CN111220985B - 一种靠离泊辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种靠离泊辅助系统，包括：全方位感知设备用于对船舶的靠离泊过程进行监测，得到实时监测数据；自动控制模块包括数据融合子模块和控制子模块，其中数据融合子模块用于对全方位感知设备的实时监测数据进行加权融合，得到融合值；控制子模块用于根据融合值结合岸基中心发送的靠泊指令对船舶靠泊的时机进行分析，生成对全方位感知设备的启停进行控制的控制指令和对执行机构的启停进行控制的指令建议；控制器用于接收控制指令，并对控制指令进行解析，根据解析结果向全方位感知设备发出相应的启停指令显示设备，用于显示相关数据。本发明解决码头上的激光探测器无法探测本船与其他船舶距离，数据传输存在延时导致碰撞风险较大的问题。

Description

一种靠离泊辅助系统
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种靠离泊辅助系统。
背景技术
随着造船技术和航海技术的发展，大型船舶的应用越来越多，但是可控性难度更大，对船舶靠离泊作业要求更高。在船舶靠离泊作业过程中，要求驾引人员时刻掌握船舶周边态势、航道及水文气象信息，确保船舶能够航行在特定的航线上。
目前，已普遍使用的ARPA雷达、卫星导航定位等助航设备无法为驾引人员提供直观、精确、迅速的靠离泊作业信息，驾引人员要靠目视和经验来协助引航，但是目视易受诸多因素的影响，如航道上航标亮度和海上能见度等，从而影响驾引人员做出正确的决策。又由于港口贸易的不断增长、船运量不断增多，港口附近航道环境变得越来越复杂，威胁船舶的靠离泊安全。为有效避免上述不利因素，需要利用辅助大型船舶靠离泊作业的仪器设备。
但是现有船舶自动靠离泊系统采用岸基中心根据感知信息进行碰撞风险预警，由岸基中心判断后传输至船舶，继而船舶进行风险处置决策和相应操纵，受无线传输网络速率限制较大，存在延迟问题，更有可能出现因无线传输问题导致发生碰撞的风险较大，容易造成紧迫局面。
基于上述，现有技术中的船舶靠离泊系统在实际靠泊过程中设置在码头上的激光探测器无法探测本船与其他船舶距离，数据传输存在延时导致碰撞风险较大的问题。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种靠离泊辅助系统，解决现有技术中船舶靠离泊系统设置在码头上的激光探测器无法探测本船与其他船舶距离，数据传输存在延时导致碰撞风险较大的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种靠离泊辅助系统，用于与岸基中心进行无线通信，其包括：
全方位感知设备，用于对船舶的靠离泊过程进行监测，得到实时监测数据；
自动控制模块，与所述全方位感知设备连接，包括数据融合子模块和控制子模块，其中所述数据融合子模块用于对所述全方位感知设备的所述实时监测数据进行加权融合，得到融合值；所述控制子模块用于根据所述融合值结合岸基中心发送的靠泊指令对船舶靠泊的时机进行分析，生成对所述全方位感知设备的启停进行控制的控制指令以及对执行机构的启停进行控制的指令建议，其中所述执行机构包括主机、侧推设备；
控制器，与所述全方位感知设备和所述自动控制模块连接，用于接收所述控制指令，并对所述控制指令进行解析，根据解析结果向所述全方位感知设备发出相应的启停指令显示设备，与所述全方位感知设备、所述自动控制模块连接，用于显示所述实时监测数据、所述控制指令和所述指令建议。
在本发明的一种示例性实施例中，所述全方位感知设备包括以CAN数据总线接口集成的多个设备；所述多个设备包括：布设在船舶两侧的6个激光雷达、布设在船舶两侧以及船首和船尾的6个毫米波雷达、分别布设在船舶的前端、中部和后端的3个全景摄像头和3个全景红外摄像头、计程仪、GPS和光电传感器；
其中6个激光雷达分为左舷激光雷达工作组和右舷激光雷达工作组，所述左舷激光雷达工作组包括左舷1激光雷达、左舷2激光雷达、左舷3激光雷达，所述右舷激光雷达工作组包括右舷1激光雷达、右舷2激光雷达、右舷3激光雷达；6个毫米波雷达分为船首毫米波雷达、船尾毫米波雷达以及左舷毫米波雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组，所述左舷毫米波雷达组包括左舷1毫米波雷达、左舷2毫米波雷达，所述右舷毫米波雷达组包括右舷1毫米波雷达、右舷2毫米波雷达。
