CN113299117B - 基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，包含：桥区水域船舶动态监测模块，用于实时监测采集船舶运动轨迹预测所需的各类信息；船舶运动轨迹预测模块，与桥区水域船舶动态监测模块通信连接，其接收桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息进行船舶运动轨迹预测；气囊预警触发模块，与船舶运动轨迹预测模块通信连接，水上建筑物周围设置有若干个防撞件，防撞件包含有防撞气囊，气囊预警触发模块根据所述船舶运动轨迹预测模块的数据控制防撞气囊的启动。其优点是：该装置通过预测船舶的运动轨迹，从而预判哪些防撞气囊处于预警状态，降低了因防撞气囊预警时间不足而无法充分打开的风险。

Description

基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置

技术领域

本发明涉及桥墩以及岸线防撞等领域，具体涉及一种专门为船舶碰撞设计的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊预警触发装置。

背景技术

近年来，随着海上交通行业的不断发展，以及内河运输需求的上涨，内河船桥墩避碰防撞问题的热度也逐步上升，内河桥墩碰撞的风险也在逐步增加。造成桥梁受损坍塌、航道受阻、人民生命财产受威胁、环境污染等重大损失，因此，发明一种有效的防止船舶碰撞桥墩并在防撞桩上建立保护设备显得格外重要。

安全气囊的防撞技术最早要追溯到1953年8月由赫特里克提出，最早是为了汽车的安全驾驶，并获得了美国“汽车缓冲安全装置”专利。1980年美国阳光大桥被撞塌事件，引起了国际工程界的高度重视。1991年，IABSE在列宁格勒召开了年会，接受了由拉森执笔撰写的“Ship Collision with Bridges”(《交通船只与桥梁结构的相互影响》(综述与指南))一文，并于1993年正式发表。1998年，国际桥梁界在丹麦哥本哈根再次召开会议，全面讨论了船撞桥问题，指出它是个多学科的问题，涉及水利水文学、桥梁工程、碰撞力学(冲击动力学)、船舶结构与材料以及驾驶、导航、通信等多个方面，有力地推动了船桥碰撞问题的研究。通过研究151例事故后，PIANC第19小组将船舶撞桥事故的原因归结为三大类：驾驶员与引航员的操作失误、机械故障、自然环境。

近十年来，随着中国大量跨江、跨海大桥的设计、建造，中国对船－桥碰撞问题也越来越重视，就船－桥碰撞相关问题开展了大量的研究。2018年10月港珠澳大桥正式开通运营，全场55公里的桥身，共有224根桥墩，3个主要通航口。港珠澳大桥从珠海往香港方向，依次跨越了九州航道、江海直达船航道和青州航道，这些航道在大桥建设之前就一直有大量船只通行往来，要在这里建桥，首先就需要考虑如何满足原有航道的船舶通行需求和安全。

被动式防撞设计即采用不同的防撞装置防止船舶撞击力超过桥墩的承受能力，以保护桥梁的结构安全。从通航桥梁被动防撞研究现状看，被动防撞研究主要限于碰撞事故的发生概率风险评估、碰撞力确定方法、碰撞后桥梁的动力特性分析以及桥墩防撞结构设计、结构安全与预警等方面。目前采用的被动防撞系统主要有3类：附着式防撞系统、独立式防撞系统和人工岛防撞系统。被动防撞主要是保护桥梁安全，没有考虑对船舶的保护。此外，被动防撞装置安装后，对水域的通航面积和通航路线有一定影响。

