CN109360450A - 一种智慧航标的船舶交通管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智慧航标，公开了一种智慧航标的船舶交通管理方法及系统，方法包括以下步骤：S10：采集智慧航标周边环境的实时画面；捕捉实时画面中的运动目标，并判断运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号；S20：获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，船舶信息包括船舶的实时位置信息；根据船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则发出“撞船预警”警告信号。本发明能够感知水上交通行为，交通风险评估和告警针对性好，能够提高交通风险评估和告警准确率，提高警示传达效果。

Description

一种智慧航标的船舶交通管理方法及系统

技术领域

本发明涉及智慧航标，尤其涉及一种智慧航标的船舶交通管理方法及系统。

背景技术

航标是标识礁石、指示航道、引导航行的重要水上交通设施，目前传统航标仅具有灯光指示的功能，不能满足现代水上交通的管理需求，因此需要研发一种具有水上交通行为感知能力及风险告知的智慧型航标。

由于航标设置在内河和海面上，无法使用现有电网供电，大多采用太阳能或潮汐能，因此能量供应有限，无法在航标上采用耗电量大的感知和通讯技术。如最为成熟的主动感知技术——雷达技术，由于雷达波束宽度有限，为了能够搜索整个海面，需要双电机云台，分别控制水平运动和垂直运动，电机作为电能转化为机械能的动力设备，耗电量较大，受到面积限制，太阳能电池采集的能源有限，无法供应电机云台二十四小时工作的能耗。还有例如采用激光三维扫描，超声波探测等方法感知，而此类技术都需要向1-3km距离的水上运动目标主动发射能量波，通过检测反射波来判定运动目标，所以仅仅将能量波发射至较远距离一项，就要消耗大量的能量，海上设施的整体体积限制了太阳能电池板面积，因此无法提供充足的能量，故智慧型航标设置时需要考虑能耗可行性。

公告号为CN102514694B的专利文献为了解决雷达感知功耗大的问题，公开了一种“具有环形相控阵雷达的航标”，通过环形布置的24个相控阵天线，360度扫描方式采用电子控制而非机械转动，在一定程度上降低了能耗。但是无论如何优化，24个探索3公里以上的雷达天线的能耗还是会成为太阳能电池的巨大负担。此外，雷达的可视化效果一般，如果航标建立在沿海，陆地上的运动车辆将难以和海上船舶区分。

除了航标外，VTS（VesselTrafficSystem，船舶交通管理）和AIS（AutomaticIdentificationSystem，船舶自动识别系统）也是目前船舶交通管理应用中的重要途径，但就目前的使用情况而言，两者的结合运用中普遍存在工作任务繁重、信息滞后、风险错误识别、风险发现不及时的情况。且交通指挥、风险告知的方式大多采用宏观指挥模式，即对较大区域内的船舶采用广播方式发布指挥指令，例如船舶交通广播电台，沿途的可变情报板等方式，指令统一且简单，不利于宏观区域交通效率提高。而对船舶个体而言，大多的路况信息，事故信息和自己不相关，因此对每个微观船舶个体而言，垃圾信息太多，和自身安全相关的有效信息容易被淹没在无关信息的海洋中，因此存在置身于外的驾驶心理，警剔心下降，导致交通警报警告效能下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够感知水上交通行为，交通风险评估和告警针对性好，能够提高交通风险评估和告警准确率，提高警示传达效果的智慧航标的船舶交通管理方法和系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种智慧航标的船舶交通管理方法，包括以下步骤：

S10：采集智慧航标周边环境的实时画面；捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号；

S20：获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则发出“撞船预警”警告信号。

上述方案中，采用了两种物联网技术感知智慧航标周边环境的交通行为，能够有针对性的对智慧航标周边环境中的过往船舶发出碰礁风险告警提示和撞船风险告警提示；

具体地，通过采集智慧航标周边环境的实时画面，即采用机器视觉的方法获取智慧航标周边环境中船舶的当下交通行为，从而能为智慧航标周边环境的船舶提示碰礁风险，机器视觉的运用提高了碰礁风险评估和告警的准确率；