在本发明的一种示例性实施例中，所述实时监测数据包括船舶与码头之间的实时距离、船舶与预定泊位相邻泊位内船舶的实时距离。
在本发明的一种示例性实施例中，所述加权融合子模块用于：
根据所述6个激光雷达和所述6个毫米波雷达的测量值分别通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子；
对6个激光雷达的测量值结合所述第一最优加权因子进行计算得到激光雷达融合值；对6个毫米波雷达的测量值结合所述第二最优加权因子进行计算得到毫米波雷达融合值。
在本发明的一种示例性实施例中，所述通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子包括：根据各个测量值的方差求得总方差，根据多元函数的求极值理论，求得所述总方差最小时对应的加权因子为最优加权因子；
其中最优加权因子的计算公式为：
此时，对应的总方差最小值的计算公式为：
在本发明的一种示例性实施例中，所述控制子模块包括：
时机判断单元，用于船舶在向预定泊位移动过程中，接收岸基中心发送的靠泊指令以及流速流向和航速航向，结合所述融合值判断船舶靠泊的时机，所述靠泊的时机包括：主机停止工作时的船舶的位置、角度和速度；
指令生成单元，用于生成船舶在向预定泊位移动过程中对布设在船舶两侧的多个设备的启停产生相应的控制指令。
在本发明的一种示例性实施例中，所述指令生成单元用于：
判断船舶是左舷靠泊还是右舷靠泊，如果是左舷靠泊则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；
开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组后，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行；
判断船舶的右舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；
按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。
在本发明的一种示例性实施例中，所述指令生成单元还用于：
判断船舶是左舷靠泊还是右舷靠泊，如果是右舷靠泊则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；
开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组后，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行；
判断船舶的左舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；
按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。
在本发明的一种示例性实施例中，所述指令建议包括对主机进行控制的建议，所述控制子模块包括：
建议生成单元，用于对船舶的靠泊速度进行监测，如果所述靠泊速度超过预设速度值，则生成对主机减速的建议。
在本发明的一种示例性实施例中，所述指令建议还包括对侧推设备进行控制的建议，所述建议生成单元还用于：
在靠泊过程中，如果监测到靠泊方向发生偏离、风速风向发生突变或流速流向发生突变时，则生成控制船舶两侧的侧推设备动力分配的建议。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的靠离泊辅助系统，通过在船端设置全方位感知设备，并将各个设备实时监测的数据进行融合处理，不仅可以探测靠离泊过程中的船岸距离，还可以探测靠离泊过程中本船与预定泊位前后泊位中船舶的船船距离，可以提高靠离泊过程中船岸距离探测的准确性与稳定性，更加可靠。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种靠离泊辅助系统的示意图；
图2为本发明图1中全方位感知设备与码头和岸基中心通信关系的示意图；
图3为本发明一实施例中全方位感知设备的布设示意图；
图4为本发明一实施例中对全方位感知设备中的各设备与数据库进行协议转换的示意图；
图5为本发明一实施例中以太网转CAN协议流程图；
图6为本发明一实施例中CAN转以太网协议流程图