主动硬件防撞措施主要包括基于视频检测、红外检测、设置导航标、实施船舶定线制度、加强船员培训、设置VTS(船舶交通管理系统)、桥梁防撞拦截措施、航标局部加密优化技术等。在船舶与桥墩达到一定阈值的同时，主动触发装置，对桥墩进行保护，保证了船舶与桥墩之间的双向避碰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，该装置将桥区水域船舶动态监测模块、船舶运动轨迹预测模块和气囊预警触发模块等相结合，通过预测船舶的运动轨迹，从而预判哪些防撞气囊处于预警状态，降低了因防撞气囊预警时间不足而无法充分打开的风险；通过预判船舶与防撞气囊的相对距离，从而判定触发的防撞桩序号与个数，解决了因触发了不准确的防撞气囊或不必要防撞气囊触发数量过多而产生成本的问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，包含：

桥区水域船舶动态监测模块，用于实时监测采集船舶运动轨迹预测所需的各类信息；

船舶运动轨迹预测模块，与所述桥区水域船舶动态监测模块通信连接，所述船舶运动轨迹预测模块接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息进行船舶运动轨迹预测；

气囊预警触发模块，与所述船舶运动轨迹预测模块通信连接，水上建筑物周围设置有若干个防撞件，所述防撞件初始位于水面之下，所述防撞件包含有防撞气囊，所述气囊预警触发模块根据所述船舶运动轨迹预测模块的数据控制防撞气囊的启动，所述防撞气囊启动后带动所述防撞件升至水面之上。

可选的，所述桥区水域船舶动态监测模块包含：

航海雷达，用于提供船舶的位置坐标；

AIS信息系统，用于收集船舶航行的静态信息和动态信息；

电子海图显示与信息系统，与所述航海雷达和所述AIS信息系统连接，所述电子海图显示与信息系统基于所述航海雷达和所述AIS信息系统的数据提供可视化信息。

可选的，所述AIS信息系统收集的静态信息包含：船舶识别号、船舶呼号与船名、船长与船宽、船舶类型、天线在船上的定位位置、船舶吃水信息、船载危险货物类型、船舶航行目的地和预计到达时间、船舶航行可选择的航路图；

和/或，所述AIS信息系统收集的动态信息包含：船舶位置信息、实时的世界时间、对地航向、对地航速、船艏向、航行状态、回旋速度。

可选的，所述船舶运动轨迹预测模块包含：

岸基，其接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息，并将其集成打包；

运算模块，与所述岸基通信连接，所述运算模块接收所述岸基的集成打包数据，并据此预测船舶运动轨迹和碰撞概率，所述运算模块将预测的船舶运动轨迹和碰撞概率信息反馈至气囊预警触发模块，所述气囊预警触发模块据此控制防撞气囊是否启动。

可选的，所述运算模块根据所述岸基的打包数据获取船舶的位置坐标、船舶航行的方向角度、船舶航行各个方向的速度和海浪速度，预测船舶运动轨迹和碰撞概率并将其传送至所述气囊预警触发模块，所述气囊预警触发模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述气囊预警触发模块发送触发命令以触发防撞气囊；不满足条件时，所述运算模块继续接收船舶的各项数据进行滚动式计算。

可选的，运算模块计算船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点具体包含：

船舶沿x轴的速度v_x为：v_x＝u cosψ-v sinψ-K cosψ₀ (1)

其中，u为船舶沿船首方向的速度，v为船舶垂直于船首方向的速度，K为海浪的速度，ψ为船首与X轴之间的夹角，ψ₀为海浪与X轴的夹角；

船舶沿y轴的速度v_y为：v_y＝u sinψ+v cosψ+K sinψ₀ (2)；

船舶运动方向的斜率k₀为：

防撞件与防撞件之间的斜率k₁为：

其中，(x_n，y_n)为第n个防撞件的坐标，(x_n+1，y_n+1)为第n+1个防撞件的坐标；

防撞件与防撞件之间的距离d_m为：

dx为第n个防撞件与第n+1个防撞件在x轴方向上的距离，d_y为第n个防撞件与第n+1个防撞件在y轴方向上的距离；

其中，i为防撞件的触发个数，B为船舶型宽；

船舶通过水上建筑物的速度v₀为：

防撞件充气的最小半径距离r_d为：

r_d＝t_充*v₀ (8)

