CN109084747A - 基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，包括：感知模块，用于采集船舶行驶过程中的航行信息，并进行预处理；数据融合模块，用于将预处理后的航行信息实时的通过信息融合技术进行处理，并将融合后的数据实时的传输进通用三维引擎中；全景三维显示模块，包括用于显示船舶及其实时位置的三维航道仿真模型；实时航道模拟模块，识别航道里的船只及障碍物，并实时显示在三维航道仿真模型中；路径规划模块，用于根据实时航行信息规划导航路径；危险预警模块，在船舶距离危险物体较近时，自动发出警报。本发明的有益效果是：便于船员了解航道实际情况；克服了信息拥堵、数据爆炸和驾驶员的信息迷茫的问题。

Description

基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统及方法

技术领域

本发明涉及航海导航技术领域，具体涉及一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统及方法。

背景技术

随着信息化技术的发展，GPS，AIS，电子海图，VTS雷达和北斗监控等一系列航海保障现代化设备的应用，不仅推动了航海保障现代化、高科技化的发展，还为船岸交互带来极大的方便。

但是这些技术的使用也给海事相关人员带来一系列问题。以当前主要的三种海事监管手段VTS雷达、AIS和北斗监控为例，其中雷达是最主要的主动监控手段，其扫描结果实时性好、精确度高，但是无法判断扫描出来的物体的种类、船型、船名等具体属性；AIS和北斗监控得到的都是来自船舶上所携带设备的回传数据，数据较为准确，但是这需要被监管船舶的配合，同时也受传输频率、信号衰减、物理盲区等问题的限制。因此，为了提高船舶监控力度和导航系统的安全性，航业相关人员必须结合各类监控信息的优势，互相佐证，达到监控系统整体性能的提高。

当前的船用导航与避碰设备都是基于二维平面的，操作员在联想转换的过程中容易发生错误，与实际场景不相符。因此，设计一种水上交通全景三维导航系统来辅助船员进行驾驶，防止碰撞事件的发生，提高船舶航行安全性是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统及方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，包括：

感知模块，用于采集船舶行驶过程中的航行信息，并对获取的航行信息进行预处理；

数据融合模块，与通用三维引擎连接，用于将预处理后的航行信息实时的通过信息融合技术进行处理，并将融合后的数据实时的传输至通用三维引擎中；

全景三维显示模块，与通用三维引擎连接，包括用于显示船舶及其实时位置的三维航道仿真模型；

实时航道模拟模块，与通用三维引擎连接和全景三维显示模块相连，用于根据航行信息识别航道里的船只及障碍物，并实时显示在三维航道仿真模型中；

路径规划模块，通用三维引擎和全景三维显示模块相连，用于根据实时航行信息规划导航路径；

危险预警模块，与通用三维引擎相连接和全景三维显示模块相连，在船舶距离危险物体较近时，自动发出警报。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述航行信息包括船舶航行环境的水文气象信息、船舶靠泊状态信息、水深数据、AIS数据、雷达数据和GPS位置信息。

进一步，所述数据融合模块先将感知模块采集到的多源异构的航行信息及时的汇总，并通过人工智能算法处理，完成不确定性信息识别、多源异构信息归一化处理和汇总输入，再通过平行仿真系统进行平行空间下的标绘、处理。

进一步，所述全景三维显示模块还包括系统界面显示，三维航道仿真模型由通用三维引擎根据实地调研获取模拟水域通航要素信息和实地拍摄视景数据构建而成，三维航道仿真模型在二维航道图的基础上，增加海图数据层和水下地形三维图层的数据，并实现水陆图层之间的无缝连接，通用三维引擎实时将从数据融合模块接收到的船舶位置数据转化为在三维航道仿真模型中的船舶坐标，然后实时将船舶及其周围的三维仿真图像显示于系统界面显示上。

进一步，所述实时航道模拟模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并根据接收到的航行信息，将感知模块检测到的其他船只、障碍物的位置转化为三维航道仿真模型中的坐标，并在系统界面显示上实时的显示其他船只及障碍物的图像，系统界面显示中显示的其他船只及障碍物的图像位置会随感知模块检测到的实际其他船只及障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的三维航道仿真模型坐标上移动。