图7为本发明一实施例中控制子模块的示意图；
图8为本发明一实施例中自动控制模块的原理图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明相关实施例中提供一种能智能跟踪扫描船体的靠泊、漂移预警系统，其技术方案如下：该智能跟踪扫描船体的靠泊、漂移预警系统，包括工作站、显示终端、手持引航仪以及安装在码头上的激光探测器，通过安装在码头上的激光探测器对船舶进行探测，计算后得出船舶角度、速度等参数数据，利用无线通讯将数据传输到手持引航仪及显示终端上，通过引航员对参数的理解与判断，向操船者提供操纵建议，以此为靠泊提供辅助。靠离泊作业设备通过激光测距仪、舰用差分卫导接收机等测量手段为驾引人员提供更加详细、准确、实时的靠离泊动态数据，辅助驾引人员更好地控制靠离泊作业过程，提高工作效率和作业安全性，使驾引人员从过去纯粹凭经验靠感觉定势靠泊到利用先进设备数字定量靠泊。
但是上述方法是将激光探测器固定在码头上，在泊位前后已经有船舶靠泊的情况下，激光探测器无法正常提供船舶距岸距离，也无法提供船舶靠离泊过程中与其他船舶之间的距离。且由于激光探测器是位于码头上，在数据传输过程中会存在延迟问题。若靠离泊时码头附近干扰较强，延迟进一步扩大，则极有可能因此形成紧迫局面。
为解决上述系统及实际靠离泊过程中无法探测本船与其他船舶距离、延迟影响较大的问题，提高靠离泊过程的安全性，保证靠离泊过程中船舶自身与船上人员的安全，提出本发明，用以解决下述问题：
(1)解决现有靠离泊辅助系统无法探测靠离泊过程中本船与已在泊位中船舶实际距离的问题；
(2)解决现有靠离泊辅助系统在前后泊位已有船舶靠泊时，可能无法正常提供船舶距岸距离的问题；
(3)解决现有靠离泊辅助系统因传输延迟可能造成紧迫局面的问题。
(4)解决不同感知设备间数据传输协议不同导致的数据无法集中显示问题。
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种靠离泊辅助系统，适用于普通的有人船，用于与岸基中心进行无线通信。图1为本发明一实施例提供的一种靠离泊辅助系统的示意图，如图1所示，该系统100包括：全方位感知设备110、自动控制模块120、控制器130和显示设备140。
其中全方位感知设备110用于对船舶的靠离泊过程进行监测，得到实时监测数据；自动控制模块120与所述全方位感知设备110连接，包括数据融合子模块和控制子模块，其中所述数据融合子模块用于对所述全方位感知设备的所述实时监测数据进行加权融合，得到融合值；所述控制子模块用于根据所述融合值结合岸基中心发送的靠泊指令对船舶靠泊的时机进行分析，生成对所述全方位感知设备的启停进行控制的控制指令以及对执行机构的启停进行控制的指令建议，其中所述执行机构包括主机、侧推设备；控制器130与所述全方位感知设备110和所述自动控制模块120连接，用于接收所述控制指令，并对所述控制指令进行解析，根据解析结果向所述全方位感知设备发出相应的启停指令；显示设备140与所述全方位感知设备110、所述自动控制模块120连接，用于显示所述实时监测数据、所述控制指令和所述指令建议。
在本发明的一种示例性实施例中，为了解决现有靠离泊辅助系统固定在码头上的激光探测器因遮挡无法探测靠离泊过程中本船与已在泊位中船舶实际距离的问题，提出一种全方位感知设备，包括以CAN数据总线接口集成的多个设备；所述多个设备包括：布设在船舶两侧的6个激光雷达、布设在船舶两侧以及船首和船尾的6个毫米波雷达、分别布设在船舶的前端、中部和后端的3个全景摄像头和3个全景红外摄像头、计程仪、GPS和光电传感器。
图2为本发明图1中全方位感知设备与码头和岸基中心通信关系的示意图，如图2所示，主要包括船端的全方位感知设备、码头和岸基中心三部分。利用船舶自身所具有的激光雷达、毫米波雷达、GPS/DGPS、全景摄像头、全景红外摄像头、计程仪和通讯设备与码头固定安装的激光探测器、岸基指挥中心三部分相配合，对船舶的靠离泊过程进行实时监测，将全方位感知设备探测到的船舶与码头之间的距离、船舶与预定泊位周围泊位内船舶的距离实时传输到船桥(或信息集成平台等数据显示平台)，为操船者提供操纵依据。
