应明显，影响船舶操纵能力。受潮汐影响，高峰时期船舶密度较大，在局部时间和区域形成船舶密集区，并随潮水整体推进，船舶操纵、碰撞难度增大。通航船舶类型复杂，尤其是小型船舶，船员素质低、船舶性能不良，船员操船技能、遵守规则的意识较差，操纵随意，容易发生碰撞险情。

船舶驾驶员在值班过程中，除了控制船舶车和舵，还需要负责通信、瞭望等，任务繁重，极易诱发人为因素导致的事故。而对于港口作业船舶等操纵性能优良的船舶，若能够对船舶的碰撞险情进行预警，则可以避免船舶碰撞事故的发生。

为有效避免或减少船舶碰撞事故的发生，有必要对船舶的避碰预警技术和设施设备进行研究，以便为船舶驾驶员提供有效的预警信息，避免船舶碰撞事故的发生，维护船舶航行安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法，可以直观和有效地向船舶值班人员提供船舶碰撞预警信息，破解船舶碰撞预警难题，实现避免船舶碰撞事故的发生的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种船舶碰撞风险预警系统，包含：

设置在船舶上的信息采集与录入模块，碰撞风险测度模块，碰撞风险预警模块和预警信息远程传输模块。所述信息采集与录入模块用于采集本船周边的船舶的动态信息和碍航物静态信息并向外传输。碰撞风险测度模块用于根据船舶的动态信息和碍航物静态信息，分别采用基于TCPA/DCPA的碰撞风险测度模型和测距信息的碰撞风险测度模型，获得风险测度的结果。碰撞风险预警模块包括基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块和综合碰撞风险预警模块。其中，所述基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块用于根据接收到的船舶的动态信息和碍航物静态信息进行碰撞风险预警。所述综合碰撞风险预警模块用于对单一模式测量信息碰撞风险预警模块得到的各预警信息进行综合处理，获得最终的碰撞风险预警信息。所述预警信息远程传输模块用于将所述最终的碰撞风险预警信息远程传输给岸基管理机构。

优选地，所述船舶的动态信息和碍航物静态信息包括AIS信息、雷达探测信息、超声波测距信息、激光测距信息和视频监测信息。

优选地，分别以所述船舶的船首和船尾为中心，对周边水域进行扇区划分，所述测距信息的碰撞风险测度模型如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，D_min,i为第i个扇区内激光传感器返回的最小测量值，D_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

优选地，所述基于DCPA/TCPA的碰撞风险测度模型如下所示：定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0，100]，TCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，TCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值；DCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，DCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

本发明另一个技术方案为一种利用如上文所述的船舶碰撞风险预警系统的预警方法，包含以下过程：

步骤S1、启动系统，实时检测传感器的工作状态，进入步骤S2；

步骤S2、判断传感器的工作状态，若传感器工作异常，转入步骤S9；若传感器正常工作，则进入步骤S3；

步骤S3、周期性采集船舶动态信息和碍航物静态信息；

步骤S4、将采集到的船舶动态信息和碍航物静态信息进行信息融合处理；

步骤S5、根据船舶碰撞风险测度模型，结合经融合处理的船舶动态信息和碍航物静态信息，对船舶进行实时碰撞风险的测度；

步骤S6、将上述风险测度结果进行记录，并存储到拖轮碰撞风险测度记录数据库中；

步骤S7、将上述风险测度结果在系统界面上进行显示，根据不同的风险测度值，生成预警信息并进行高风险状态的视觉和声响预警；

步骤S8、将上述预警信息远程传输给岸基管理机构；

步骤S9、结束。

优选地，所述船舶碰撞风险测度模型包括基于测距信息的碰撞风险测度模型，分别以所述船舶的船首和船尾为中心，对周边水域进行扇区划分，所述基于测距信息的碰撞风险测度模型如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，D_min,i为第i个扇区内激光传感器返回的最小测量值，D_A,i为第i个扇区的预警阈值，为Ri划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