进一步，所述路线规划模块与通用三维引擎和三维航道模型相连，在系统界面选定目标位置，路线规划模块从系统界面获取到选定的目标位置，自动根据三维航道仿真模型和实时传输入通用三维引擎的数据规划从船舶所在位置到目标位置的最优航行路线，然后将规划的路线在系统界面显示的三维航道仿真模型中呈现，当在系统界面重新选定目标位置时，路线规划模块会立即再次进行路线的规划。

进一步，所述危险预警模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并从航行信息中提取出障碍物位置信息，在本船距离障碍物过近时，会让系统界面显示上相应障碍物的三维仿真体进行危险预警。

本发明的有益效果是：

1)导航系统是基于三维平面的，系统界面显示用于显示三维航道仿真模型，便于船员了解航道实际情况；

2)感知模块采集的数据经过各自携带软件预处理后，多源异构的航行信息及时的汇总，通过人工智能算法处理，完成不确定性信息识别、多源异构信息归一化处理和汇总输入，克服了信息拥堵、数据爆炸和驾驶员的信息迷茫的问题。

3)感知模块实时采集数据，实时的进行数据融合处理，保证船员实时了解船舶和航道动态；

4)结合最新航道信息和航道静态信息进行航线规划，保证规划的航线的合理性；

5)距离障碍物较近时，系统自动报警，防止碰撞事故的发生。

一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航方法，包括如下步骤：

S1、船舶在进行航行前启动系统，感知模块实时采集船舶行驶过程中的各种航行信息，并经过其相应的软件系统进行预处理；

S2、数据融合模块对感知模块所采集的航行信息进行数据融合，并将融合后的数据传输至通用三维引擎；

S3、实时航道模拟模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并根据接收到的数据，并根据接收到的航行信息从中提取出感知模块检测到的其他船只、障碍物的位置，然后将该位置转化为三维航道仿真模型中的坐标，并在系统界面显示上实时的显示其他船只及障碍物的图像，系统界面显示中显示的其他船只及障碍物的图像位置会随感知模块检测到的实际其他船只及障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的三维航道仿真模型坐标上移动；

S4、系统界面显示的图像显示完成后，在系统界面选定目标位置，系统自动根据三维航道仿真模型和感知模块实时采集的信息规划出从现在位置到目标位置的最佳航线，并在系统界面的航道仿真模型中显示，当在系统界面更改目标位置时，系统重新进行航线的规划；

S5、船舶航行时，当距离障碍物较近时，危险预警模块系会让系统界面显示上相应障碍物的三维仿真体进行危险预警。

采用上述进一步的有益效果是：

1)导航系统是基于三维平面的，系统界面显示用于显示三维航道仿真模型，便于船员了解航道实际情况；

2)感知模块采集的数据经过各自携带软件预处理后，多源异构的航行信息及时的汇总，通过人工智能算法处理，完成不确定性信息识别、多源异构信息归一化处理和汇总输入，克服了信息拥堵、数据爆炸和驾驶员的信息迷茫的问题。

3)感知模块实时采集数据，实时的进行数据融合处理，保证船员实时了解船舶和航道动态；

4)结合最新航道信息和航道静态信息进行航线规划，保证规划的航线的合理性；

5)距离障碍物较近时，系统自动报警，防止碰撞事故的发生。

附图说明

图1为本发明所述基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统的结构示意图；

图2为本发明所述基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，包括感知模块1、数据融合模块2、通用三维引擎3、全景三维显示模块4、实时航道模拟模块5、路线规划模块6和危险预警模块7，其中，全景三维显示模块4包括三维航道仿真模型410和系统界面显示420，感知模块1与数据融合模块2通讯连接，数据融合模块2与通用三维引擎3通讯连接，通用三维引擎3分别与全景三维显示模块4中的三维航道仿真模型410、实时航道模拟模块5、路线规划模块6和危险预警模块7通讯连接，三维航道仿真模型410与路线规划模块6通讯连接，系统界面显示420与路线规划模块6双向通讯，三维航道仿真模型410与系统界面显示420模块通讯连接，危险预警模块7与系统界面显示420模块通讯连接，实时航道模拟模块5与系统界面显示420模块通讯连接。