如图2所示，码头固定安装的激光探测器、岸基中心与船舶自身之间通过无线通讯的方式进行数据传输，码头上对应预定泊位的前后位置设置有两个激光探测器，预定泊位前后两个相邻的泊位分别为泊位1和泊位2。操船者在操纵船舶时可以直观的看到岸基中心传输的靠泊码头附近的航道水深、航道宽度、其他船舶动态等信息，码头固定安装的激光探测器探测到的船舶与码头的相对距离，船舶自身搭载的激光雷达、毫米波雷达探测到的船舶与码头的实时距离、船舶与码头预定泊位前后泊位内船舶的实时距离。通过在船端设置多角度的全方位感知设备，解决现有靠离泊辅助系统无法探测靠离泊过程中本船与已在泊位中船舶实际距离的问题，以及在预定泊位前后泊位已有船舶靠泊时，可能无法正常提供船舶距岸距离的问题。
图3为本发明一实施例中全方位感知设备的布设示意图，如图3所示，对激光雷达、毫米波雷达等具体布设位置和数量进行示意性标注。
1)如图3所示，6个激光雷达分为左舷激光雷达工作组和右舷激光雷达工作组，分别布设于船体两侧，其中所述左舷激光雷达工作组包括左舷1激光雷达、左舷2激光雷达、左舷3激光雷达，所述右舷激光雷达工作组包括右舷1激光雷达、右舷2激光雷达、右舷3激光雷达。本发明选用的激光雷达具有串口，通过接口转换器连接到CAN数据总线。
2)如图3所示，6个毫米波雷达分为船首毫米波雷达、船尾毫米波雷达以及左舷毫米波雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组，分别布设于船首、船尾和船体两侧。所述左舷毫米波雷达组包括左舷1毫米波雷达、左舷2毫米波雷达，所述右舷毫米波雷达组包括右舷1毫米波雷达、右舷2毫米波雷达。本发明选用的毫米波雷达具有CAN总线数据接口，可以直接接入CAN总线。
3)如图3所示，还包括有信息集成平台，与数据库之间可以实现双向数据传输。
4)如图3所示，本发明选用的计程仪具有VBW数据接口，通过接口转换器连接到CAN数据总线。
5)如图3所示，本发明选用的GPS具有串口，通过接口转换器连接到CAN数据总线。
6)如图3所示，激光雷达、毫米波雷达、数据库、计程仪、GPS通过CAN数据总线进行连接，并进行数据传输。
7)如图3所示，全景摄像头以及全景红外摄像头采用RS485通讯协议进行数据传输。
在本发明的一种示例性实施例中，通过显示设备140将上述毫米波雷、激光雷达、全景摄像头和全景红外摄像头采集的数据显示出来。
在本发明的一种示例性实施例中，在船端上还设置有控制器和通信装置，控制器与所述全方位感知设备和所述自动控制模块连接，用于接收所述控制指令，并对所述控制指令进行解析，根据解析结果向所述全方位感知设备发出相应的启停指令。控制器可以为PLC，船舶上各设备的自动启停控制通过PLC控制实现，各设备与PLC之间采用PLC自带模拟量以及数字量输出节点进行连接。通信装置为无线通信模块，用于与码头和岸基中心进行通信，传输数据，解决现有靠离泊辅助系统因传输延迟可能造成紧迫局面的问题。
图4为本发明一实施例中对全方位感知设备中的各设备与数据库进行协议转换的示意图，采用协议转换装置进行进行不同通讯协议间的转换。如图4所示，在协议转换模块主控制器的RAM中划分出各协议报文的存储缓冲区，包括各自的输入缓冲区和输出缓冲区，协议转换器从一种协议接受缓冲器获取报文后转换为另一种协议报文格式并存入相应的发送缓冲区。协议转换的主要内容为CAN与以太网协议转换。
图5为本发明一实施例中以太网转CAN协议流程图，如图5所示，包括以下步骤：
步骤S51：当靠离泊辅助系统启动后，判断是否有数据到以太网接口，若判断为是，则转至步骤S52；若判断为否，则直接返回，重新判断是否有数据到以太网接口；
步骤S52：进行以太网帧接收处理，分析处理以太网帧，并去除应用层数据进行处理；
步骤S53：判断是否要发往CAN，若判断是，则转步骤S54；若判断否，则直接返回，重新判断是否有数据到以太网接口。
步骤S54：将要转发数据按CAN协议格式存入CAN接口发送缓冲区；
步骤S55：置CAN发送标志位；
步骤S56：判断CAN发送标志位是否置位，若判断为是，则转至步骤S57；若判断为否，则直接返回，重新判断是否有数据到以太网接口；
步骤S57：调用CAN接口报文发送程序并清除CAN发送标志位，完成后返回重新判断是否有数据到以太网接口。
图6为本发明一实施例中CAN转以太网协议流程图，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S61：当靠离泊辅助系统启动后，判断CAN接收缓冲区是否有报文，若判断为是，则转至步骤S62；若判断否，则直接返回，重新判断CAN接收缓冲区是否有报文；