通过获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息后预测船舶未来的运行轨迹，并根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型计算出船舶相撞的概率，即通过运行轨迹分析预测和交通冲突运算的方法提前获取船舶未来的交通行为，从而能为智慧航标周边环境的船舶提示撞船风险，有利于提高撞船风险评估和告警的准确率；

上述方案中，不管是碰礁风险的告警还是撞船风险的告警，所提示的对象都是智慧航标周边环境中的船舶，由于智慧航标周边环境中的船舶一般数量较少，因此相比现有技术大范围的宏观广播，本方案的告警对象更有针对性，更能引起驾驶人的警觉，提高了警示传达效果，也有利于提高智慧航标周边环境的交通效率，此外，本方案中碰礁风险告警提示和撞船风险告警提示有进行区分，从而能够有针对性的发出安全驾驶警告，警告信息少而精，有利于提高船舶对危险行为响应速度。

进一步地，所述步骤S10中通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号；所述步骤S20中通过甚高频无线电发出“撞船预警”语音警告信号。

进一步地，所述步骤S10中还通过警笛和航标灯发出“碰礁预警”声光警告信号；所述步骤S20中还通过警笛和航标灯发出“撞船预警”声光警告信号。

进一步地，所述步骤S10中还包括上传所述实时画面。

进一步地，所述步骤S10中所述捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号包括：

每间隔N秒获取一次所述实时画面的帧图像；

将所述实时画面第iN秒的帧图像A导出三维矩阵a，在所述实时画面第（i+1）N秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B并导出三维矩阵b，将所述三维矩阵b与所述三维矩阵a相减以获得三维矩阵c，将所述三维矩阵c转换为帧图像C，其中i=0,1,2....，N为预设的自然数；

判断所述帧图像C中所述运动目标的像素点是否分布于预设电子围栏区域警戒线的两侧，若两侧均存在所述运动目标的像素点，则判定所述运动目标进入预设电子围栏区域内，发出“碰礁预警”警告信号。

一种智慧航标的船舶交通管理系统，所述系统包括：

监控摄像头，用于采集智慧航标周边环境的实时画面；

告警模块，用于发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；

工控机，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块发出“碰礁预警”警告信号；

接收模块，用于获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；

轨迹分析模块，用于根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；

风险评估模块，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则控制所述告警模块发出“撞船预警”警告信号。

进一步地，所述告警模块包括甚高频发射单元，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号和“撞船预警”语音警告信号。

进一步地，所述告警模块还包括警笛和航标灯。

进一步地，所述系统还包括上传模块，用于上传所述实时画面至云端。

一种智慧航标的船舶交通管理系统，所述系统包括智慧航标子系统、岸基支持子系统和云端子系统，

所述智慧航标子系统包括：

智慧航标本体；

监控摄像头，用于采集所述智慧航标本体周边环境的实时画面；

告警模块，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；

工控机，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块发出“碰礁预警”警告信号；

航标通信模块，用于上传所述实时画面至所述云端子系统以及用于接收所述云端子系统的通知并传输至所述工控机；

太阳能供电模块，用于为所述监控摄像头、所述告警模块、所述工控机以及所述航标通信模块供电；

所述岸基支持子系统包括：

接收模块，用于获取所述智慧航标本体周边环境中过往船舶通过甚高频无线电发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；

轨迹分析模块，用于根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；

岸基通信模块，用于将预测的船舶未来的运行轨迹发送至所述云端子系统；

所述云端子系统包括：

风险评估模块，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则通过无线通信通知所述智慧航标子系统发出“撞船预警”警告信号。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：采用了两种物联网技术准确的感知智慧航标周边环境的交通行为和评估存在的交通风险，能够对智慧航标周边环境中的过往船舶发出准确度高的碰礁风险告警提示和撞船风险告警提示；风险告警提示的种类区分明显，有利于驾驶人员根据风险种类快速并正确响应风险告警，提高了智慧航标周边环境的交通效率；告警提示对象有针对性，即风险告警提示发出与接收到风险告警提示的对象之间的相关性更好，更能引起驾驶人的警觉，提高了警示传达效果，从而进一步提高了智慧航标周边环境的交通效率；

