CN108897272A - 岸端智能监管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岸端智能监管系统，包括：以监管雷达为主，AIS接收器为辅，接收船舶的动态和静态数据；计算主机，包括工控机、船用PLC，渲染主机、数据处理机，对雷达和AIS接收器收到的信息进行预处理、融合，加工为直接可读的三维场景信息；并利用船端回传的驾驶员操作信息，建立数据库、规则库，辅助监管决策；交互式显示终端用于监控和预警系统相关信息的显示，虚拟现实下船舶不同场景的显示；数据传输设备，用于岸端智能监管系统与船端数据通信。本发明的系统打通设备之间的信息联通，实现对航道状态的及时感知和实时监控，显示实时状态，提高了码头监管的感知能力和监管时效，提高通行效率和通畅率。

Description

岸端智能监管系统

技术领域

本发明涉及航海驾驶技术领域，特别是一种面向内河船舶航行安全、码头管理的人工智能岸端在线监管系统。

背景技术

目前，内河码头对船舶的航行安全监管相关项目，主要是以人力监控为主，加强对监管船舶本身的视频监控，无法对过往船舶状态实时精确感知，更无法及时预警，或者在码头或者港口的监管中，岸端管理相对偏少，航行管理主要靠船舶本身；岸端监管和调度与码头在航船舶的联系只能通过电话或手机进行联系，难以对在航船舶进行直观有效的监控；岸端对航道和在航船舶的安全监管技术手段滞后，配套设施欠缺；而在船舶的实际航行中，航道通行的总体效率偏低，主动、智能化的监管和导航欠缺。所以，如何解决对船舶的驾驶行为和通航环境进行全方位的监管，是码头岸端监管行业急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种岸端智能监管系统帮助内河船舶的岸端智能监管，提高航道通行的总体效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

岸端智能监管系统主要包括感知设备、数据传输设备、计算主机和交互式显示终端，感知设备主要由监管雷达、AIS接收器，用于接收船舶动态信息和静态信息。数据传输设备，用于将岸端数据和船端进行互联。交互式显示终端主要包括大屏显示器，用于监控和预警系统相关信息的显示，虚拟现实下船舶不同场景的显示等。

1.岸端监管雷达

监管系统将在监控水域的南岸和北岸分别布设1台雷达设备，确保能够覆盖整个水域，主要功能是获取船舶的动态数据，包括船舶位置、航速、航向、转向角等信息，为监管预警功能的实现提供数据支撑。

作为优选的，两台雷达之间也可以进行数据融合，提升对船舶状态感知的精度。

2.AIS接收器

在监控水域布设AIS接收器，用于接收船舶的AIS动态和静态数据，动态数据包括位置、航速、航向（经度、纬度、船艏向、航迹向）等，静态数据包括船舶尺度、装载状况、目的港等数据。动态数据可以与雷达数据融合，静态数据可以作为雷达数据的有效补充。

作为优选，AIS接收器布设2台，互为热备。

3计算主机

计算主机对雷达和AIS接收器收到的信息进行预处理，融合，加工为直接可读的三维场景信息，并利用船端回传的驾驶员操作信息，建立数据库、规则库，通过机器学习、人工规则设置，对船员的不良驾驶行为进行捕捉、预警，辅助监管决策。同时，岸端计算主机也负责对宏观与微观风险进行预警。计算主机包括工控机、船用PLC，渲染主机、数据处理机。

