CN109976290A - 一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，包括：采集无人船在航行状态下的环境信息和船舶的自身状况信息的数据采集单元；接收所述数据采集单元传送的数据信息的控制单元，所述控制单元对接收到的数据信息进行分析对无人船的航速和航向进行实时控制，同时所述控制单元根据接收到的信息判断船舶的故障来源并针对不同的故障采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估。当无人船在遇到各种故障及险情时，无人船可依据预先设定的评估规则进行自我判断，在第一时间内进行自我救助，并通知岸基平台人员前来救援，可在很大程度上避免巨大灾难的发生。

Description

一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统

技术领域

本发明涉及无人船控制技术领域，尤其涉及一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统。

背景技术

无人船的研究是近几年航运事业发展的重点，而无人船在航行过程中的安全是研究的重中之重。就目前而言，无人船主要还是通过船上的感知设备进行航行状态数据的检测，再通过GPS定位的方式对无人船进行位置跟踪。这种方式在无人船发生故障或遭遇险情时，只能等待救援，无法在第一时间内自动判断故障或险情。比如在遇到船上设备起火的险情时，只有等救援人员到达无人船时才能进行灭火，而此时很有可能造成人员伤亡。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，具体方案包括：

采集无人船在航行状态下的环境信息和船舶的自身状况信息的数据采集单元；

接收所述数据采集单元传送的数据信息的控制单元，所述控制单元对接收到的数据信息进行分析对无人船的舵机和发动机转速进行实时控制，同时所述控制单元根据接收到的信息判断船舶的故障来源并针对不同的故障采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估；

所述控制单元的输入端连接有为该系统提供电能的电源单元，所述电源单元至少包括主电源和备用电源；

所述控制单元的输出端连接有用于与外部通信的通信单元。

进一步的，所述数据采集单元包括电力采集模块、转向采集模块、动力采集模块、能源采集模块、姿态角采集模块、环境信息采集模块、AIS采集模块和GPS采集模块；

所述电力采集模块采集船舶的电压信息和电流信息，所述转向采集模块采集船舶的舵角、操舵指令信息，所述动力采集模块采集船舶的航速、加速度、主机转速和主机温度信息，所述能源采集模块采集备用电源的电量信息、燃油压力信息和机油压力信息，所述姿态角采集模块采集船舶的艏向角、航向角、纵摇角和横滚角信息，所述环境信息采集模块采集海面的水温、水深、风速和风向信息，所述AIS采集模块采集无人船附近船只的船位、船名、船速和航向信息，所述GPS采集模块采集无人船在航行过程中的经纬度信息。

进一步的，所述船舶的故障来源包括船体结构受损、通信单元系统故障、船舶上的动力系统、转向系统、导航系统和电力系统故障，所述控制单元根据船舶故障的严重程度发出报警信号或通知岸基指挥中心进行救援工作。

进一步的，所述控制单元根据船舶不同的故障采取不同的评估方法具体包括：当通信单元系统故障时所述控制单元判断是否是岸基指挥中心与无人船通信失败，如果是则控制无人船立即返航，如果否则岸基指挥中心发挥正常作用、所述控制单元判断故障来源并将故障情况发送至岸基指挥中心请求救援。

进一步的，所述船舶上的动力系统故障包括发电设备故障、配电设备故障、电力网故障和用电设备故障。

进一步的，当转向系统发生故障时所述控制单元发出立即停止船舶的指令信号、并发出报警信号；当导航系统发生故障时所述控制单元将船舶的自主航行权移交至岸基指挥中心、岸基指挥中心控制无人船舶立即返航；当电力系统发生故障时所述控制单元通知岸基指挥中心对船舶上的用电设备进行远程调试和维修。

进一步的，所述控制单元采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估时，其中安全评估规则的环境因素包括水深、风速、海浪、火灾烟雾、航行禁区、防盗、靠泊漂移和海域广阔程度因素。

进一步的，针对不同的环境因素所述控制单元做出如下航行决策：

根据无人船的水深数据所述控制单元判断船舶是否搁浅或者触礁，若水深小于无人船吃水深度阈值，则立即减速；若水深小于吃水深度阈值I，螺旋桨停转；若水深小于吃水深度阈值II，螺旋桨反转并离开此海域；

如果风速大于设定阈值、或者船体本身的纵摇角超过设定的极限纵摇角时，所述控制单元发出立即停止当前任务的指令信号、并向岸基指挥中心发送倾覆警报和立即返航信号；

如果无人船内烟雾浓度大于设定阈值、无人船内发生防盗信号或发生靠泊漂移警报信号时所述控制单元向岸基指挥中心发出求救信号；

进一步的，当无人船与海岸距离小于设定海里阈值时，所述控制单元控制无人船此时不执行任何任务且低速航行至目标码头。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，当无人船在遇到各种故障及险情时，无人船可依据预先设定的评估规则进行自我判断，在第一时间内进行自我救助，并通知岸基平台人员前来救援，可在很大程度上避免巨大灾难的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的实施例的示意图；