除了可通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号和“撞船预警”语音警告信号，还设计通过警笛和航标灯发出“撞船预警”声光警告信号，有利于增加警告发出的模式，提高警告信号传达成功率，受到甚高频无线电传播距离，以及警笛和航标灯声光传输距离的限制，警告信号传递的距离限制在较小半径范围内，接收到警告信号的船只数量有限，减少了无关船只收到垃圾信息的数量，有利于提高警示效能；

通过在所述实时画面第（i+1）N秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B并导出三维矩阵b后将其与三维矩阵a相减，逐步获得帧图像C，最终从帧图像C获得运动目标的越界与否，其水文适应性更高，越界与否的判断可靠性也更好；

设置系统包括智慧航标子系统、岸基支持子系统和云端子系统，其中所述智慧航标子系统仅包括智慧航标本体、监控摄像头、告警模块、工控机、航标通信模块以及太阳能供电模块，有利于减少能耗器件，延长太阳能供电模块有限能量储备下的智慧航标子系统工作时长，其他模块则各自分布集成于岸基支持子系统和云端子系统，根据各模块的功能可见，岸基支持子系统和云端子系统可以利用现有技术中已有设置的AIS系统设施和云端配备，有利于降低设置成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：

图1为本发明实施例1提供的一种智慧航标的船舶交通管理方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的方法现场运用的直观示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种智慧航标的船舶交通管理系统框图；

图4为本发明实施例4的系统框图；

图5为本发明实施例5的系统框图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供一种智慧航标的船舶交通管理方法，包括以下步骤：

S10：采集智慧航标周边环境的实时画面；捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号；

本步骤的方法主要应用的对象为智慧航标，智慧航标本体的安装设置与现有技术中常规航标设置方式相同即可，即设置在内河上或近海上，但为了保障本方案风险评估和告警提示的准确性，需注意设置智慧航标所处位置固定不变，优选智慧航标设于礁石上。

本步骤中，通过摄像头采集智慧航标周边环境的实时画面，其中智慧航标周边环境具体设为多少半径范围内的周边环境可根据实地情况而定，例如设置以智慧航标为中心的周边半径3km~5km的圆周区域为智慧航标周边环境，每个智慧航标周边环境可称为一个交通微环境，摄像头可选“可见光的普通摄像头”、“月光星光下可工作的微光摄像头”、“主动式发射红外线的夜视摄像头”、“被动式感知热释红外线的热成像摄像头”等，优选摄像头为夜间亦可拍摄实时画面的摄像头，如微光摄像头、红外热成像仪等，此外，通过使用发现，摄像头的镜头可能会被污水侵袭，所以尽可能选择带有雨刷器的摄像头。进一步地，还可以优选摄像头为双目摄像头，从而有利于根据所述实时画面获取运动目标在世界坐标轴下的坐标（即实际环境中的地理坐标），从而有利于在发出“碰礁预警”警告信号时携带上地理坐标信息，从而更有针对性的将碰礁风险通知到相应的船舶的驾驶员。

进一步地，通过为MCU编写程序，可使得MCU具备捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内的功能，具体可利用矩阵相减法或坐标匹配的方式来帮助判断；若进入，则通过MCU控制相关的设备（如声光设备）发出“碰礁预警”警告信号，“碰礁预警”警告信号可为语音信号、警笛声以及灯光中的任意一种或多种，现有技术中关于警告发出的研究多种多样，均可被运用到本方法中，但需要注意的是，不管是何种类型的“碰礁预警”警告信号都需要能够帮助接收到该警告信号的人能够区分出警告类型为存在碰礁风险，从而能够采取正确的避礁措施。