其中，t_充为防撞件的充气时间；

防撞件充气阈值半径r₀为：r₀＝Nr_d(11)，N为常数；

以两个防撞件为第一直线上的两个点，以船舶运动轨迹为第二直线，所述第二直线以船舶的实际速度方向为斜率结合船舶的实际位置得出，计算两直线的交点(x，y)：

其中(x_B，y_B)为船舶坐标；

第n个防撞件与船舶的相对距离d₀为：

当船舶运动至防撞件的触发范围内，需要保证通过水上建筑物的船舶的最小型宽要大于防撞件之间的距离，即

B_min≥d_m。

可选的，所述气囊预警触发模块包含：比较模块和信号发射模块，所述比较模块接收所述运算模块传送的预测船舶运动轨迹和碰撞概率信息，所述比较模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述比较模块驱动所述信号发射模块发送触发命令以触发防撞气囊。

可选的，判断船舶的运动位置是否满足触发条件包含：将预测过程中产生的参数与阈值进行比较，当参数达到或超过阈值时，岸基发送触发命令至对应的防撞件以完成触发过程，

根据公式(7)、(8)和(11)可得

1)判断第一直线和第二直线是否有交点，若有交点即k₀≠±k₁，进行第二步判别，若无交点即k₀＝±k₁，进行第四步判别，

2)判断交点是否处于防撞件触发的点集内：

若不处于，继续感知船舶数据再次计算；若处于，判断出距离交点最近的防撞件为第n个防撞件(x_n，y_n)，以第n个防撞件为基点使第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊开启预警并使防撞气囊处于待命状态，进行下一步判断；

3)判断第n个防撞件与船舶的相对距离d₀与防撞件充气阈值半径r₀的关系：

当d₀≤r₀，触发第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊，否则继续预测第n个防撞件与船舶的相对距离d₀，实时监控船舶位置，第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊处于预警状态；

4)当两直线无交点时，判断船舶与其最近的防撞件的相对距离d₀与防撞件充气的最小半径距离r_d的关系，

当d₀≤r_d，判断船舶位置(x_B，y_B)属于哪一防撞件(x_n，y_n)的最小碰撞半径内，并立即触发邻近的第n-i根至第n+i根防撞件气囊，否则继续收集并计算船舶相关参数并继续判断。

可选的，所述防撞件为防撞桩，所述防撞桩包含：

防撞桩主体；

中空的内柱，其设置于所述防撞桩主体内部，所述内柱底部设置有若干个导气孔；

防撞气囊，设置于内柱顶部，所述内柱顶部开设有若干个通孔与所述防撞气囊连通；

充气装置，设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述充气装置通过所述导气孔为所述内柱充气进而为所述防撞气囊充气；

气密性隔板，设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述气密性隔板设置于所述充气装置上方并将所述充气装置上方空间封闭；

数据接收器，与所述气囊预警触发模块通信连接，所述数据接收器接收所述气囊预警触发模块的触发信号并触发充气装置通过导气孔对内柱充气进而对防撞气囊充气，防撞气囊充气带动防撞桩主体露出水面以实现避碰。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，将桥区水域船舶动态监测模块、船舶运动轨迹预测模块和气囊预警触发模块等相结合，通过预测船舶的运动轨迹，从而预判哪些防撞气囊处于预警状态，降低了因防撞气囊预警时间不足而无法充分打开的风险；通过预判船舶与气囊的相对距离，从而判定触发的防撞桩序号与个数，解决了因触发了不准确的气囊或不必要气囊触发数量过多而产生成本的问题。另外，本发明通过触发水下防撞桩自动弹出水面并且气囊自动充气的方法，解决了桥墩防撞水上建筑的美化问题。