图3为本发明系统的实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图3所示的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，包括数据采集单元、控制单元，所述控制单元上连接有通信单元和电源单元。

其中数据采集单元在工作状态下采集无人船在航行状态下的环境信息和船舶的自身状况信息，其中数据采集单元包括电力采集模块、转向采集模块、动力采集模块、能源采集模块、姿态角采集模块、环境信息采集模块、AIS采集模块和GPS采集模块；所述电力采集模块采集船舶的电压信息和电流信息，所述转向采集模块采集船舶的舵角、操舵指令信息，所述动力采集模块采集船舶的航速、加速度、主机转速和主机温度信息，所述能源采集模块采集备用电源的电量信息、燃油压力信息和机油压力信息，所述姿态角采集模块采集船舶的艏向角、航向角、纵摇角和横滚角信息，所述环境信息采集模块采集海面的水温、水深、风速和风向信息，所述AIS采集模块采集无人船附近船只的船位、船名、船速和航向信息，所述GPS采集模块采集无人船在航行过程中的经纬度信息。

进一步的，所述控制单元对接收到的数据信息进行分析对无人船的航速和航向进行实时控制，同时所述控制单元根据接收到的信息判断船舶的故障来源并针对不同的故障采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估。

所述控制单元上连接有通信单元和电源单元，所述电源单元包括主电源和备用电源，所述控制单元通过通信单元与岸基指挥中心无线数据通信。

本方案中核心控制子系统的电源单元包括：主电源、电源切换电路和备用单元。当无人船电力系统发生故障时，电源单元就会将控制单元的电源从主电源通过电源切换电路换成备用电源，保证核心控制子系统的电源供应。

进一步的，所述船舶的故障来源包括船体结构受损、通信单元系统故障、船舶上的动力系统、转向系统、导航系统和电力系统故障，所述控制单元根据船舶故障的严重程度发出报警信号或通知岸基指挥中心进行救援工作。针对不同的故障采取不同的评估方法进行航行安全评估，最终为控制决策提供参考。其中船体结构受损包括：船体腐蚀、船体碰撞、通信子系统故障、动力系统故障、电力系统故障、发电设备故障、导航系统故障和转向系统故障。本方案中船体结构受损的船体腐蚀主要因为海水、大气中的海盐粒子与水发生的化学反应造成。针对该问题，只能进行日常的维护保养，并定期由专业人员进行船体受腐蚀程度分析，当受腐蚀程度达到一定程度时，禁止无人船出海航行并进行相应的维修。本方案中船体结构受损的船体碰撞采取以下应急措施:

船体受损程度小，受损部位位于水面以上部位，船舱完好，密闭性未受损，说明碰撞程度小，此时事故发生的原因有以下可能：1、无人船与其他船只发生碰撞。2、无人船与海上建筑物(如桥墩、海上钻井平台)或海上漂浮物(如浮标、测量装置)发生碰撞；在上述状况下，由于相撞后各设备可能会受损，涉及法律相关的民事赔偿等问题，此时不能直接离开，需向岸基指挥中心发送一级碰撞警报，请求人员到达事故现场进行协商。船体受损程度大，船舱破裂进水但未倾覆，说明无人船遭遇猛烈撞击，事故原因有以下可能：1、无人船高速航行时触礁；2、无人船与其他船只猛烈相撞；在上述状况下，由于无人船此时船舱破裂，有沉没可能，此时必须立即返航，并通知岸基指挥中心迅速派出救援队接应无人船。若是与船只发生碰撞，此时无人船向12395发送求救信号，并播报发生事故时的位置坐标，为另一船只寻求救援。船体倾覆，无人船丧失机动能力，事故原因有以下可能：1、海况恶劣，被风浪颠覆；2、与其他船只相撞；在上述状况下，无人船必须向岸基指挥中心发送倾覆警报，等待救援。

进一步的，通信单元采用CAN、WiFi、蓝牙、网络、微波和北斗报文方式进行数据通信。针对不同的通信子系统故障采取不同的评估标准。本方案中通信子系统的CAN通信主要用于采集无人船航行状态数据采集，包括GPS、AIS、航向角、船舶姿态角、航速、燃油和水深等数据信息。当CAN通信发生故障时，此时由于无法感知周围环境，盲目航行可能会造成撞船、搁浅和触礁等海上事故，无人船航行安全受到较大影响，因此选择原路返航。