感知模块1包括AIS、GPS、雷达、气象台、测深仪及其相对应的软件系统，感知模块1通过AIS、GPS、雷达、气象台、测深仪来实时采集船舶行驶过程中的航行信息，其中航行信息包括航道信息和自身状态信息，然后把采集到的数据传输进相对应的软件系统中做数据的预处理，上述的操作都是在船舶行驶过程中实时的进行，并且花费的时间极短，保证了向数据融合模块2传输的数据经过了初步的预处理，并且这些数据是实时的。

数据融合模块2先将感知模块1采集到的多源异构的航行信息及时的汇总，并通过人工智能算法处理，完成不确定性信息识别、多源异构信息归一化处理和汇总输入，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、智能辅助的基础，通过信息的场景重构，原本复杂的信息得以实时集中的展示在驾驶人员面前，避免了传统的多传感器系统的信息拥堵和数据爆炸问题以及驾驶员的信息迷茫，数据融合模块2与通用三维引擎3相连接，将数据融合模块2处理后的数据实时传输到通用三维引擎3中，保证船员得到航行信息的时效性。

数据融合模块2的具体的数据融合过程包括：

首先将GPS、AIS和雷达实时采集到的位置信息进行坐标转换，将三者的坐标转换到以岸基雷达站位置为原点的平面直角坐标系中。

坐标转换完成后，对雷达和AIS数据进行粗关联判断，排除不满足时间条件和距离条件的AIS数据，提高数据融合效率，其中对AIS数据进行筛选的时间条件为：

|t_ri-t_aj|≤r_T

其中：t_ri为雷达第i个目标的时刻(s)，t_aj为AIS第j个目标的时刻(s)，r_T为粗相关时间门限(s)。

空间条件为：

|d_ri-d_aj|≤r_D

其中：d_ri为雷达第i个目标的距离(m)，d_aj为AI S第j个目标的距离(m)，r_D为粗相关距离门限(m)。

接着以雷达信息的时刻为基准，对GPS信息和A I S信息进行线性插值，以完成GPS信息，AI S信息和雷达信息的时空统一。

然后对雷达和AI S数据进行细关联判断，采用模糊综合评判的方法进行判断，设立阀值判断是否相关，本实例采用正态隶属度函数：

其中：ξ(ζ_k)为模糊因素集中的第k个因素的隶属度函数，τ_k为正态分布参数，ζ_k为第k个模糊因素的欧式距离，σ_k为第k个模糊因素的展度。

为了保证航迹关联质量，采用双门限判别法。定义航迹关联质量因子为d_ij(l)，用来表示在l时刻，AIS的第i个目标和雷达的第j个目标的关联质量，表示一段时间内两者的关联点数，公式为：

d_ij(l)＝d_ij(l-1)+1

最后对GPS，雷达和AIS数据进行加权融合，得到本船，目标船舶，障碍物的位置信息。设AIS测量的误差方差为σ_A ²，加权因子为w1，雷达测量的误差方差为σ_A ²，加权因子为w2，融合后的值为X，公式为：

融合值的均方误差为：

其中E[(x-x₁)(x-x₂)]＝0

进一步化解可以得到公式：

根据最优权重因子判断理论，确定权重系数，公式为：

其中：σ_RL ²，σ_AL ²为雷达，AIS测距精度，σ_Rθ ²，σ_Aθ ²为雷达，AIS测角精度，σ_RV ²,σ_AV ²为雷达，AIS测速精度。

由此进行加权融合可以得到，融合后的目标数据的公式为：

同时以融合后的数据中的时间信息为时间基准，使测深仪和气象台得到的测深信息和气象信息在时间轴上对齐，得到与融合信息匹配的水深数据和气象数据。

全景三维显示模块4包括三维航道仿真模型410和系统界面显示420两个部分，三维航道仿真模型410是利用通用三维引擎3根据实地调研获取模拟水域通航要素信息和实地拍摄视景数据构建的，三维航道仿真模型410在二维航道图的基础上，增加海图数据层和水下地形三维图层的数据，并实现水陆图层之间的无缝连接，通用三维引擎3实时将从数据融合模块2接收到的船舶位置数据转化为在三维航道仿真模型410中的船舶坐标，然后实时将船舶及其周围的三维仿真图像显示于系统界面显示420上。