如采用语音信号作为“碰礁预警”警告信号时，设置语音提示内容为：“请受到该语音的船只注意前方碰礁危险”。

S20：获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则发出“撞船预警”警告信号。

需要注意的是，本步骤与步骤S10并不一定是先后执行的关系，也可是并存，即通过摄像头采集智慧航标周边环境的实时画面的同时，也有相应的设备随时待命准备接收和获取交通微环境中过往船舶发送的船舶信息，只不过摄像头采集智慧航标周边环境的实时画面是时刻在进行的，而后者则是需要有智慧航标周边环境中过往船舶先发送船舶信息才能触发接收设备开始接收并获取。一种具体实施方式下，该接收设备选择仅能接收智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，即限定接收设备的接收距离，另一种具体实施方式下，则限定船舶上船舶信息发送设备信息发送距离，即船舶只有在智慧航标周边环境中发射信息才能被接收设备接收；有利于减少接收到垃圾信息的无关船只的数量。

现有技术中，一些船舶原本就安装AIS系统并能够将船名、船长、船宽、经纬度、船首向、航迹向、航速等信息通过甚高频无线电台发送给AIS岸基支持系统，因此原本就安装AIS系统的船舶无需进一步配备新的发送设备；本方案中优选船舶信息除了实时位置信息外，还包括指示船舶身份的船舶身份信息，进而有利于本方案的智慧航标发出“撞船预警”警告信号时携带上船舶身份信息，有利于更有针对地、准确地提示到相应船只，例如“请XX船只注意前方500米处撞船风险，请及时避让”，有利于提高驾驶员关注度和交通风险解除可靠性；

根据所述船舶信息（主要是位置信息）获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹，根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，有利于消除船舶发送设备实时位置信息发送的滞后导致的风险错误评估问题，提高撞船风险预判和告警准确率；

交通冲突计算模型为预先编写的算法，只需将获取的多个船舶未来的运行轨迹代入该交通冲突计算模型即可计算两两船舶相撞的概率，具体地，先推算两两船舶之间的交通冲突类型(对遇冲突、追尾冲突、正向交叉冲突、逆向交叉冲突、同向交叉冲突，通过百度或查看有关专利文献即可了解，此处不予赘述)，然后根据不同冲突类型的碰撞概率推算两两船舶之间相撞的概率；若概率超过一预设阈值（如40%），则发出“撞船预警”警告信号。

“撞船预警”警告信号亦可为语音信号、警笛声以及灯光中的任意一种或多种，现有技术中关于警告发出的研究多种多样，也均可被运用到本方法中，但需要注意的是，不管是何种类型的“撞船预警”警告信号都需要能够帮助接收到该警告信号的人能够区分出警告类型为存在撞船风险，从而能够采取正确的避撞措施。需要注意的是，“撞船预警”警告信号需要与“碰礁预警”警告信号需具有明显的区分。

上述方案中，采用了两种物联网技术感知智慧航标周边环境的交通行为，能够有针对性的对智慧航标周边环境中的过往船舶发出碰礁风险告警提示和撞船风险告警提示；

具体地，通过采集智慧航标周边环境的实时画面，即采用机器视觉的方法获取智慧航标周边环境中船舶的当下交通行为，从而能为智慧航标周边环境的船舶提示碰礁风险，机器视觉的运用提高了碰礁风险评估和告警的准确率；

通过获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息后预测船舶未来的运行轨迹，并根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型计算出船舶相撞的概率，即通过运行轨迹分析预测和交通冲突运算的方法提前获取船舶未来的交通行为，从而能为智慧航标周边环境的船舶提示撞船风险，有利于提高撞船风险评估和告警的准确率；

上述方案中，不管是碰礁风险的告警还是撞船风险的告警，所提示的对象都是智慧航标周边环境中的船舶，由于智慧航标周边环境中的船舶一般数量较少，因此相比现有技术大范围的宏观广播，本方案的告警对象更有针对性，更能引起驾驶人的警觉，提高了警示传达效果，也有利于提高智慧航标周边环境的交通效率，此外，本方案中碰礁风险告警提示和撞船风险告警提示有进行区分，从而能够有针对性的发出安全驾驶警告，警告信息少而精，有利于提高船舶对危险行为响应速度。