4交互式显示终端

用于监控和预警系统相关信息的显示，虚拟现实下船舶不同场景的显示等。

5、数据传输设备

数据传输设备是无线网桥或者4G网络，实现岸端对监管船舶的船端视觉共享，特定的针对某一艘船进行监管，并切换目标船的船端视觉。

岸端智能监管系统主要以岸端雷达为主，AIS接收器为辅，组成感知模块，感知模块采集监控区域内在航船舶的航速、航向、尺寸等静态信息和动态信息，监控船舶上安装的船载智能驾驶辅助终端采集监管船舶自身的“舵桨转速、驾控系统、导航系统”的信号，通过数据传输设备传送到计算主机模块，计算主机中的工控机和船用PLC中对采集的数据和状态进行数据融合预处理（工控机和船用PLC组成双机冗余系统，对采集到的信号先进行滤波和异常检测，再通过船用PLC冗余系统平滑的主从切换，错误识别和错误定位，对数据进行实时处理，总结成信息传输给岸端智能监管系统的数据处理机），数据处理机实时汇总所有多源异构的航行信息，并转换进行编码处理，完成归一化处理和汇总输入。渲染主机，通过航区和码头实地拍摄建模，基于监控航区电子航道图生成3D平行仿真航行环境，并进行交通标识数据采集；经过数据处理机处理后的船舶信息和状态再通过平行仿真系统进行平行空间下的标绘、处理，作为认知、避障、监控辅助的基础。渲染主机处理后的信息以3D仿真画面在交互式显示终端实时显示，对于码头或者港口所有监管的船舶，以树立图标形式在交互式助航显示终端列出所有监管船舶的状态和营运情况，实时显示是在航还是停运状态，可方便监管人员观看、分析、预判监管船舶的各类风险情况，方便船舶的调度运营。

进一步的，对风险进行分级处理。根据监控水域交通流复杂程度、水文气象状况、航道状况等，定量评价水域整体风险水平，用0-100表示风险等级，用表盘的形式实时显示风险的变化情况，将风险等级分为绿色、黄色和红色三个等级，通过表盘指针的颜色来区分风险等级。

分级处理后的风险信息和数据又通过数据传输设备传送到船端安装的船载智能驾驶辅助终端中的显示终端，实现岸端和船端人机交互。

进一步的，实际情况下风险预警具有很大的主观性，以及风险场景往往不具备可重复性，系统预警结果与一线监管工作人员的主观判断进行比较来进行，当实际工作人员认为系统的预警结果错误时，将关闭预警，从而可以记录虚假报警的比例。此外，当系统没有报警，但是工作人员认为应当报警时，同样记录下来，进而评价系统的预警成功率。通过统计一定时期内系统的预警成功率和误报警率两个指标来测试系统的性能。

进一步的，外部可接入声光电硬件设备，可以根据需求，提供不同的预警模式，减少驾驶人员的视觉负担。

共享船上视觉。岸端显示视角可以实现船端视角和岸端视角切换，船端视角主要是“前后左右”四个方位的视觉显示，岸端监管视角是俯视视角，通过船舶位置和雷达目标位置匹配，可以识别雷达图像中的在航监控船舶，并编号突出显示。其他船舶正常显示。

当处于船端视角，可以显示监控区域内通航状况，水文环境，船载智能驾驶辅助终端监控到的自身信息及环境信息。环境信息中船舶周边来船，可以获取来船尺寸，航速、航向等信息，尺寸很大的来船突出显示，加强岸端监管人员的注意。岸端发现监控区域通航环境比较拥挤，可通过计算主机，数据传输设备将通航信息传送至监管船舶驾控台上的显示终端，辅助驾驶员驾驶决策。

船端控制监管船舶视觉前、后、左、右四个方位的视角显示，方便全方位的向监管人员显示在航监管船舶船端的信息及存在的风险。

进一步的，交互式显示终端对船型过大，或AIS显示是特种危险船只，重点标识，突出显示以及预警，直观形象的展示出监控水域内的通航环境是否拥挤或者有无碰撞危险，特殊情况是否需要停航等等。

相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）本发明的系统通过打通设备之间的信息联通，实现对航道状态的及时感知和实时监控，显示实时状态，提高了码头监管的实时有效性，并且可以通过态势感知与航运要求，区分识别危险品船及其他高危船舶，合理安排港区进出港的航运任务；及时监管港区船只的航行态势，及时或提前预警港区水上安全形势。

（2）通过建立完整的自身感知与外部环境感知体系，获取全面的基础数据，设计友好的三维显示界面，实现感知系统立体化呈现，提高数据易读性和可视性，降低人员劳动强度和难度。

