CN109087535A - 一种基于地理信息系统的水上交通安全预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通预警技术领域，公开了一种基于地理信息系统的水上交通安全预警系统及方法；包括有地理信息录入系统，用于地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息；地理信息检索系统，用于水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；地理信息读取对照系统，用于在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；距离监控系统，用于在定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析；预警警报系统，用于距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报。该发明与地理信息系统紧密结合，有效的精准定位船只等水上交通工具的周围障碍物环境并作出预警，减少水上交通的安全隐患。

Description

一种基于地理信息系统的水上交通安全预警系统及方法

技术领域

本发明属于交通预警技术领域，尤其涉及一种基于地理信息系统的水上交通安全预警系统及方法。

背景技术

目前，我国科学技术的不断增强，水上交通工具越来越多样化，也随着水中交通工具的增多，与水中环境的迅时变化，水上交通的安全问题日益严重，在传统的水上交通出海时，只存在有船只本身的雷达定位，周围地理信息都无法随时更新，在遭遇突发状况时，容易造成船只的损失和人员的伤亡。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的水上交通安全预警系统周围地理信息更新缓慢，且预警之后许靠人工操作船只，对预警处理相对缓慢，目前使用的地理信息检索系统检索效率低，无法对语义及空间进行简化，难以满足用户的检索请求。

(2)目前使用的GPS定位系统定位不够精确，只存在有船只本身的雷达定位，对于水上交通工具与障碍物质之间的定位难以实现，定位容易产生误差，易导致水上安全事故。

(3)现有的单片机的分析检测过程比较繁琐，迭代次数较高，工作效率较低，难以满足水上交通安全的需要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于地理信息系统的水上交通安全预警系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于地理信息系统的水上交通安全预警方法，所述基于地理信息方法包括：

(1)地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息，在地理信息录入系统中通过卫星定位模块探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统；通过地理信息检索系统，对水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；

(2)通过地理信息读取对照系统；在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；通过距离监控系统，定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析，在距离监控系统中具体通过雷达定位模块在地理信息读取对照系统定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离；

(3)触发预警警报系统，在距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报，在警报响起的同时，发动机阀控模块触发，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速；

所述地理信息检索的定性表达模型为：两类信息以命题逻辑组合，形成一体化的表达方法，查询也采用相同的表达模型，给定文档d，基于主题信息与地理信息之间的关联性，分割成一系列独立的信息单元，则文档d的信息内容表示为：

d＝{u_i|1≤i≤n}；

其中，n为文档；d为包含的信息单元的数量；

如果n＝0，则d是一个空文档，不包任何信息内容；

信息单元u_i包含主题部分t_i与地理部分g_i，表示为：

u_i＝(t_i，g_i)；

查询q基于信息单元表示为相同的结构；

所述距离监控系统设置有GPS电位器，所述GPS定位器中的组合定位系统模型的状态向量为：

X＝[E N U S φ H]^T；

其中：E为坐标系东向坐标，N为北向坐标，U为海拔，S为步长，φ为航向角，H为高度；

状态方程为：

观测向量为；Z＝[Z_GPS Z_PDR]^T；

其中：Z_GPS＝[E_GPS N_GPS U_GPS]^T，Z_GPS＝[E_GPS N_GPS U_GPS]^T分别是GPS输出的东向坐标、北向坐标和海拔；

Z_PDR＝[S_PDR φ_PDR H_PDR]^TSPDR为PDR定位的步长估计，φPDR为航向角估计，HPDR为气压计的高度估计；

观测方程为：

进一步，所述地理信息读取对照系统通过单片机对距离数据进行分析，单片机采用改进的PSO算法，在基本PSO算法中，w使粒子保持运动惯性，使其有扩展搜索空间的趋势，w较大时，粒子的运动速度较快，使粒子的搜索区域较大，并且能够使其更快的靠近全局最优粒子，w较小时，粒子的运动速度缓慢，使粒子能够在局部范围内进行精细搜索，有利于算法的收敛，为此w常采取动态调整；