实施例2

本实施例中所述步骤S10中通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号；所述步骤S20中通过甚高频无线电发出“撞船预警”语音警告信号。优选采用1W功率的甚高频发信机的16频道发出上述两种语音警告信号，可使得通讯距离约为3km左右，从而有利于将警告信号传至相关性较大的船舶上，更易使接收到警告信号的船舶的驾驶员提高警剔心，减少了无关船舶收到垃圾信息的数量，有利于无关船舶的驾驶员集中精力安全驾驶。

所述步骤S10中还通过警笛和航标灯发出“碰礁预警”声光警告信号；所述步骤S20中还通过警笛和航标灯发出“撞船预警”声光警告信号。考虑到个别船只可能未开启甚高频电台，因此除了电台警告途径外，增加了警笛和航标灯，可通过航标灯改变颜色、灯光亮度或闪烁来进行灯光警示，还可通过警笛发出高分贝短促警笛声等，增加驾驶员发现警告信号的可能性，从而避免碰礁或撞船带来的经济损失和人身安全危害。

需要注意的是，本实施例的上述说明不影响其他实施例中单独通过警笛和航标灯发出“碰礁预警”声光警告信号和“撞船预警”声光警告信号，或单独通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号和“撞船预警”语音警告信号的设计。

优选地，所述步骤S10中还包括上传所述实时画面。具体上传至云端的数据库中保存，一方面可供云端航标管理服务器进一步全面地、系统地、高准确率地评估碰礁风险，另一方面实时画面可做为船舶交通违法行为的判定依据。

所述步骤S10中所述捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号包括：

每间隔N秒获取一次所述实时画面的帧图像；

将所述实时画面第iN秒的帧图像A导出三维矩阵a，在所述实时画面第（i+1）N秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B并导出三维矩阵b，其中，添加的预设电子围栏区域警戒线优选根据智慧航标周边环境的水文和地形而形成，将所述三维矩阵b与所述三维矩阵a相减以获得三维矩阵c，将所述三维矩阵c转换为帧图像C，其中i=0,1,2....，N为预设的自然数；N一般可设为5或10，N越小其判断的准确性和及时性更好，其他实施方式下N不限于自然数。

具体地，例如N=10，首先将所述实时画面第0秒的帧图像A1导出三维矩阵a1，在所述实时画面第10秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B1并导出三维矩阵b1，将所述三维矩阵b1与所述三维矩阵a1相减以获得三维矩阵c1，为了消除一定的误差，可对三维矩阵c1做一个滤波，消除数字值较小的元素后，再将所述三维矩阵c1转换为帧图像C1，而帧图像C1存在的一些像素点集合（也可称为色块）即为需要获取的运动目标，预设电子围栏区域警戒线在帧图像C1中则同样为线状，具有明显的识别度。

综上所述可获得一次帧图像C1，然后继续将所述实时画面第10秒的帧图像A2导出三维矩阵a2，在所述实时画面第20秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B2并导出三维矩阵b2，将所述三维矩阵b2与所述三维矩阵a2相减以获得三维矩阵c2，最终获得帧图像C2用于所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内的判断，依次类推的处理所述实时画面。

判断所述帧图像C中所述运动目标的像素点是否分布于预设电子围栏区域警戒线的两侧，若两侧均存在所述运动目标的像素点，则判定所述运动目标进入预设电子围栏区域内，发出“碰礁预警”警告信号。

具体地，每获得一次帧图像C，就需要判断帧图像C中所述运动目标的像素点是否分布于预设电子围栏区域警戒线的两侧，若两侧均存在所述运动目标的像素点，则判定所述运动目标进入预设电子围栏区域内，发出“碰礁预警”警告信号。当然，运动目标若没有发现警告信号，可能会继续越过警戒线直至完全位于电子围栏区域内，故优选还要设置判断所述运动目标的像素点是否全部位于预设电子围栏区域警戒线内侧即电子围栏区域内，若位于则发出“碰礁预警”警告信号，此时，可通过进一步增强警告信号的强度来提高驾驶员的注意，例如加大警笛分贝，或提高航标灯亮度等。