（3）本发明以岸端雷达为主要的传感器、AIS信息实时显示和跟踪船舶的动态信息，从宏观上监控码头监控区域的通航环境，提前了解航道中的所有船舶，同时通过感知体系获得的航道通航数据，增强了岸端监管的感知能力，根据船舶之间的相对位置和船舶尺度特征，判断船舶是否可能存在感知盲区，并实现声光报警，可以辅助监管人员提前发现碰撞风险，提高船舶航运安全性。

（4）本发明一体化的监控码头区域内所有在航船舶，根据多船会遇态势下的船舶行动意图，实现碰撞风险的预警；为码头监管提供保障，并且可以通过态势感知与渡运要求，合理安排渡运任务。可以实时监控码头的船舶流量，控制船舶进出码头的调度安排，提高了码头管理的效率。解决了过往监管的痛点和难点问题，提升了安全管理的有效性。

（5）不受雨雾等不良天气的影响，提升了安全管理的等级。

（6）岸端计算主机利用船端回传的船载数据，包括船舶自身状态、操纵数据、视频数据、外部环境数据的回传，切换船舶视角，实现在航船舶的集中全方位的监控，补充驾驶员观测的不足，及时发现安全隐患，减少安全事故。

附图说明

图1为本发明的岸端智能监管系统技术示意图。

图2为本发明的岸端智能监管系统硬件架构图。

图3为本发明的岸端智能监管系统软件架构图。

图4为本发明的岸端智能监管系统通航状况显示系统功能示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，岸端智能监管系统是面向航区安全所研发出来的岸端监管人工智能系统，其的主要功能为：在电子航道图、水文气象信息的基础上，利用雷达、AIS接收器等传感器全方位收集环境信息，以及采集船舶的自身状态信息，利用人工智能算法加上信息融合技术、机器学习技术对上述信息进行融合，以统一的三维平行仿真界面，实时向岸端监管人员提供和显示融合结果，提高信息获取的有效性；岸端智能监管系统还根据这些信息，实时进行测距，以及评估碰撞、搁浅、倾覆等风险，并可以根据需求提供分级预警，从而提高航区船舶航行安全性，提升港区或码头水域的安全管理。简而言之，本系统能够提供的主要功能为：

1. 全天候的水上航行环境动态感知和三维动态展示；

2. 在航船舶的数字化动态显示，包括航速、航向和航迹，船舶间的测距等；

3. 岸端全天候、三维动态的实时在线监管，对航区航行船舶的流量监控；

4. 动态实时安全评估与预警；一屏整体式实时监管，降低了工作强度；

5. 大数据收集与存档备查，做好安全管理的实时档案。

岸端智能监管系统，包括监管雷达、AIS接收器、计算主机、交互式显示终端、数据传输设备；

1、监管雷达

监管系统将在监控水域的南岸和北岸分别布设1台监管雷达，确保能够覆盖整个水域，主要功能是获取船舶位置、航速、航向、转向角等信息，为监管预警功能的实现提供数据支撑。两台雷达之间也可以进行数据融合，提升对船舶状态感知的精度。

2、AIS接收器

在监控水域布设1-2台AIS接收器（两台互为热备），用于接收船舶的AIS动态和静态数据，动态数据包括位置、航速、航向等可以与雷达数据融合，静态数据包括船舶尺度、装载状况、目的港等数据可以作为雷达数据的有效补充。

3、计算主机

计算主机对雷达和AIS接收器收到的信息进行预处理，并高度融合，直接加工为直接可读的三维场景信息，并利用船端回传的驾驶员操作信息，建立数据库、规则库，通过机器学习、人工规则设置，对船员的不良驾驶行为进行捕捉、预警。同时，岸端计算主机也负责对宏观与微观风险进行预警。计算主机包含工控机、船用PLC，渲染主机、数据处理机。

