CN108847054A - 基于无人机的船舶碰撞预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于无人机的船舶碰撞预警系统，包括：无人机，其上搭载有采集船舶航行数据的监测装置，所述航行数据包括历史轨迹和速度；移动预测器，用于根据对象船舶历史轨迹、速度、当前位置及船舶驶向的目标位置预测船舶下一时刻位置和移动方向，并在二维平面上生成单位时间后船舶的预计轨迹；风险范围生成器，用于根据所述船舶速度和所述预计轨迹生成风险图，所述风险图表示单位时间后对象船舶可能存在的范围和其他船舶进入该范围情况下的危险度；以及风险分析模块，用于根据不同对象船舶的风险图的交叉重合情况判断发生碰撞可能性。本发明用于对船舶的碰撞进行预警，降低港口等船舶密集水域发生碰撞的可能性。
Description
技术领域
本发明属于船舶碰撞预测领域，特别涉及基于无人机的船舶碰撞预警系统。
背景技术
水路运输占地少、基础设施投资低并且运量较大，在我国和国际的贸易中发挥着重要的作用。在我国的内河航运中其平均成本为铁路的4/7，公路的1/10。尽管自2008年以来受到金融风暴的影响，航运业相对低迷，但是依然是运输业不可替代的运输方式。尤其在强调绿色、低碳的环保条约下，水路运输有着其他运输方式所不能比拟的优势。
正因为水路运输的不可替代性，则关注船舶的碰撞时不能缺少的。一旦发生船舶碰撞，往往会造成不可挽回的经济损失、人员伤亡和环境污染。在所有类型的水上交通事故中，碰撞事故时占比例最高的事故之一。例如我国舟山海事局所统计的2008—2012年期间共发生水上交通事故199起，其中碰撞事故119起，占比所有交通事故的60％左右。
因此，对港口等特定水域进行碰撞风险的预警，将水上交通事故发生的可能性降到最低，对于船舶的所有者、运营者、船员等利益相关方面都是十分有意义的。
发明内容
本公开一方面的目的在于提供一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，包括：无人机，其上搭载有采集船舶航行数据的监测装置，所述航行数据包括历史轨迹和速度；移动预测器，用于根据对象船舶历史轨迹、速度、当前位置及船舶驶向的目标位置预测船舶下一时刻位置和移动方向，并在二维平面上生成单位时间后船舶的预计轨迹；风险范围生成器，用于根据所述船舶速度和所述预计轨迹生成风险图，所述风险图表示单位时间后对象船舶可能存在的范围和其他船舶进入该范围情况下的危险度；以及风险分析模块，用于根据不同对象船舶的风险图的交叉重合情况判断发生碰撞可能性。
在上述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，移动预测器计算船舶行进方向的移动预测向量、相对于船舶行进方向的左右方向的移动预测向量、以及所述行进方向的移动预测向量与所述左右方向的移动预测向量的合成向量。
在上述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，所述风险范围生成器以所述航行方向的移动预测向量和所述合成向量的前端为中心生成所述风险图。
在上述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，当船舶的速度高于阈值的情况下，在相对于该船舶航行方向的左右方向上减小所述风险图范围；当船舶的速度低于阈值的情况下，在相对于该船舶航行方向的左右方向上扩大所述风险图范围。
在上述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，将风险范围生成器生成的风险图和风险分析模块判断结果存储在数据存储装器内。
在上述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，将风险范围生成器生成的风险图和风险分析模块判断结果传输到地面控制中心，由地面控制中心对船舶发出无线电示警信号。
本发明一方面的有益效果是：①无人机搭载取像装置进行影像采集工作，拓展了岸上工作人员的可视范围和监测范围；②其可将分析后的碰撞危险度风险图和判断结果以无线传输的方式发送到控制中心，这提高了监测数据传输效率；③由地面控制中心接收碰撞危险风险图和判断结果，对船舶的目前航行状态进行判断并通过通讯系统发出示警信号，人为的引导两艘船舶开展避碰动作。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的基于无人机的船舶碰撞预警系统结构图。
图2是根据本发明的一个实施方式的基于无人机的船舶碰撞预警系统工作流程图。
图3是根据本发明的一个实施方式的风险图。
图4是根据本发明的一个实施方式的预测向量与风险图的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
基于无人机的船舶碰撞预警系统，可对港口或特定水域内的船舶进行实时监控，生成船舶风险图，并根据风险图预测与临近船舶发生碰撞可能性，风险图和碰撞可能性预测结果可传输至地面控制中心，实现对船舶航行状态的实时掌控，并在可能发生碰撞之前通过通讯系统发出示警信号，引导船舶避开障碍。