优选地，所述船舶碰撞风险测度模型包括基于DCPA/TCPA的碰撞风险测度模型，具体如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0，100]，TCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，TCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值；DCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，DCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

本发明具有以下优点：

本发明可以直观和有效地向船舶值班人员提供船舶碰撞预警信息，破解船舶碰撞预警难题，避免船舶碰撞事故的发生。

(1)数据采集段丰富，系统环境适应性强，监测范围广，低漏警率。本发明采用AIS船载设备、航海雷达、超声波测距、激光测距和视频监测等信息采集手段，最大限度的利用各设备的优势，规避单一测量手段的缺陷，可以适应能见度不良等恶劣海况下的数据采集，又可以对近距离雷达盲区的小物标进行检测，具有环境适应性高，监测范围广，监测效果优良的优势。

(2)采用扇区划分，碰撞风险预警的针对性和合理性高。本发明充分考虑不同方位物标对本船的影响程度的差异，进行空间扇区划分，设定差异性的预警标准。

(3)可视化显示，友好的人机交互。本发明探测的物标和预警物标均能够在电子海图上进行显示，方便用户直观的了解物标的相对位置。

(4)风险测度科学。考虑船舶安全能量的空间辐射，建立了基于势场原理的碰撞风险预警模型，充分反映了船舶碰撞安全风险随距离的非线性变化。

附图说明

图1本发明一种船舶碰撞风险预警系统的功能设计示意图；

图2本发明一种船舶碰撞风险预警系统的系统架构示意图；

图3本发明一种船舶碰撞风险预警系统的基本组成框架示意图；

图4本发明一种船舶碰撞风险预警系统的工作流程图；

图5本发明一种船舶碰撞风险预警系统的预警扇区划分示意图；

图6本发明的单船碰撞风险场强示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明一种船舶碰撞风险预警系统，包含：设置在船舶上的信息采集与录入模块，碰撞风险测度模块，碰撞风险预警模块和预警信息远程传输模块。

所述信息采集与录入模块用于对本船周边的船舶的动态信息和碍航物等静态信息的采集并向所述碰撞风险测度模块传输。上述信息包括AIS信息、雷达(ARPA)探测信息、超声波测距信息、激光测距信息和视频监测信息。碰撞风险测度模块用于根据船舶的动态信息和碍航物静态信息，分别采用基于TCPA/DCPA的碰撞风险测度模型和测距信息的碰撞风险测度模型，获得风险测度的结果。

碰撞风险预警模块包括基于单一测量模式信息的碰撞风险预警、动态规则推理预警和综合碰撞风险预警模块。其中，基于单一测量模式信息的碰撞风险预警模块用于根据接收到的AIS信息、超声波测距信息、雷达探测信息、视频监测信息等单一模式测量信息进行碰撞风险预警。综合碰撞风险预警模块用于对各单一模式下的预警信息进行综合处理，获得最终的碰撞风险预警信息。

所述预警信息远程传输模块用于利用现代信息传输技术实现将上述最终的碰撞风险预警信息远程传输给岸基管理机构。

在本实施例中，将船舶碰撞风险预警系统平台分为图2所示的五层结构，从下至上分别为：感知层(SL)、传输层(TL)、数据层(DL)、业务层(BL)、用户层(UL)。

五个层次中，系统主要功能和业务都在业务层进行处理。五层体系的应用程序将业务规则、数据访问、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。通常情况下，客户端不直接与数据库进行交互，而是通过COM/DCOM通讯与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互。

(1)用户层

位于最外层(最上层)，离用户最近。用于显示数据和接收用户输入的数据，为用户提供一种交互式操作的界面。

(2)业务层

业务层是系统架构中体现核心价值的部分。它的关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计。业务层在体系架构中的位置很关键，它处于数据层与表示层中间，起到了数据交换中承上启下的作用。由于层是一种弱耦合结构，层与层之间的依赖是向下的，底层对于上层而言是“无知”的，改变上层的设计对于其调用的底层而言没有任何影响