上述步骤中，主要运用了矩阵相减法来快速准确的获取运动目标，其效果是，即使摄像头存在微小的抖动，其对运动目标的获取和是否越过警戒线进入预设电子围栏区域内的判断的影响不大，有利于提高碰礁风险评估的准确率，此外，采用后期在采集的实时画面帧图像中添加根据智慧航标周边环境的水文和地形而形成的预设电子围栏区域警戒线，其可靠性和对水文适应性高于现有技术中在现场固定圆圈或矩形圈来进行识别的方法。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种智慧航标的船舶交通管理系统，以作为上述实施例所述方法的物理支持，所述系统包括：

监控摄像头110，用于采集智慧航标周边环境的实时画面；监控摄像头110优选白天和晚上都能正常工作的微光摄像头，摄像头镜头可能会被污水侵袭，所以优选摄像头带有雨刷器用于洗刷镜头，此外还可设置监控摄像头110为双目摄像头，用于实时画面中运动目标在世界坐标轴中坐标的计算，从而有利于在警告信号中携带上地理坐标帮助提高警告信号的传达效果。监控摄像头110设置时可直接设置连接固定在智慧航标上。

告警模块120，用于发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；告警模块120接收工控机130的控制，可发出上述两种不同类型的警告信号。后期发展中可增加其他警告类型。

工控机130，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块120发出“碰礁预警”警告信号；例如通过获取运动目标的地理坐标，查看地理坐标是否包含在预设电子围栏区域内，若包含，则判断所述运动目标进入预设电子围栏区域内；另外，也可采用实施例2所述的判断方法。

接收模块210，用于获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；优选所述船舶信息还包括指示船舶身份的身份信息。一种具体实施方式下，过往船舶通过甚高频无线电来发送船舶信息。

轨迹分析模块220，用于根据所述船舶信息（主要是位置信息）获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；当所述船舶信息还包括指示船舶身份的身份信息时，可将预测的运行轨迹与船舶身份进行匹配，以便后期发出“撞船预警”警告信号时携带上船舶身份，提高警告信号针对性。进一步地，设置船舶信息还包括船速信息，轨迹分析模块220还用于在预测的未来运行轨迹中标记运行速度，从而有利于风险评估模块310根据运行速度为即将相撞的船舶量身定制避让措施，并最终控制所述告警模块120在发出“撞船预警”警告信号同时给出避让建议。

风险评估模块310，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则控制所述告警模块120发出“撞船预警”警告信号。

上述各个模块，可以均集成在智慧航标内，也可分开集成，减轻智慧航标制作成本和电能损耗。

综上所述，本实施例的系统能够感知水上交通行为，交通风险评估和告警针对性好，能够提高交通风险评估和告警准确率，提高警示传达效果。

实施例4

如图4所示，本实施例中，所述告警模块120包括甚高频发射单元121，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号和“撞船预警”语音警告信号。例如通过甚高频电台16频道的无线电台向船舶发出上述语音警告信息。需要注意的是，若甚高频发射单元121的发射范围与接收模块210接收甚高频电波的范围有交叉时，需设置系统具备信息识别的能力，即区分甚高频发射单元121发射的警告信号和船舶发射的船舶信息。

所述告警模块120还包括警笛和航标灯，用于发出“碰礁预警”声光警告信号和“撞船预警”声光警告信号。航标灯优选LED航标灯，上述设置有利于增加告警方式，提高警告信号传达的成功率。

本实施例中，受到甚高频无线电传输和声光传输距离的限制，使得警告信号传递的距离限制在半径约为3km的交通微环境范围内的有限船只，有利于减少了无关船只收到垃圾信息的数量。

所述系统还包括上传模块140，用于上传所述实时画面至云端。具体地可选用GPRSMODEM。即采用GPRS无线通讯上传实时画面，除了上传实时画面外还可用于信息接收。云端保存实时画面一方面可供进一步全面地、系统地、高准确率地评估碰礁风险，另一方面实时画面云端数据库保存后可作为船舶交通违法行为的判定依据。