4、交互式显示终端

主要为大屏显示器，用于监控和预警系统相关信息的显示，虚拟现实下船舶不同场景的显示等。

5、数据传输设备

包括4G无线通信设备、无线网桥，用于岸端智能监管系统与船端数据通信。

如图2、图3所示，系统主要以岸端雷达为主，AIS接收器为辅，组成感知模块①，感知模块①采集监控区域内在航船舶的航速、航向、尺寸等静态信息和动态信息，监控船舶上安装的船载智能驾驶辅助终端④采集监管船舶自身的“舵桨转速、驾控系统、导航系统”的信号，通过数据传输设备③的无线通信设备传送到计算主机②模块，计算主机中的工控机和船用PLC中，组态软件针对船舶特点编写的专用的处理程序，对采集的数据和状态进行数据融合预处理，工控机和船用PLC组成双机冗余系统，对采集到的信号先进行滤波和异常检测，再通过船用PLC冗余系统平滑的主从切换，错误识别和错误定位，对数据进行实时处理，总结成信息传输给岸端智能监管系统的数据处理机。数据融合预处理后初步达到岸端监管状态，即图3中的“监管系统”。

数据处理机及时汇总所有多源异构的航信信息，并转换进行编码处理，并通过算法处理，完成归一化处理和汇总输入，数据处理机为系统的软件系统提供一个稳定的环境，包含数据的集中传输，不同传感设备通信接口的转换以及通信内容的进行统一编码处理，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程。

渲染主机中，已经通过航区和码头实地拍摄建模，基于监控航区电子航道图生成3D平行仿真航行环境，并进行交通标识数据采集；经过处理后的船舶信息和状态再通过平行仿真系统进行平行空间下的标绘、处理，作为认知、避障、监控辅助的基础。所有信息以3D仿真画面在触屏显示终端⑤实时显示，可方便驾驶员观看、分析、预判监控船舶的各类风险情况，对风险进行分级处理。同时，处理后的信息和数据又通过数据链路传送到船端安装的船载智能驾驶辅助终端④中的显示终端，实现岸端和船端人机交互。

雷达和AIS接收器采集实时信息，不进行数据存储，计算主机进行数据高度融合处理，存储数据，建立数据库和规则库，并使用算法处理，定期更新数据库。这样方便监管人员查看往期监管数据，而且数据定期更新覆盖，减少数据库的冗余。

外部可接入声光电硬件设备，可以根据需求，提供不同的预警模式，减少驾驶人员的视觉负担。

岸端显示视角可以实现船端视角和岸端视角切换，船端视角主要是“前后左右”四个方位的视觉显示，这个必须要监控船舶上安装了“船载智能驾驶辅助终端”才可实现，岸端监管视角是俯视视角，通过船舶位置和雷达目标位置匹配，可以识别雷达图像中的在航监控船舶，并编号突出显示。其他船舶正常显示。

岸端显示视角：可以显示监控区域内通航状况，水文环境，触屏点击监控船舶周边来船，可以方框形式弹出来船尺寸，航速、航向等信息，尺寸很大的来船以特殊醒目的方式标出，加强岸端监管人员的注意。岸端发现监控区域通航环境比较拥挤，可通过计算主机，人机交互，数据链路将通航信息传送至监控船舶驾驶台前端的触屏显示。

船端显示视角：船端以“前、后、左、右”四个方位的视角显示，全方位的向监管人员直观显示在航船舶船端的风险。

如图4所示，本实施例的系统能够实现通航状况监控。系统可以实时显示水域内在航和停泊船舶的静态和动态信息，包括船型、船长、船宽，位置、航向、航速等。岸端监管人员触屏点击来船，方框直观弹出该船的信息。船型过大，或AIS显示是特种危险船只，重点标识，突出显示以及预警，直观形象的展示出监控水域内的通航环境是否拥挤或者有无碰撞危险，特殊情况是否需要停航等等。

根据监控水域交通流复杂程度、水文气象状况、航道状况等，定量评价水域整体风险水平，用0-100表示风险等级，用表盘的形式实时显示风险的变化情况，将风险等级分为绿色、黄色和红色三个等级，通过表盘指针的颜色来区分风险等级。即图3中的动态计算风险态势。

定量评价是岸端监管部门要根据监管目标船舶的类型、尺寸大小和监控区域内的航道情况来人为设定一个阙值。

以载重吨3000吨的内河监管船舶为例，当监控水域水深在4.0M以上，航道直线段大于300M，弯曲半径1200M以上，监管船舶可安全通航，表盘等级40以下为低风险通航环境，绿色指针；外接声光预警硬件，不报警；