实时航道模拟模块5与通用三维引擎3相连接，实时接收数据融合模块2传输的已经处理过的航行信息，实时航道模拟模块5会根据接收到的数据，将感知模块1检测到的其他船只，礁石等障碍物的位置转化为三维航道仿真模型410中的坐标，并在系统界面上实时的显示其他船只，礁石等障碍物的图像，系统界面中显示的障碍物的图像位置也会随感知模块1检测到的实际障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的仿真模型坐标上移动，这样可以直观让船员了解到航道上的障碍物移动情况，能够有效避免碰撞事故的发生，实时航道模拟模块5还会将数据融合模块2传输进通用三维引擎3的助航信息包括船速，与规划航线距离，水深，船舶位置，与他船距离，水文气象动态信息等实时显示在系统界面上，来更好的辅助船员进行船舶的驾驶。

路线规划模块6与通用三维引擎3，三维航道模型相连，在系统界面选定目标位置，路线规划模块6从系统界面获取到选定的目标位置，自动根据三维航道仿真模型410和实时传输入通用三维引擎3的数据规划从船舶所在位置到目标位置的最优航行路线，然后将规划的路线在系统界面显示420的三维仿真图像中呈现，当在系统界面重新选定目标位置时，路线规划模块6会立即再次进行上述的步骤，进行路线的规划。

危险预警模块7与通用三维引擎3相连接，实时接收数据融合模块2传入通用三维引擎3的障碍物位置信息，在本船距离障碍物过近时，会让系统界面上相应障碍物的三维仿真体发出红光进行危险预警，这样可以有效较少碰撞事故的发生。

如图2所示，一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航方法，包括如下步骤：

S1、船舶在进行航行前启动系统，感知模块1实时采集船舶行驶过程中的各种航行信息，并经过其相应的软件系统进行预处理；

S2、数据融合模块2对感知模块1所采集的航行信息进行数据融合，并将融合后的数据传输至通用三维引擎3；

S3、实时航道模拟模块5实时接收数据融合模块2传入通用三维引擎3的航行信息，并根据接收到的航行信息从中提取出感知模块1检测到的其他船只、障碍物的位置，然后将该位置转化为三维航道仿真模型410中的坐标，并在系统界面显示420上实时的显示其他船只及障碍物的图像，系统界面显示420中显示的其他船只及障碍物的图像位置会随感知模块1检测到的实际其他船只及障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的三维航道仿真模型410坐标上移动；

S4、系统界面显示420的图像显示完成后，在系统界面选定目标位置，系统自动根据三维航道仿真模型410和感知模块1实时采集的信息规划出从现在位置到目标位置的最佳航线，并在系统界面的航道仿真模型中显示，当在系统界面更改目标位置时，系统重新进行航线的规划；

S5、船舶航行时，当距离障碍物较近时，危险预警模块7系会让系统界面显示420上相应障碍物的三维仿真体进行危险预警。

本实施例的导航系统能够准确定位船舶位置，显示船舶及其周围环境的仿真模型，并且能够根据感知模块1实时采集的数据，实时在三维航道仿真模型410中生成其他船只、礁石等障碍物的仿真体，同时显示船速，与规划航线距离，水深，船舶位置，与他船距离，水文气象动态信息。该导航系统还具有路径规划功能和危险预警功能，能够根据地形和感知模块1实时采集的航道信息来进行航线的最优规划，当距离障碍物较近时，发出警报，能够更好的辅助船舶驾驶，避免碰撞事故的发生，提高航行的安全性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，包括：