本实施例的系统有利于进一步提高风险告警对象的针对性、风险告警传达的成功率以及风险评估的准确率。

实施例5

如图5所示，本实施例提供一种智慧航标的船舶交通管理系统，与实施例3和4的区别在于，本实施例考虑了智慧航标的能耗可行性和配置成本经济性，所述系统包括智慧航标子系统100、岸基支持子系统200和云端子系统300，其中岸基支持子系统200和云端子系统300在本实施例中未提到的模块配置可参考现有技术中岸基支持系统和AIS信息平台的设计，两者均涉及在岸上，因此无需考虑能耗供给不足的问题，且现有技术中已具备交成熟的AIS系统的运用，因此岸基支持子系统200和云端子系统300的配置可直接利用现有技术AIS系统或VTS系统的相关配置，有利于减少部分经济支出，使得智慧航标子系统100与现有技术中的AIS系统和VTS系统形成更优质的配合。

所述智慧航标子系统100包括：智慧航标本体150、监控摄像头110、告警模块120、工控机130、航标通信模块160以及太阳能供电模块170，其中监控摄像头110、告警模块120、工控机130、航标通信模块160以及太阳能供电模块170均设置在智慧航标本体150上，智慧航标本体150则安装在礁石或者海上固定浮标上，上述设置中尽可能的保障智慧航标子系统100的智能性的同时减少了部分能耗器件，有利于延长太阳能供电模块170有限能量储备下的智慧航标子系统工作时长。

具体地，智慧航标本体150结构设置和安装可借鉴现有技术中常规航标的设置和安装。

监控摄像头110，用于采集所述智慧航标本体150周边环境的实时画面；

告警模块120，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；

工控机130，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块120发出“碰礁预警”警告信号；

航标通信模块160，用于上传所述实时画面至所述云端子系统300以及用于接收所述云端子系统300的通知并传输至所述工控机130；工控机130能够识别云端子系统300的通知从而采取相对应的操作，例如当接收的通知识别结果为发出“碰礁预警”警告信号，则工控机130会控制所述告警模块120发出“碰礁预警”警告信号；

太阳能供电模块170，用于为所述监控摄像头110、所述告警模块120、所述工控机130以及所述航标通信模块160供电；太阳能供电模块170包括太阳能电池板和蓄电池，优选太阳能电池板尽面积尽可能地大。

上述的智慧航标子系统100在耗能上得到限制，相比雷达，监控摄像头110在有限的太阳能供电模块170储能条件下具备更低的能耗，有利于延长智慧航标子系统100的待机时长，24小时全天工作，为来往船舶的交通行为安全保驾护航。

所述岸基支持子系统200包括：

接收模块210，用于获取所述智慧航标本体150周边环境中过往船舶通过甚高频无线电发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；

轨迹分析模块220，用于根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；

岸基通信模块230，用于将预测的船舶未来的运行轨迹发送至所述云端子系统300；其中，接收模块210和岸基通信模块230可以集成在同一收发通讯设备中。

所述云端子系统300包括：

风险评估模块310，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则通过无线通信通知所述智慧航标子系统100发出“撞船预警”警告信号。

一具体实施方式下，监控摄像头110选择功率为2w的带雨刷的微光摄像头，告警模块120选择甚高频发信机、警笛以及功率在10W左右LED航标灯；工控机130可采用和智慧交通灯控制专用的PC类的工控机，其耗电量约为50W，还可采用安卓类等嵌入式系统的工控机，其耗电量约为5W，若进一步采用单片机类的MCU，其耗电量则可降低在3W左右；航标通信模块160选择GPRS MODEM，其峰值功率一般在10W左右，假设LED航标灯每日工作时长为12h，监控摄像头110每日工作时长为24h，GPRS MODEM每日工作时长累计折合1h，如果现有普通航标所使用的太阳能供电模块储电能力可应对一个月的阴雨天气，在不增加太阳能电池面积时，本方案的智慧航标子系统100可应对10天的阴雨天气，因此本方案对能源的要求可以承受。另可通过增加太阳能电池板的方式，增加本方案的整体待机时长。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种智慧航标的船舶交通管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：采集智慧航标周边环境的实时画面；捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号；