本方案中岸船通信虽有多种方式，但作用都是为了实现岸基与无人船之间的通信，因此只要不是所有方式都失效，岸基指挥中心就能发挥其监测作用。如果所有通信都失效，而无人船本身航行状态良好，此时必须根据实际情况判断是否立即返航，是否立即返航准则如下：1、若此时海况不大于二级，周围海域广阔，水深达到无人船航行标准，以无人船为中心的设定海里内航行船只数量不大于设定值，则可以继续航行执行预先设定的任务，最后返航；2、若上述条件不能同时得到满足，则立即返航。

本方案中动力系统发生故障时，那么无人船航行受限程度就大大增加，根据动力系统受损程度，采取以下措施：1、动力系统部分受损，即无人船虽然航行性能下降，但依然可以移动，此时必须中断预先设定的任务，尽快返回预定港口。2、动力系统全部受损，即无人船丧失一切航行能力，此时无人船会向岸基指挥中心发送动力系统故障报警以及此时的位置坐标，等待救援。

本方案中电力系统发生故障包括发电设备故障、配电设备故障、电力网故障和用电设备故障。本方案中电力系统的发电设备包括主电源—柴油发电机组和备用电源—蓄电池。当主电源受损时，无人船备用电源将临时发挥作用，为船舶提供通讯和导航服务，此时必须尽快返航，并向岸基监测子系统发送相应报警。若返航距离过长，当备用电源电量低于设定阈值时，持续向岸基监测子系统重点发送当前位置坐标。本方案中电力设备的配电设备负责对电源和用电设备进行保护、监测、分配、转换和控制。当配电设备发生故障时，可能会造成整个无人船电力系统的功能紊乱，通讯、导航和照明异常，为了安全起见，此时无人船停止任务，返航。本方案中电力设备的电力网是全船电缆电线的总称，电缆电线通常采用多股软线组成，可防火、放油、防机械冲击。当用电设备或电力网出现短路等电路故障时，不仅会造成负载工作不正常，严重还会造成火灾等严重灾害。此时无人船必须立即返航，向岸基监测子系统发送火灾警报，且配合船上消防设备，一旦发生火灾，立即采取扑灭补救措施。本方案中电力系统的用电设备主要包括照明设备、通信设备、舱室内的制冷设备等。虽然有总众多用电设备，但不是所有的设备受损都会影响船舶航行安全，比如照明设备。然而，通信设备受损必然会影响航行安全；另外舱室内的部分制冷设备，比如发动机的冷却设备受损，必然会导致主机温度过高，影响无人船的推进性能，因此必须返航。

本方案中导航系统发生故障，无人船在航行过程中无法感知自身位置与周围环境状况，因此极易发生碰撞事故，不仅会对无人船本身造成破坏，对周围航行船只、海上设施等建筑物也是一种威胁。因此在这种情况下，无人船必须将系统，由岸基监控子系统人工控制返航。

本方案中转向系统主要由舵及其相关设备组成。当转向系统发生故障，那么无人船就只能直线航行，这种情况将对无人船和其他船只构成航行威胁，必须停止。若发生上述情况，那么无人船必须向岸基监测子系统发送转向系统故障报警，请求排出救援队。

下面对安全评估规则中的环境因素进行详细说明：

本方案中安全评估规则的环境因素包括水深、风速、海浪、火灾烟雾、航行禁区、防盗、靠泊漂移和海域广阔程度等。针对不同的环境状况，分别采取以下的航行决策：

本方案中环境因素的水深对无人船航行的影响主要是可能造成无人船触礁和搁浅。无人船根据数据采集子系统中采集到的水深数据，判断自身是否会搁浅或触礁。水深小于设定的无人船吃水深度(1.5-2倍)时候，则立即减速；若水深(1.2-1.5倍)吃水深度，螺旋桨停转；若水深小于(1.08-1.2倍)吃水深度，螺旋桨反转，尽快离开此海域。

本方案中环境因素的风速、海浪会对无人船航行造成较大影响。通常无人船航行之前会根据天气预报选择是否出海航行或者选择最安全的航行路线，但如果在航行过程中不可避免的遇到高风速高海浪事，对于重心较高的无人船或风浪影响较大的小型船只，此时航行安全受到很大的影响，甚至会造成船体倾覆的严重后果。因此当无人船检测到风速大于0.8-1倍船体抗风等级，或者船体本身的纵摇角超过设定的极限纵摇角时，必须立即停止当前任务，向岸基监测子系统发送倾覆警报，立即返航。

本方案中环境因素的火灾烟雾可由无人船内的烟雾传感器检测到，当烟雾超过一定的浓度时，自动打开无人船上的消防装置，并向岸基监测子系统发送火灾警报，并立即返航。本方案中环境因素的航行禁区是指当有军事行动划定相应的航行禁区时，无人船误入该禁区会触发航行禁区报警，并立即驶离该区域。本方案中环境因素的的防盗因素是指无人船在被盗窃时会触发防盗报警，岸基监测子系统可使用最高管理员权限，此时无人船完全被岸基监测子系统控制，人员无法在船上驾驶船。本方案中环境因素的靠泊漂移指无人船在靠泊后，由于海浪的作用以及人为疏忽导致无人船不受控制的漂移。在这种情况下会触发靠泊漂移警报，通知人员采取相应的措施。