(3)数据层

数据访问层：有时候也称为是持久层，其功能主要是负责数据库的访问，可以访问数据库系统、二进制文件、文本文档或是XML文档。

(4)传输层

传输层的主要任务是数据通信，它是通信子网和资源子网的接口和桥梁，起到承上启下的作用。

(5)感知层

感知层由各种类型的传感器等数据采集设备以及相应的数据接口组成。应用物联网感知技术和手段，实现对船舶动、静态信息等船舶要素的全面感知，并通过多种接入方式将感知的信息传输到数据传输层。

具体到系统的设备，如图3所示，包括用于信息采集的船载AIS接收机、船载、毫米波和激光雷达、激光测距传感器、超声波测距传感器、双目视觉测距仪等信息采集设备，用于信息处理的系统显示与控制终端、用于预警判别和预警响应的声光报警装置、用于将碰撞风险预警信息远程传输给远程监控中心的风险远程数据传输装置。

如图4所示，本发明的工作流程包含：

步骤S1、启动系统，实时检测传感器的工作状态，进入步骤S2；

步骤S2、若传感器工作异常，转入步骤S9。若传感器正常工作，则计入步骤S3；

步骤S3、周期性的执行船舶动态信息的采集任务。

步骤S4、系统将采集到的船舶动态信息进行信息融合处理；

步骤S5、根据船舶碰撞风险测度模型，结合经融合处理的船舶动态信息，对船舶进行实时碰撞风险的测度。

步骤S6、将上述风险测度结果进行记录，并存储到拖轮碰撞风险测度记录数据库中。

步骤S7、将完成基于多模式测量的碰撞风险测度和综合碰撞风险测度结果在系统界面上的显示，根据不同的风险测度值，进行高风险状态的视觉和声响预警。

步骤S8、将上述预警信息远程传输给岸基管理机构。

步骤S9、结束。

所述步骤S5中的船舶碰撞风险测度模型包括基于测距信息的碰撞风险测度模型和基于DCPA/TCPA的碰撞风险测度模型。

所述步骤S5.1、建立基于测距信息的碰撞风险测度模型；

引入激光测距技术对船舶周边环境进行高精度测量，探测可能威胁拖船正常航行的海上目标。作为对激光测距探测范围小的补充，引入激光测距技术对船舶周边近距离环境进行测量，探测船舶周边的活动目标。利用模式识别技术提取船舶周边的船舶特征，基于双目视觉计算船舶与周边船舶的距离。在采集测距信息的基础上，建立基于测距信息的碰撞风险测度模型，分别以船舶(本船)船首和船尾为中心，对周边水域进行扇区划分，如图5所示。

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，D_min,i为第i个扇区内激光传感器返回的最小测量值，D_A,i为第i个扇区的预警阈值。为Ri划分不同的预警值，则可以进行不同级别的报警。

所述步骤S5.2、建立基于DCPA/TCPA的碰撞风险测度模型；

船舶碰撞风险影响因素主要有DCPA、TCPA、本船与目标船距离、本船与目标船相对速度、目标船方位、目标船舷角等。其中DCPA与TCPA是影响船舶碰撞风险最主要的因素，可以反映两船的距离、相对速度、方位及其变化率等，DCPA和TCPA值越小，碰撞风险越大。目前，对船舶碰撞风险的研究大多取DCPA与TCPA作为参数。在多数的碰撞事故中，本船与目标船距离、本船与目标船相对速度两个参数能给驾驶员有对碰撞风险更直观的感受。因此，选择DCPA和TCPA作为船舶碰撞模型参数。

AIS信息中含有船舶动态信息，利用其中的船舶位置数据、航速、航向、转向率等信息可以预测船舶会遇时间和会遇距离，预测船舶的碰撞风险。为更好地发现识别未配备AIS设备的船舶或AIS设备未处于正常工作状态的船舶及对船舶与此类船舶的碰撞风险进行预警。以船载雷达信息为基础，建立基于雷达的船舶碰撞测度模型。