其中:w_max和w_min表示惯性权重最大和最小值，t表示迭代次数，Iter_max表示最大迭代次数。

进一步，所述雷达定位模块的模型包括：

(1)探测模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的探测概率，并用蒙特卡洛法判断是否发现目标，最终输出发现的目标链表：

if(r≤P_i)vctFind.push_back(vctTgt(i))；

式中，r为服从U(0，1)的随机数；P_i为模型求得的对第i个目标的探测概率；vctFind为雷达发现的目标链表；vctTgt(i)为目标i的指针；

(2)测量模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的测量误差，并用蒙特卡洛发决定雷达对目标位置、速度的测量值并输出：

x＝X+γσ_x；

式中，X表示该分量的实际值，从目标参数中直接获取，x表示测量值，σ_X表示由测量模型计算得出的误差范围，r表示为服从U(0，1)的随机数；

(3)识别模型，根据输出的支撑数据计算雷达对目标的识别概率，并用蒙特卡洛法决定是被结果并输出；

if(q(i，j)≥q(i，J)) vctFind(i).type＝j；

式中，q(i，j)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为实体j的概率，q(i，J)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为各可能实体的概率集，vctFind(i).type表示第i个发现实体的类型；

(4)反干扰模型，根据输入的支撑数据判断特定的反干扰规则是否满足；如果满足则出发相应的反干扰行动。

本发明的额另一目的在于提供一种实施所述基于地理信息系统的水上交通安全预警方法的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统，所述基于地理信息系统的水上交通安全预警系统设置有：

地理信息录入系统，用于地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息；

地理信息检索系统，用于水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；

地理信息读取对照系统，用于在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；

距离监控系统，用于在定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析；

预警警报系统，用于距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报。

进一步，所述地理信息录入系统包括卫星定位模块，通过卫星定位模块探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统。

进一步，所述距离监控系统包括雷达定位模块，所述雷达定位系统在地理信息读取对照系统定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离。

进一步，所述预警警报系统包括警报模块，在距离监控系统提供出障碍物具体系统时，在障碍物处于妨碍船只安全范围内时，发出警报；还包括发动机阀控模块，在警报响起的同时，发动机阀控模块触发，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于地理信息系统的水上交通安全预警方法的信息数据处理终端。

本发明的优点及积极效果为：

(1)该发明设有地理信息录入系统、地理信息检索系统、地理信息读取对照系统对船只行进过程中实时提供周围环境信息，较传统船只水上航行时，以现有的地理信息作为参照，在水上发生突发状况时来不及应对，在实时更新地理信息时，可有效防止水中意外发生，且设有警报预警系统，可在有危险时迅速做出预警，且通过设有的发动机阀控模块，可自动逼停船只，进一步减少损失。

(2)采用信息检索定性模型，有效提高了地理信息检索技术的效率，本模型顾及了语义信息，实现了客观的对文档中的信息进行刻画，满足了用户的检索请求。

(3)采用单片机的改进的POS算法，有效提高了单片机的信息分析检测能力，降低了迭代次数，大大提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统的结构示意图；

图中：1、地理信息录入系统；2、地理信息检索系统；3、地理信息读取对照系统；4、距离监控系统；5、预警警报系统；6、卫星定位模块；7、雷达定位模块；8、警报模块；9、发动机阀控模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统包括：

地理信息录入系统1，用于地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息；

地理信息检索系统2，用于水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；

地理信息读取对照系统3，用于在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；

距离监控系统4，用于在定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析；

预警警报系统5，用于距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报。

地理信息录入系统包括卫星定位模块6，通过卫星定位模块6探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统1。

所述距离监控系统4包括雷达定位模块7，所述雷达定位模块在地理信息读取对照系统3定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离。所述预警警报系统5包括警报模块8，在距离监控系统4提供出障碍物具体系统时，在障碍物处于妨碍船只安全范围内时，发出警报；还包括发动机阀控模块9，在警报响起的同时，发动机阀控模块9触发，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速。