本方案中环境因素的海域广阔程度会限制无人船的航行范围。无人船航行受海域广阔程度的影响较大时主要在近海海域，离岸较近时航行容易搁浅，且近海海域船只较多，也容易发生碰撞事故，因此当无人船与海岸距离小于设定的海里阈值时，为了无人船和其他船只的安全，无人船此时不执行任何任务且低速航行至目标码头。下面对安全评估规则中的环境因素进行详细说明：

本方案中安全评估规则的航行因素主要受周围航行船只的影响，当附近海域航行船只较多时，各种不确定因素导致发生事故的概率显著增大，因此必须慎重考虑周围航行船只对无人船航行安全的影响。在该种状况下，无人船应采取低速航行驶离船只较多水域，然后再执行相应的任务。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征在于包括：

采集无人船在航行状态下的环境信息和船舶的自身状况信息的数据采集单元；

接收所述数据采集单元传送的数据信息的控制单元，所述控制单元对接收到的数据信息进行分析，并对无人船的舵机和发动机转速进行实时控制，同时所述控制单元根据接收到的信息判断船舶的故障来源并针对不同的故障采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估；

所述控制单元的输入端连接有为该系统提供电能的电源单元，所述电源单元至少包括主电源和备用电源；

所述控制单元的输出端连接有用于与外部通信的通信单元。

2.根据权利要求1所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：所述数据采集单元包括电力采集模块、转向采集模块、动力采集模块、能源采集模块、姿态角采集模块、环境信息采集模块、AIS采集模块和GPS采集模块；

所述电力采集模块采集船舶的电压信息和电流信息，所述转向采集模块采集船舶的舵角和操舵指信息，所述动力采集模块采集船舶的航速、加速度、主机转速和主机温度信息，所述能源采集模块采集备用电源的电量信息、燃油压力信息和机油压力信息，所述姿态角采集模块采集船舶的艏向角、航向角、纵摇角和横滚角信息，所述环境信息采集模块采集海面的水温、水深、风速和风向信息，所述AIS采集模块采集无人船附近船只的船位、船名、船速和航向信息，所述GPS采集模块采集无人船在航行过程中的经纬度信息。

3.根据权利要求1所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：所述船舶的故障来源包括船体结构受损、通信单元系统故障、船舶上的动力系统、转向系统、导航系统和电力系统故障，所述控制单元根据船舶故障的严重程度发出报警信号或通知岸基指挥中心进行救援工作。

4.根据权利要求3所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：所述控制单元根据船舶不同的故障采取不同的评估方法具体包括：当通信单元系统故障时所述控制单元判断是否是岸基指挥中心与无人船通信失败，如果是则控制无人船立即返航，如果否则岸基指挥中心发挥正常作用、所述控制单元判断故障来源并将故障情况发送至岸基指挥中心请求救援。

5.根据权利要求3所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：所述船舶上的电力系统故障包括发电设备故障、配电设备故障、电力网故障和用电设备故障。

6.根据权利要求3所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：当转向系统发生故障时所述控制单元发出立即停止船舶的指令信号、并发出报警信号；当导航系统发生故障时所述控制单元将船舶的自主航行权移交至岸基指挥中心、岸基指挥中心控制无人船舶立即返航；当电力系统发生故障时所述控制单元通知岸基指挥中心对船舶上的用电设备进行远程调试和维修。

7.根据权利要求3所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：所述控制单元采取不同的安全评估规则对船舶航行进行安全评估时，其中安全评估规则的环境因素包括水深、风速、海浪、火灾烟雾、航行禁区、防盗、靠泊漂移和海域广阔程度因素。

8.根据权利要求7所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：针对不同的环境因素所述控制单元做出如下航行决策：

根据无人船的水深数据所述控制单元判断船舶是否搁浅或者触礁，若水深小于无人船吃水深度阈值，则立即减速；若水深小于吃水深度阈值I，螺旋桨停转；若水深小于吃水深度阈值II，螺旋桨反转并离开此海域；

如果风速大于设定阈值、或者船体本身的纵摇角超过设定的极限纵摇角时，所述控制单元发出立即停止当前任务的指令信号、并向岸基指挥中心发送倾覆警报和立即返航信号；

如果无人船内烟雾浓度大于设定阈值、无人船内发生防盗信号或发生靠泊漂移警报信号时所述控制单元向岸基指挥中心发出求救信号。

9.根据权利要求8所述的一种无人船航行状态监控及安全评估控制系统，其特征还在于：当无人船与海岸距离小于设定海里阈值时，所述控制单元控制无人船此时不执行任何任务且低速航行至目标码头。