(1)DCPA/TCPA的计算

设λ₀、λ_t、

分别为会遇两船位置的经度、纬度，D_λ、D_t分别为两船位置之间的经度差和纬度差。

则目标船相对于本船的真方位BT(°)为：

B_T＝arctan(D_λ/D_M)+τ (3)

式(4)中：D_T为两船间距离(n mile)。

式(5)中：D_M为目标船与本船之间的纬度渐长率差。

式(6)中：τ为圆周方位调节参数(°)。

式(7)中，

为纬度渐长率。

设V₀、V_t、C₀、C_t分别为本船和目标船的航速(kn)、航向(°)。V_0x、V_tx、V_0y、V_ty分别表示本船和目标船在x，y轴上的分量，可得：

式(9)—(11)中：V_R为目标船的相对运动速度(kn)；C_R为相对运动航向(°)；β为圆周航向调节参数(°)。

DCPA＞0表示其他船过本船的船首，DCPA＜0表示其他船过本船的船尾。TCPA≥0表示其他船与本船正相互接近，当TCPA＜0表示其他船已经过了与本船最近会遇点。

DCPA＝D_Tsin(α) (12)

α＝|C_R-B_T+180| (14)

式(12)-式(14)中：α为相对运动线与其他船方位线之间的夹角(°)。

DCPA取值大于0，仅表示两船的最小会遇距离值，TCPA取值区分正负值，以反映两船是否已通过了最近会遇点，所以对式(14)计算出的α值进行处理得：

(2)基于DCPA/TCPA的碰撞风险测度模型

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，TCPAmin,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，TCPAA,i为第i个扇区的预警阈值。DCPAmin,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，DCPAA,i为第i个扇区的预警阈值。为R_i划分不同的预警值，则可以进行不同级别的报警。

本申请还包括电子海图显示模块，数据采集与解析，数据处理等。

关于电子海图模块包括：定义数据管理类(CENLData)、海图绘制类(CENLRender)、绘制参数管理类(S52MarineParam)三个类用于管理海图数据和海图绘制。

关于数据采集与解析包括：基于USB和RS-485的数据采集与NMEA信号解析实现。

目前船载重要的主导航设备设备仍然使用RS-485接口界面设计，采用USB到RS-485转换实现PC机与RS-485设备之间的数据传输。NMEA信号是指接收来自外部设备发送过来的符合NMEA0183标准协议的语句。比如：GPS、AIS、ARPA跟踪数据等。当NMEA信号解析模块完成一条语句解析后会通知listener,并将解析结果通过接口函数通知给用户。客户端可以通过AddListener来注册一个监听器。Receive接口函数中，会将信号类型和属性值返回给客户端。

关于数据处理包括：依据前述建立的预警测度和预警模型，进行相应数据处理功能的实现。

系统控制与显示平台是系统的核心部分，承载船舶碰撞风险预警软件系统的运行。各主导航设备通过接口与系统控制与显示平台进行连接和数据交互。系统控制与显示平台采用具有触摸屏的平面电脑，系统核心为前述系统软件。

本着最大限度利用现有船载设备的原则，开发的船舶碰撞风险预警原型系统由控制和显示终端(平板电脑)、雷达ARPA(提供物标跟踪数据和罗经数据)、AIS终端(提供物标数据和本船船位、航迹向等GPS数据)、激光测距传感器、超声波测距传感器、双目视觉测距仪等共同连接组成。

如图6所示，以预警距离400米为例说明本发明所能达到的预警效果，将物标(他船)视为对本船辐射碰撞能量，辐射的大小随空间位置而异，如对于某扇区，设定其预警阈值为400米，将400米外的物标碰撞风险视为0，400米范围内，物标(他船)与本船的碰撞风险随与本船距离的接近而增加，风险辐射强度和距离本船的位置成反比。

发明人在海港49拖轮上进行了船舶碰撞预警及监控系统的效能测试，取得了优异的效果，测试结果表明船舶碰撞预警及监控系统的有效性和可靠性均达到设计预期。具体测试情况分析如下：