感知模块，用于采集船舶行驶过程中的航行信息，并对获取的航行信息进行预处理；

数据融合模块，与通用三维引擎连接，用于将预处理后的航行信息实时的通过信息融合技术进行处理，并将融合后的数据实时的传输至通用三维引擎中；

全景三维显示模块，与通用三维引擎连接，包括用于显示船舶及其实时位置的三维航道仿真模型；

实时航道模拟模块，与通用三维引擎连接和全景三维显示模块相连，用于根据航行信息识别航道里的船只及障碍物，并实时显示在三维航道仿真模型中；

路径规划模块，与通用三维引擎和全景三维显示模块相连，用于根据实时航行信息规划导航路径；

危险预警模块，与通用三维引擎相连接和全景三维显示模块相连，在船舶距离危险物体较近时，自动发出警报。

2.根据权利要求1所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述航行信息包括船舶航行环境的水文气象信息、船舶靠泊状态信息、水深数据、AI S数据、雷达数据和GPS位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述数据融合模块先将感知模块采集到的多源异构的航行信息及时的汇总，并通过人工智能算法处理，完成不确定性信息识别、多源异构信息归一化处理和汇总输入，再通过平行仿真系统进行平行空间下的标绘、处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述全景三维显示模块还包括系统界面显示，三维航道仿真模型由通用三维引擎根据实地调研获取模拟水域通航要素信息和实地拍摄视景数据构建而成，三维航道仿真模型在二维航道图的基础上，增加海图数据层和水下地形三维图层的数据，并实现水陆图层之间的无缝连接，通用三维引擎实时将从数据融合模块接收到的船舶位置数据转化为在三维航道仿真模型中的船舶坐标，然后实时将船舶及其周围的三维仿真图像显示于系统界面显示上。

5.根据权利要求4所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述实时航道模拟模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并根据接收到的航行信息，将感知模块检测到的其他船只、障碍物的位置转化为三维航道仿真模型中的坐标，并在系统界面显示上实时的显示其他船只及障碍物的图像，系统界面显示中显示的其他船只及障碍物的图像位置会随感知模块检测到的实际其他船只及障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的三维航道仿真模型坐标上移动。

6.根据权利要求5所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述路线规划模块与通用三维引擎和三维航道模型相连，在系统界面选定目标位置，路线规划模块从系统界面获取到选定的目标位置，自动根据三维航道仿真模型和实时传输入通用三维引擎的数据规划从船舶所在位置到目标位置的最优航行路线，然后将规划的路线在系统界面显示的三维航道仿真模型中呈现，当在系统界面重新选定目标位置时，路线规划模块会立即再次进行路线的规划。

7.根据权利要求6所述的一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航系统，其特征在于，所述危险预警模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并从航行信息中提取出障碍物位置信息，在本船距离障碍物过近时，会让系统界面显示上相应障碍物的三维仿真体进行危险预警。

8.一种基于通用三维引擎的水上交通全景三维导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、船舶在进行航行前启动系统，感知模块实时采集船舶行驶过程中的航行信息，并经过其相应的软件系统进行预处理；

S2、数据融合模块对感知模块所采集的航行信息进行数据融合，并将融合后的数据传输至通用三维引擎；

S3、实时航道模拟模块实时接收数据融合模块传入通用三维引擎的航行信息，并会根据接收到的数据，并根据接收到的航行信息从中提取出感知模块检测到的其他船只、障碍物的位置，然后将该位置转化为三维航道仿真模型中的坐标，并在系统界面显示上实时的显示其他船只及障碍物的图像，系统界面显示中显示的其他船只及障碍物的图像位置会随感知模块检测到的实际其他船只及障碍物在航道中的位置变动而同步在相应的三维航道仿真模型坐标上移动；

S4、系统界面显示的图像显示完成后，在系统界面选定目标位置，系统自动根据三维航道仿真模型和感知模块实时采集的信息规划出从现在位置到目标位置的最佳航线，并在系统界面的航道仿真模型中显示，当在系统界面更改目标位置时，系统重新进行航线的规划；

S5、船舶航行时，当距离障碍物较近时，危险预警模块系会让系统界面显示上相应障碍物的三维仿真体进行危险预警。