步骤S62：取CAN接收缓冲区数据进行处理，提取有效数据；
步骤S63：将有效数据按TCP/IP协议逐层封装成以太网帧；
步骤S64：将封装好的以太网帧数据存入以太网接口发送缓存区；
步骤S65：置以太网发送标志位；
步骤S66：判断以外网发送标志位是否置位，若判断为是，则转至步骤S67；若判断否，则直接返回，判断CAN接收缓冲区是否有报文；
步骤S67：调用以太网接口发送程序并清除以太网发送标志位，完成后返回重新判断CAN接收缓冲区是否有报文。
基于上述，以CAN与以太网的协议转换为例，CAN与串口、CAN与RS485之间的协议转换过程与CAN与以太网之间的协议转换相似，在此不在赘述，通过上述协议转换解决不同感知设备间数据传输协议不同导致的数据无法集中显示问题。
在本发明的一种示例性实施例中，所述实时监测数据包括船舶与码头之间的实时距离、船舶与预定泊位相邻泊位内船舶的实时距离。这些实时距离就是通过激光雷达和毫米波雷达实时采集得到的测量值。
对于全方位传感设备中各传感器采集的信息，根据各传感器工作分组工作的状态以及感知信息的不同(由于多传感器工作时，对同一障碍物进行距离感知时因自身布置位置与障碍物之间的距离不同，测量结果的数据误差就会不同，这与传感器自身的精度及特性有关)。本发明提出了一种基于熵权法的自适应加权融合算法，用于对传感器采集的数据进行数据融合，使不同传感器采集的数据融合成一个统一的感知数据(即融合值)，最终用于报警界定以及显示。因为航速以及航向的感知数据融合在GPS中为已有技术，本文不做详细介绍，本发明提出的数据融合主要针对各激光雷达、毫米波雷达感知的距离信息进行融合。
在本发明的一种示例性实施例中，所述加权融合子模块用于：首先，根据所述6个激光雷达和所述6个毫米波雷达的测量值分别通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子；其次，对6个激光雷达的测量值结合所述第一最优加权因子进行计算得到激光雷达融合值；对6个毫米波雷达的测量值结合所述第二最优加权因子进行计算得到毫米波雷达融合值。
进行融合时，采用赋权熵权法是一种客观赋权方法。在评价过程中，所获信息的大小是评价精度和可靠性的决定因素之一，如果指标的信息熵越小，该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起作用也越大，权重也越高。用熵权法确定的指标权重步骤如下：
①熵权计算的前提条件是评价矩阵存在，即一个具有n个评价对象，p个评价指标的评估体系中，假设经规范化处理后的评价矩阵为：
②第i个评价指标的熵被定义成
③在熵基础上，第i个评价指标的熵权被定义为
作为熵权，它的性质包括以下几点：
(a)各评价对象在指标i上的值接近相等时，熵值也接近最大值，熵权值却接近最小值。
(b)相反的情况是，当各个评价对象在指标i上的值差别越大时，熵值越小而熵权值越大，说明这个因素指标提供了较多有用的信息，因此这个因素指标应该被重点关注。
(c)熵权满足取值范围在(0,1)之间，且熵权和等于1。
(d)熵权不一定是指某指标实际意义上的重要性系数，而是在给定评价对象集后，在评价指标确定的情况下，各指标在竞争意义上的激烈程度。因而，熵权的大小与评价对象有着密切的联系。
(e)从信息角度看熵权，熵权反映了一个指标提供的有用信息的多少程度。
基于上述，本发明中多传感器的自适应加权融合算法原理如下：
设有n个传感器对某一对象参数进行测量，其测量值分别为X1,X2…,Xn，然后进行加权融合，该算法的总体思想是在保证总方差最小的条件下，根据各传感器的测量值，通过自适应的方式寻找与之对应的最优加权因子，使融合后的值最优。
设n个传感器的方差分别为待估计的真值为X，各传感器的测量值为X1,X2…,Xn，他们彼此相互独立，且为X的无偏估计；各传感器的加权因子分别为W1,W2,…Wn，将X1,X2…,Xn进行加权融合，则融合后的/>值满足以下关系：
总方差σ2为：
因为X1,X2…,Xn彼此相互独立，切为X的无偏估计，则有：
E(X-Xi)(X-Xj)＝0(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,n；i≠j) 公式(6)
σ2可以写为：
公式(7)中，为各传感器的方差。
由上式可见，总方差为加权因子的多元二次函数，存在最小值，可根据公式(8)求解σ2的最小值：