共计监测了包括15艘进口船和27艘出口船的42艘船舶，雷达捕获到了全部目标并进行有效跟踪，本系统对于雷达捕获的目标进行了有效接收和显示，42艘船舶中配备有AIS的船舶有29艘，本系统对于AIS接收到的目标进行了有效接收和显示。在此基础上，进行了有效跟踪，其中14艘存在碰撞危险，本系统及时发出碰撞报警提醒驾驶员。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种船舶碰撞风险预警系统，其特征在于，包含：

设置在船舶上的信息采集与录入模块，碰撞风险测度模块，碰撞风险预警模块和预警信息远程传输模块；

所述信息采集与录入模块用于采集本船周边的船舶的动态信息和碍航物静态信息并向外传输；

碰撞风险测度模块用于根据船舶的动态信息和碍航物静态信息，分别采用基于TCPA/DCPA的碰撞风险测度模型和测距信息的碰撞风险测度模型，获得风险测度的结果；

分别以所述船舶的船首和船尾为中心，对周边水域进行扇区划分，所述测距信息的碰撞风险测度模型如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，D_min,i为第i个扇区内激光传感器返回的最小测量值，D_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警；

所述基于TCPA/DCPA的碰撞风险测度模型如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0，100]，TCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，TCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值；DCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，DCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警；

碰撞风险预警模块包括基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块和综合碰撞风险预警模块；

其中，所述基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块用于根据接收到的船舶的动态信息和碍航物静态信息进行碰撞风险预警；

所述综合碰撞风险预警模块用于对单一模式测量信息碰撞风险预警模块得到的各预警信息进行综合处理，获得最终的碰撞风险预警信息；

所述预警信息远程传输模块用于将所述最终的碰撞风险预警信息远程传输给岸基管理机构。

2.如权利要求1所述的船舶碰撞风险预警系统，其特征在于，

所述船舶的动态信息和碍航物静态信息包括AIS信息、雷达探测信息、超声波测距信息、激光测距信息和视频监测信息。

3.一种利用如权利要求1～2中任意一项所述的船舶碰撞风险预警系统的预警方法，其特征在于，包含以下过程：

步骤S1、启动系统，实时检测传感器的工作状态，进入步骤S2；

步骤S2、判断传感器的工作状态，若传感器工作异常，转入步骤S9；若传感器正常工作，则进入步骤S3；

步骤S3、周期性采集船舶动态信息和碍航物静态信息；

步骤S4、将采集到的船舶动态信息和碍航物静态信息进行信息融合处理；

步骤S5、根据船舶碰撞风险测度模型，结合经融合处理的船舶动态信息和碍航物静态信息，对船舶进行实时碰撞风险的测度；

步骤S6、将上述风险测度结果进行记录，并存储到拖轮碰撞风险测度记录数据库中；

步骤S7、将上述风险测度结果在系统界面上进行显示，根据不同的风险测度值，生成预警信息并进行高风险状态的视觉和声响预警；

步骤S8、将上述预警信息远程传输给岸基管理机构；

步骤S9、结束。

4.如权利要求3所述船舶碰撞风险预警系统的预警方法，其特征在于，所述船舶碰撞风险测度模型包括基于测距信息的碰撞风险测度模型，

分别以所述船舶的船首和船尾为中心，对周边水域进行扇区划分，所述基于测距信息的碰撞风险测度模型如下所示：

定义第i扇区的船舶碰撞危险度为:

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0,100]，D_min,i为第i个扇区内激光传感器返回的最小测量值，D_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

5.如权利要求3所述的船舶碰撞风险预警系统，其特征在于，所述船舶碰撞风险测度模型包括基于TCPA/DCPA的碰撞风险测度模型，具体如下所示：定义第i扇区的船舶碰撞危险度为

式中：R_i为碰撞危险度，其值域为[0，100]，TCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，TCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值；DCPA_min,i为第i个扇区内TCPA最小计算值，DCPA_A,i为第i个扇区的预警阈值，为R_i划分不同的预警值，进行不同级别的报警。

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