当监控水域水深在3.5-4.0M，航道直线段70-250M，弯曲半径870-1200M范围内，监管船舶可通航，表盘等级40-70为中等风险通航环境，黄色指针；外接声光预警硬件，低频率声光闪烁，监管人员加强注意；

监控水域在航船舶密度集中，枯水季节，水位搁浅，当监控水域水深低于3.5M，航道直线段小于70M，弯曲半径小于870M时，监管船舶不适宜通航，不良天气条件下航道狭窄且拥挤，表盘显示70以上，红色指针显示，高频率声光预警。监管人员和在航船舶驾驶人员均提高警惕。

另实际情况下风险预警具有很大的主观性，以及风险场景往往不具备可重复性，系统预警结果与一线监管工作人员的主观判断进行比较来进行，当实际工作人员认为系统的预警结果错误时，将关闭预警，从而可以记录虚假报警的比例。此外，当系统没有报警，但是工作人员认为应当报警时，同样记录下来，进而评价系统的预警成功率。通过统计一定时期内系统的预警成功率和误报警率两个指标来测试系统的性能。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.岸端智能监管系统，其特征在于：包括监管雷达、AIS接收器、计算主机、交互式显示终端、数据传输设备；

监管雷达，接收船舶的动态数据；

AIS接收器，接收船舶的AIS静态数据；

计算主机包括：工控机、船用PLC，渲染主机、数据处理机；计算主机利用船端回传的驾驶员操作信息，建立数据库、规则库；

交互式显示终端用于监控和预警系统相关信息的显示，虚拟现实下船舶不同场景的显示；

数据传输设备，用于岸端智能监管系统与船端数据通信。

2.根据权利要求1所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

监管雷达接收的动态数据包括位置、航速、航向，AIS接收器接收的静态数据包括船舶尺度、装载状况、目的港数据、船名、呼号、吃水；AIS接收器接收的动态数据包括经度、纬度、船艏向、航迹向。

3.根据权利要求1所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

在监控水域的南岸和北岸分别布设雷达设备；AIS接收器布设2台，互为热备。

4.根据权利要求1至3中任一所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

计算主机中的工控机和船用PLC中对采集的数据和状态进行预处理、数据融合，加工为直接可读的三维场景信息；

数据处理机实时汇总所有多源异构的航行信息，并转换进行编码处理，完成归一化处理和汇总输入；

渲染主机，通过航区和码头实地拍摄建模，基于监控航区电子航道图生成3D平行仿真航行环境，并进行交通标识数据采集；经过数据处理机处理后的船舶信息和状态再通过平行仿真系统进行平行空间下的标绘、处理；

渲染主机处理后的信息以3D仿真画面在交互式显示终端实时显示。

5.根据权利要求4所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

计算主机中的工控机和船用PLC中对采集的数据和状态进行预处理、数据融合；工控机和船用PLC组成双机冗余系统，对采集到的信号先进行滤波和异常检测，再通过船用PLC冗余系统平滑的主从切换，错误识别和错误定位，对数据进行实时处理，总结成信息传输给岸端智能监管系统的数据处理机。

6.根据权利要求4所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

根据监控水域交通流复杂程度、水文气象状况、航道状况等，定量评价水域整体风险水平。

7.根据权利要求6所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

评价后的风险水平信息和数据通过数据传输设备传送到岸端安装的显示终端，并同步到船端的船载智能驾驶辅助终端中的显示终端。

8.根据权利要求6所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

交互式显示终端校验评价后的风险水平信息和数据，当认为风险水平评价错误时，作出改正并记录，进而评价系统的预警成功率。

9.根据权利要求6至8中任一所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

岸端智能监管系统外部接入声光电硬件设备。

10.根据权利要求4所述的岸端智能监管系统，其特征在于：

交互式显示终端显示视角实现船端视角和岸端视角切换；

当处于岸端视角，呈现俯视视角，通过船舶位置和雷达目标位置匹配，可以识别雷达图像中的在航监控船舶；

当处于船端视角，显示监控区域内通航状况，水文环境，船载智能驾驶辅助终端监控到的自身信息及环境信息；船端控制船上视觉前、后、左、右四个方位的视角显示。