根据多元函数的求极值理论，可求得总方差最小时，所对应的最优加权因子为：
此时，对应的总方差的最小值为：
基于熵权法的自适应加权融合算法即为在利用熵权法得到第i个传感器的熵权ωi后，在利用自适应加权融合算法计算融合后的值时，将需要使用最优加权因子的同时乘以熵权法的计算出的熵权，使融合后的计算结果更加精确，同时最大程度避免了因传感器自身特性导致的误差。
在本发明的一种示例性实施例中，所述通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子均是根据上述步骤确定的最优加权因子。
图7为本发明一实施例中控制子模块的示意图，如图7所示，控制子模块70包括时机判断单元71、指令生成单元72和建议生成单元73。
在本发明的一种示例性实施例中，时机判断单元71用于船舶在向预定泊位移动过程中，接收岸基中心发送的靠泊指令以及流速流向和航速航向，结合所述融合值判断船舶靠泊的时机，所述靠泊的时机包括：主机停止工作时的船舶的位置、角度和速度；指令生成单元72用于生成船舶在向预定泊位移动过程中对布设在船舶两侧的多个设备的启停产生相应的控制指令；建议生成单元73用于在靠泊过程中，如果监测到靠泊方向发生偏离、风速风向发生突变或流速流向发生突变时，则生成控制船舶两侧的侧推设备动力分配的建议。其中控制指令主要是对船端感知设备的启停进行控制，指令建议主要是对主机和侧推设备进行控制给出的建议，具体为：对于主机，对船舶的靠泊速度进行监测，如果所述靠泊速度超过预设速度值，则生成对主机减速的建议；对于侧推设备，在靠泊过程中，如果监测到靠泊方向发生偏离、风速风向发生突变或流速流向发生突变时，则生成控制船舶两侧的侧推设备动力分配的建议。
图8为本发明一实施例中自动控制模块的原理图，如图8所示，所述第一指令生成单元用于当信息集成平台做出靠离泊决策后，根据靠离泊决策指令判断船舶是左舷靠泊还是右舷靠泊。
8.11)如果是左舷靠泊则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令，当判断为采用左舷靠泊的方式后，靠离泊辅助系统启动，开启左舷激光雷达工作组，左舷毫米波雷达工作组，开启船艏、船艉毫米波雷达。
8.12)开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组后，左舷激光雷达工作组、左舷毫米波雷达工作组、船艏毫米波雷达、船艉毫米波雷达启动以及右舷2激光雷达均启动，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则说明当前天气可视条件良好，生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则说明当前天气可视条件较差，生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行。该过程中可视条件是指白天以及夜晚的区分，并非区分雾天与晴天。
8.13)在根据可视条件开启对应摄像头后，需要以固定的周期对当前的可视条件进行判断，并根据可视条件判断的结果，开启对应的摄像头。主要是判断船舶的右舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令。
在保持稳定靠离泊的过程中，需要依靠右舷2激光雷达以及船艏船艉毫米波雷达感知的结果判断右舷是否有威胁到船舶靠离泊安全的障碍物，若判断是，则开启右舷激光雷达工作组、开启右舷毫米波雷达工作组；当判断右舷无威胁船舶靠离泊安全的障碍物时，船舶感知设备保持当前状态稳定运行。
8.14)按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。当开启右舷激光雷达工作组、右舷毫米波雷达工作组后，需要以固定的周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果判断结果为是，则关闭右舷激光雷达工作组，右舷毫米波雷达工作组，并返回以固定周期判断右舷是有障碍物威胁船舶靠离泊安全；若判断结果为否，则保持当前工作状态稳定运行，并以固定周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离。
右舷靠泊方式与左舷靠泊过程完全相似，大致介绍如下：