S20：获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则发出“撞船预警”警告信号。

2.根据权利要求1所述的一种智慧航标的船舶交通管理方法，其特征在于，所述步骤S10中通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号；所述步骤S20中通过甚高频无线电发出“撞船预警”语音警告信号。

3.根据权利要求2所述的一种智慧航标的船舶交通管理方法，其特征在于，所述步骤S10中还通过警笛和航标灯发出“碰礁预警”声光警告信号；所述步骤S20中还通过警笛和航标灯发出“撞船预警”声光警告信号。

4.根据权利要求1所述的一种智慧航标的船舶交通管理方法，其特征在于，所述步骤S10中还包括上传所述实时画面。

5.根据权利要求1所述的一种智慧航标的船舶交通管理方法，其特征在于，所述步骤S10中所述捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则发出“碰礁预警”警告信号包括：

每间隔N秒获取一次所述实时画面的帧图像；

将所述实时画面第iN秒的帧图像A导出三维矩阵a，在所述实时画面第（i+1）N秒的帧图像中添加预设电子围栏区域警戒线形成帧图像B并导出三维矩阵b，将所述三维矩阵b与所述三维矩阵a相减以获得三维矩阵c，将所述三维矩阵c转换为帧图像C，其中i=0,1,2....，N为预设的自然数；

判断所述帧图像C中所述运动目标的像素点是否分布于预设电子围栏区域警戒线的两侧，若两侧均存在所述运动目标的像素点，则判定所述运动目标进入预设电子围栏区域内，发出“碰礁预警”警告信号。

6.一种智慧航标的船舶交通管理系统，其特征在于，所述系统包括：

监控摄像头，用于采集智慧航标周边环境的实时画面；

告警模块，用于发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；

工控机，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块发出“碰礁预警”警告信号；

接收模块，用于获取智慧航标周边环境中过往船舶发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；

轨迹分析模块，用于根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；

风险评估模块，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则控制所述告警模块发出“撞船预警”警告信号。

7.根据权利要求6所述的一种智慧航标的船舶交通管理系统，其特征在于，所述告警模块包括甚高频发射单元，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”语音警告信号和“撞船预警”语音警告信号。

8.根据权利要求7所述的一种智慧航标的船舶交通管理系统，其特征在于，所述告警模块还包括警笛和航标灯。

9.根据权利要求6所述的一种智慧航标的船舶交通管理系统，其特征在于，所述系统还包括上传模块，用于上传所述实时画面至云端。

10.一种智慧航标的船舶交通管理系统，其特征在于，所述系统包括智慧航标子系统、岸基支持子系统和云端子系统，

所述智慧航标子系统包括：

智慧航标本体；

监控摄像头，用于采集所述智慧航标本体周边环境的实时画面；

告警模块，用于通过甚高频无线电发出“碰礁预警”警告信号和“撞船预警”警告信号；

工控机，用于捕捉所述实时画面中的运动目标，并判断所述运动目标是否进入预设电子围栏区域内，若进入，则控制所述告警模块发出“碰礁预警”警告信号；

航标通信模块，用于上传所述实时画面至所述云端子系统以及用于接收所述云端子系统的通知并传输至所述工控机；

太阳能供电模块，用于为所述监控摄像头、所述告警模块、所述工控机以及所述航标通信模块供电；

所述岸基支持子系统包括：

接收模块，用于获取所述智慧航标本体周边环境中过往船舶通过甚高频无线电发送的船舶信息，所述船舶信息包括船舶的实时位置信息；

轨迹分析模块，用于根据所述船舶信息获取船舶的运行轨迹并预测其未来的运行轨迹；

岸基通信模块，用于将预测的船舶未来的运行轨迹发送至所述云端子系统；

所述云端子系统包括：

风险评估模块，用于根据船舶未来的运行轨迹和预设交通冲突计算模型，计算两两船舶相撞的概率，若概率超过一预设阈值，则通过无线通信通知所述智慧航标子系统发出“撞船预警”警告信号。