如图1，碰撞预警系统包括搭载在无人机上的船舶监测装置1、数据存储装器8和CPU(Central Processing Unit:中央处理单元)10，其中CPU 10包括移动预测器4、风险范围生成器5和风险分析模块6。无人机具有通讯定位装置(GPS)9，用于与地面控制中心7建立通信连接，地面控制中心7显示无人机所处的位置，并控制其飞行线路。当然无人机也可只搭载船舶监测装置1，数据存储装器8和CPU 10集成在地面的地面控制中心7，在地面完成数据的处理和存储。
船舶监测装置1可以采用视频摄像装置，例如在无人机上配置两个360度摄像头，互为备用。当本发明的船舶碰撞预警系统应用于港口时，摄像头以规定的时间间隔采集对象船舶的历史状态记录2和目标状态记录3，例如在t-1时刻和时刻t采集信息。历史状态记录2为对象船舶位于港口外时的航行图像信息，目标状态记录3为对象船舶位于港口内时的航行图像信息。然后再根据航行图像信息计算出包括历史轨迹和速度的航行数据。
移动预测器4根据对象船舶历史轨迹、速度、当前位置及船舶驶向的目标位置预测船舶下一时刻位置和移动方向，并在二维平面上生成单位时间后船舶的预计轨迹。船舶驶向的目标位置可以是船舶进港口后要停泊位置，也可以是离开港口时要经过的位置。船舶驶向的目标位置可由地面控制中心反馈给移动预测器4。船舶的位置用坐标信息表示。
船舶的预计轨迹通过以下方式确定：移动预测器4根据对象船舶速度和预测的移动方向计算出对象船舶移动预测向量。移动预测向量包括对象船舶行进方向的移动预测向量、相对于行进方向的左右方向的移动预测向量、以及所述行进方向的移动预测向量与所述左右方向的移动预测向量的合成向量。当船舶的速度越快，则越小的设定左右方向的移动预测向量；当船舶的速度越慢，则越大的设定左右方向的移动预测向量。具体地，可通过设置速度的阈值，对左右方向的移动预测向量长度进行调整，在速度超过阈值的情况下缩短左右方向的移动预测向量的长度，在速度为阈值以下的情况下延长左右方向的移动预测向量的长度。阈值、移动预测向量的倍率等数值可以根据实际需求任意设定。
风险范围生成器5根据对象船舶的速度、预测的移动方向及移动预测向量生成风险图。风险图可表示在当前时刻t的单位时间后的时刻t+1对象船舶可能存在的范围和其他船舶进入该范围情况下的危险度。风险图可采用三维数据，例如用不同的颜色表示临近其他船舶进入风险图范围的情况下的危险度。如图3，可用实线表示风险图的范围，用颜色的深浅表示风险图中不同区域的危险度。在风险图中，危险度越高，则可用越深的颜色表示；危险度越低，可用越浅的颜色表示。
图4为移动预测向量与风险图的关系，风险范围生成器5以对象船舶行进方向的移动预测向量和合成向量的前端为中心确定一个范围(图4中的虚线圆)，以代表风险图中危险度最高的区域，其中所确定范围的半径根据实际应用可以任意设定。风险范围生成器5根据船舶的速度以一定倍率放大危险度最高的区域。
风险分析模块6则对相邻近的船舶在单位时间后是否有碰撞风险进行评估，主要根据不同对象船舶的风险图的交叉重合情况进行判断，交叉重合的面积越大，则存在更大的碰撞可能性。
船舶碰撞预警系统可将风险范围生成器5生成的风险图和风险分析模块6的评估结果存储在数据存储装器8内，并传递给地面控制中心7，由地面控制中心7对搭载碰撞预警系统的无人机的判定结果进行二次审核并决定是否对相关船舶发出示警信号。
Claims (6)
1.一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，包括：
无人机，其上搭载有采集船舶航行数据的监测装置，所述航行数据包括历史轨迹和速度；
移动预测器，用于根据对象船舶历史轨迹、速度、当前位置及船舶驶向的目标位置预测船舶下一时刻位置和移动方向，并在二维平面上生成单位时间后船舶的预计轨迹；
风险范围生成器，用于根据所述船舶速度和所述预计轨迹生成风险图，所述风险图表示单位时间后对象船舶可能存在的范围和其他船舶进入该范围情况下的危险度；以及
风险分析模块，用于根据不同对象船舶的风险图的交叉重合情况判断发生碰撞可能性。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，移动预测器计算船舶行进方向的移动预测向量、相对于船舶行进方向的左右方向的移动预测向量、以及所述行进方向的移动预测向量与所述左右方向的移动预测向量的合成向量。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述风险范围生成器以所述航行方向的移动预测向量和所述合成向量的前端为中心生成所述风险图。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，当船舶的速度高于阈值的情况下，在相对于该船舶航行方向的左右方向上减小所述风险图范围；当船舶的速度低于阈值的情况下，在相对于该船舶航行方向的左右方向上扩大所述风险图范围。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，将风险范围生成器生成的风险图和风险分析模块判断结果存储在数据存储器内。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，无人机将风险范围生成器生成的风险图和风险分析模块判断结果传输到地面控制中心，由地面控制中心对船舶发出无线电示警信号。
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