8.21)如果是右舷靠泊则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令。
8.22)开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组后，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行。
8.23)判断船舶的左舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令。
8.24)按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。
基于上述，本发明提出的靠离泊辅助系统在信息集成平台中搭载判断算法，能够在船舶移动向靠泊前预定位置过程中、靠泊速度过快时、靠泊方向偏离时、风速风向突然变化时、流速流向突然变化时向船舶操纵人员发出操纵信号或报警信号，并给出操纵建议，通过显示设备进行显示，以便船上人员看到建议后及时调整操作。
在船舶移动想靠泊前预定位置的过程中，根据岸基中心传输的流速流向、航速航向判断主机提前停车的时机，使船舶能够淌航道预定位置，不仅节约燃油成本，更能够为实现在预定位置停泊减少主机反复正车倒车的次数，增加主机使用的寿命。
在靠泊速度过快时，能够给出超速报警，并给出减速建议，避免船舶碰撞的可能性，更大限度的保证船舶靠泊的安全性。
在靠泊方向偏离、风速风向突然变化以及流速流向突然变化时，能够给出相应的报警信号，并给出靠泊过程中侧推动力分配的建议，供船舶操纵人员参考，更好的在复杂的靠泊条件下实现平稳的靠泊，更好的保证靠泊的安全性。
综上所述，采用本发明实施例提供的靠离泊辅助系统，可以实现以下效果：
(1)提高靠离泊过程中船岸距离探测的准确性与稳定性，系统可靠性。
(2)不仅可以探测靠离泊过程中的船岸距离，还可以探测靠离泊过程中本船与泊位中船舶的船船距离。
(3)省略根据2D测绘图计算船岸距离的过程，直接使用激光雷达、毫米波雷达的探测数据，在探测船岸距离、船船距离方面的实时性更好。
(4)可以忽略引航员的指引，减轻了引航员的工作强度，节省人力成本。
(5)使用的激光雷达、毫米波雷达不仅可以在靠离泊过程中使用，在通过狭窄水道或开阔水域的繁忙区时亦可用来探测其他船舶或障碍物的距离，提高航行的安全性。
(6)使用毫米波雷达与激光雷达相结合的探测方式，在海面突发海雾的情况下，可依可靠稳定的进行探测，弥补了现有方案单独使用激光探测器在有雾情况下探测精度不足的缺点。
(7)采用PLC控制激光雷达、毫米波雷达、计程仪、GPS、全景摄像头、全景红外摄像头等设备，可以根据实际需要自动控制开启的设备数量，使在靠离泊过程中不需要使用的设备及时关闭处于待机状态，能够减少能源的消耗，节省航行成本。
(8)通过本发明提出的基于熵权法的自适应加权融合算法，在利用自
适应加权融合算法计算融合后的值时，将需要使用最优加权因子的同时乘以熵权法的计算出的熵权，使融合后的计算结果更加精确，同时最大程度避免了因传感器自身特性导致的误差。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种靠离泊辅助系统，用于与岸基中心进行无线通信，其特征在于，其包括：
全方位感知设备，用于对船舶的靠离泊过程进行监测，得到实时监测数据；
自动控制模块，与所述全方位感知设备连接，包括数据融合子模块和控制子模块，其中所述数据融合子模块用于对所述全方位感知设备的所述实时监测数据进行加权融合，得到融合值；所述控制子模块用于根据所述融合值结合岸基中心发送的靠泊指令对船舶靠泊的时机进行分析，生成对所述全方位感知设备的启停进行控制的控制指令以及对执行机构的启停进行控制的指令建议，其中所述执行机构包括主机、侧推设备；
控制器，与所述全方位感知设备和所述自动控制模块连接，用于接收所述控制指令，并对所述控制指令进行解析，根据解析结果向所述全方位感知设备发出相应的启停指令显示设备，与所述全方位感知设备、所述自动控制模块连接，用于显示所述实时监测数据、所述控制指令和所述指令建议；
所述全方位感知设备包括以CAN数据总线接口集成的多个设备；所述多个设备包括：布设在船舶两侧的6个激光雷达、布设在船舶两侧以及船首和船尾的6个毫米波雷达、分别布设在船舶的前端、中部和后端的3个全景摄像头和3个全景红外摄像头、计程仪、GPS和光电传感器；