所述地理信息检索的定性表达模型为：两类信息以命题逻辑组合，形成一体化的表达方法，查询也采用相同的表达模型，给定文档d，基于主题信息与地理信息之间的关联性，分割成一系列独立的信息单元，则文档d的信息内容表示为：

d＝{u_i|1≤i≤n}；

其中，n为文档；d为包含的信息单元的数量；

如果n＝0，则d是一个空文档，不包任何信息内容；

信息单元u_i包含主题部分t_i与地理部分g_i，表示为：

u_i＝(t_i，g_i)；

查询q基于信息单元表示为相同的结构；

所述距离监控系统设置有GPS电位器，所述GPS定位器中的组合定位系统模型的状态向量为：

X＝[E N U SφH]^T；

其中：E为坐标系东向坐标，N为北向坐标，U为海拔，S为步长，φ为航向角，H为高度；

状态方程为：

观测向量为；Z＝[Z_GPS Z_PDR]^T；

其中：Z_GPS＝[E_GPS N_GPS U_GPS]^T，E_GPS，N_GPS，U_GPS分别是GPS输出的东向坐标、北向坐标和海拔；

Z_PDR＝[S_PDR φ_PDR H_PDR]^TSPDR为PDR定位的步长估计，φPDR为航向角估计，HPDR为气压计的高度估计；

观测方程为：

进一步，所述地理信息读取对照系统通过单片机对距离数据进行分析，单片机采用改进的PSO算法，在基本PSO算法中，w使粒子保持运动惯性，使其有扩展搜索空间的趋势，w较大时，粒子的运动速度较快，使粒子的搜索区域较大，并且能够使其更快的靠近全局最优粒子，w较小时，粒子的运动速度缓慢，使粒子能够在局部范围内进行精细搜索，有利于算法的收敛，为此w常采取动态调整；

其中:w_max和w_min表示惯性权重最大和最小值，t表示迭代次数，Iter_max表示最大迭代次数。

进一步，所述雷达定位模块的模型包括：

(1)探测模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的探测概率，并用蒙特卡洛法判断是否发现目标，最终输出发现的目标链表：

if(r≤P_i)vctFind.push_back(vctTgt(i))；

式中，r为服从U(0，1)的随机数；P_i为模型求得的对第i个目标的探测概率；vctFind为雷达发现的目标链表；vctTgt(i)为目标i的指针；

(2)测量模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的测量误差，并用蒙特卡洛发决定雷达对目标位置、速度的测量值并输出：

x＝X+γσ_x；

式中，X表示该分量的实际值，从目标参数中直接获取，x表示测量值，σ_X表示由测量模型计算得出的误差范围，r表示为服从U(0，1)的随机数；

(3)识别模型，根据输出的支撑数据计算雷达对目标的识别概率，并用蒙特卡洛法决定是被结果并输出；

if(q(i，j)≥q(i，J)) vctFind(i).type＝j；

式中，q(i，j)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为实体j的概率，q(i，J)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为各可能实体的概率集，vctFind(i).type表示第i个发现实体的类型；

(4)反干扰模型，根据输入的支撑数据判断特定的反干扰规则是否满足；如果满足则出发相应的反干扰行动。

本发明通过地理信息录入系统1，用于地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息，在地理信息录入系统中通过卫星定位模块6探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统1；进而通过地理信息检索系统2，对水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；通过地理信息读取对照系统3，在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；通过距离监控系统4，定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析，在距离监控系统4中具体通过雷达定位模块7在地理信息读取对照系统3定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离，进而触发预警警报系统5，在距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报，在警报响起的同时，发动机阀控模块触发9，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于地理信息系统的水上交通安全预警方法，其特征在于，所述基于地理信息方法包括：

(1)地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息，在地理信息录入系统中通过卫星定位模块探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统；通过地理信息检索系统，对水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；

(2)通过地理信息读取对照系统；在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；通过距离监控系统，定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析，在距离监控系统中具体通过雷达定位模块在地理信息读取对照系统定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离；

(3)触发预警警报系统，在距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报，在警报响起的同时，发动机阀控模块触发，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速；

所述地理信息检索的定性表达模型为：两类信息以命题逻辑组合，形成一体化的表达方法，查询也采用相同的表达模型，给定文档d，基于主题信息与地理信息之间的关联性，分割成一系列独立的信息单元，则文档d的信息内容表示为：

d＝{u_i|1≤i≤n}；

其中，n为文档；d为包含的信息单元的数量；

如果n＝0，则d是一个空文档，不包任何信息内容；

信息单元u_i包含主题部分t_i与地理部分g_i，表示为：

u_i＝(t_i，g_i)；

查询q基于信息单元表示为相同的结构；

所述距离监控系统设置有GPS电位器，所述GPS定位器中的组合定位系统模型的状态向量为：

X＝[E N U S φ H]^T；

其中：E为坐标系东向坐标，N为北向坐标，U为海拔，S为步长，φ为航向角，H为高度；

状态方程为：

观测向量为；Z＝[Z_GPS Z_PDR]^T；

其中：Z_GPS＝[E_GPS N_GPS U_GPS]^T，E_GPS，N_GPS，U_GPS分别是GPS输出的东向坐标、北向坐标和海拔；

Z_PDR＝[S_PDR φ_PDR H_PDR]^TSPDR为PDR定位的步长估计，φPDR为航向角估计，HPDR为气压计的高度估计；

观测方程为：

2.如权利要求1所述的基于地理信息系统的水上交通安全预警方法，其特征在于，所述地理信息读取对照系统通过单片机对距离数据进行分析，单片机采用改进的PSO算法，在基本PSO算法中，w使粒子保持运动惯性，使其有扩展搜索空间的趋势，w较大时，粒子的运动速度较快，使粒子的搜索区域较大，并且能够使其更快的靠近全局最优粒子，w较小时，粒子的运动速度缓慢，使粒子能够在局部范围内进行精细搜索，有利于算法的收敛，为此w常采取动态调整；

其中:w_max和w_min表示惯性权重最大和最小值，t表示迭代次数，Iter_max表示最大迭代次数。

3.如权利要求1所述的基于地理信息系统的水上交通安全预警方法，其特征在于，所述雷达定位模块的模型包括：

(1)探测模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的探测概率，并用蒙特卡洛法判断是否发现目标，最终输出发现的目标链表：

if(r≤P_i)vctFind.push_back(vctTgt(i))；

式中，r为服从U(0，1)的随机数；P_i为模型求得的对第i个目标的探测概率；vctFind为雷达发现的目标链表；vctTgt(i)为目标i的指针；

(2)测量模型，根据支撑数据计算雷达对各目标的测量误差，并用蒙特卡洛发决定雷达对目标位置、速度的测量值并输出：

x＝X+γσ_X；

式中，X表示该分量的实际值，从目标参数中直接获取，x表示测量值，σ_X表示由测量模型计算得出的误差范围，r表示为服从U(0，1)的随机数；

(3)识别模型，根据输出的支撑数据计算雷达对目标的识别概率，并用蒙特卡洛法决定是被结果并输出；

if(q(i，j)≥q(i，J))vctFind(i).type＝j；

式中，q(i，j)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为实体j的概率，q(i，J)表示由识别模型计算得出的将目标i识别为各可能实体的概率集，vctFind(i).type表示第i个发现实体的类型；

(4)反干扰模型，根据输入的支撑数据判断特定的反干扰规则是否满足；如果满足则出发相应的反干扰行动。

4.一种实施权利要求1所述基于地理信息系统的水上交通安全预警方法的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统，其特征在于，所述基于地理信息系统的水上交通安全预警系统设置有：

地理信息录入系统，用于地理信息录入，为水上交通提供参考地理信息；

地理信息检索系统，用于水上交通工具在行驶途中的对于行驶路线周围环境的检索；

地理信息读取对照系统，用于在检索地理信息后对于周围地理信息作出对照查找，定位出各种地理信息的位置；

距离监控系统，用于在定位出地理环境的位置后，作出各个障碍物与交通工具的距离分析；

预警警报系统，用于距离分析之后，对于存在于船只安全距离内的障碍物作出预警警报。

5.如权利要求4所述的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统，其特征在于，所述地理信息录入系统包括卫星定位模块，通过卫星定位模块探测地理信息通过数据传输至地理信息录入系统。

6.如权利要求4所述的用于基于地理信息系统的水上交通安全预警系统，其特征在于，所述距离监控系统包括雷达定位模块，所述雷达定位系统在地理信息读取对照系统定位出周围环境之后，自动雷达定位，迅速定位出障碍物与交通工具之间距离。

7.如权利要求4所述的基于地理信息系统的水上交通安全预警系统，其特征在于，所述预警警报系统包括警报模块，在距离监控系统提供出障碍物具体系统时，在障碍物处于妨碍船只安全范围内时，发出警报；还包括发动机阀控模块，在警报响起的同时，发动机阀控模块触发，停止交通工具的发动机工作，保持船只的减速。

8.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于地理信息系统的水上交通安全预警方法的信息数据处理终端。