其中6个激光雷达分为左舷激光雷达工作组和右舷激光雷达工作组，所述左舷激光雷达工作组包括左舷1激光雷达、左舷2激光雷达、左舷3激光雷达，所述右舷激光雷达工作组包括右舷1激光雷达、右舷2激光雷达、右舷3激光雷达；6个毫米波雷达分为船首毫米波雷达、船尾毫米波雷达以及左舷毫米波雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组，所述左舷毫米波雷达组包括左舷1毫米波雷达、左舷2毫米波雷达，所述右舷毫米波雷达组包括右舷1毫米波雷达、右舷2毫米波雷达；
所述实时监测数据包括船舶与码头之间的实时距离、船舶与预定泊位相邻泊位内船舶的实时距离；
所述加权融合子模块用于：
根据所述6个激光雷达和所述6个毫米波雷达的测量值分别通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子；
对6个激光雷达的测量值结合所述第一最优加权因子进行计算得到激光雷达融合值；对6个毫米波雷达的测量值结合所述第二最优加权因子进行计算得到毫米波雷达融合值；
所述通过自适应的方式寻找得到对应的第一最优加权因子和第二最优加权因子包括：根据各个测量值的方差求得总方差，根据多元函数的求极值理论，求得所述总方差最小时对应的加权因子为最优加权因子；
其中最优加权因子的计算公式为：
此时，对应的总方差最小值的计算公式为：
2.如权利要求1所述的靠离泊辅助系统，其特征在于，所述控制子模块包括：
时机判断单元，用于船舶在向预定泊位移动过程中，接收岸基中心发送的靠泊指令以及流速流向和航速航向，结合所述融合值判断船舶靠泊的时机，所述靠泊的时机包括：主机停止工作时的船舶的位置、角度和速度；
指令生成单元，用于生成船舶在向预定泊位移动过程中对布设在船舶两侧的多个设备的启停产生相应的控制指令。
3.如权利要求2所述的靠离泊辅助系统，其特征在于，所述指令生成单元用于：
判断船舶是左舷靠泊还是右舷靠泊，如果是左舷靠泊则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；
开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组后，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行；
判断船舶的右舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；
按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。
4.如权利要求2所述的靠离泊辅助系统，其特征在于，所述指令生成单元还用于：
判断船舶是左舷靠泊还是右舷靠泊，如果是右舷靠泊则生成开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组的指令；
开启右舷激光雷达工作组和右舷毫米波雷达工作组后，根据所述实时监测数据判断当前环境是否满足预设的可视条件，如果满足则生成开启全景摄像头的指令，如果不满足则生成开启红外全景摄像头的指令，并在所述全景摄像头或所述红外全景摄像头开启的情况下保持当前工作状态稳定运行；
判断船舶的左舷是否有障碍物，如果没有障碍物则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行；如果有障碍物则生成开启左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；
按照预设周期循环判断障碍物是否已经处于安全距离，如果在安全距离内，则生成关闭左舷激光雷达工作组和左舷毫米波雷达工作组的指令；如果不在安全距离内，则继续保持全景摄像头或所述红外全景摄像头在当前工作状态稳定运行。
5.如权利要求4所述的靠离泊辅助系统，其特征在于，所述指令建议包括对主机进行控制的建议，所述控制子模块包括：
建议生成单元，用于对船舶的靠泊速度进行监测，如果所述靠泊速度超过预设速度值，则生成对主机减速的建议。
6.如权利要求5所述的靠离泊辅助系统，其特征在于，所述指令建议还包括对侧推设备进行控制的建议，所述建议生成单元还用于：
在靠泊过程中，如果监测到靠泊方向发生偏离、风速风向发生突变或流速流向发生突变时，则生成控制船舶两侧的侧推设备动力分配的建议。
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