附图说明

图1为本发明的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置作用关系图；

图2为本发明的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置网络拓扑结构示意图；

图3为本发明的桥墩、防撞桩位置关系示意图；

图4为本发明的防撞桩结构示意图；

图5为船舶运动轨迹概念图；

图6为本发明的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置触发示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1和图2结合所示，为本发明的一种基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其包含：桥区水域船舶动态监测模块、船舶运动轨迹预测模块和气囊预警触发模块。

所述桥区水域船舶动态监测模块用于实时监测采集船舶运动轨迹预测所需的各类信息，所述船舶运动轨迹预测模块与所述桥区水域船舶动态监测模块通信连接，所述船舶运动轨迹预测模块接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息进行船舶运动轨迹预测。

所述气囊预警触发模块与所述船舶运动轨迹预测模块通信连接，水上建筑物周围设置有若干个防撞件，所述防撞件初始位于水面之下，所述防撞件包含有防撞气囊，所述气囊预警触发模块根据所述船舶运动轨迹预测模块的数据控制防撞气囊的启动，所述防撞气囊启动后带动所述防撞件升至水面之上。

如图3所示，在本实施例中，所述水上建筑物为桥墩，所述防撞件为防撞桩，若干个防撞桩环绕设置在所述桥墩的周侧。

如图4所示，为本实施例中的防撞桩，其包含：防撞桩主体、中空的内柱、防撞气囊、充气装置、气密性隔板和数据接收器。所述防撞桩主体设置于水面之下，所述防撞桩主体为水密设备，所述内柱设置于所述防撞桩主体内部，所述内柱底部设置有若干个导气孔。所述防撞气囊设置于内柱顶部，所述内柱顶部开设有若干个通孔与所述防撞气囊连通，所述防撞气囊完全充气之后呈圆饼状。所述充气装置设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述充气装置通过所述导气孔为所述内柱充气进而为所述防撞气囊充气。所述气密性隔板设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述气密性隔板设置于所述充气装置上方并将所述充气装置上方封闭，可选的，所述气密性隔板通过热熔胶与防撞桩主体连接以阻挡气体向内柱以外的区域扩散，使所充气体可从充气装置流向内柱，内柱由于气压向上浮起，连同气囊一并充气。所述数据接收器与所述气囊预警触发模块通信连接，所述数据接收器接收所述气囊预警触发模块的触发信号并触发充气装置通过导气孔对内柱充气进而对防撞气囊充气，防撞气囊充气带动防撞桩主体露出水面后完全打开，以完成避碰过程。

本发明针对水上建筑物即桥墩的防撞安全，选取桥墩周边通航船舶与桥墩之间的位置关系作为研究对象，首先运用航海雷达、AIS信息系统、电子海图显示与信息系统进行数据处理，其次设计了预测船舶航行轨迹的方法，然后通过数据集成技术、线性方程模型预测、防撞气囊预警并触发技术、防撞气囊缓冲保护技术，解决了通航船舶与桥墩的主动避碰问题，实现了对于桥墩和船舶的双重保护。

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合模拟航行通过桥墩的情况，进一步阐述本发明。

所述桥区水域船舶动态监测模块包含：航海雷达、AIS信息系统和电子海图显示与信息系统。

所述航海雷达用于提供船舶的位置坐标，船舶将自己的坐标位置信息反馈给船舶运动轨迹预测模块。航海雷达(marineradar)是装在船上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，亦称船用雷达。航海雷达在能见度不良时为航海人员提供了必需的观察手段，通过声波进行定位，是船舶导航的主要设备。航海雷达可24小时连续不间断工作，具有优越的雨雪抑制功能和海杂波处理能力，目标即使在雨雪状态下也能够提供清晰的图像；具有可靠的目标跟踪功能，目标即使在短暂会遇、遮挡等状态下也能继续保持准确跟踪；有很强的小目标探测和跟踪能力，能够在复杂的信号中捕捉到小目标。

所述AIS信息系统用于收集船舶航行的静态信息和动态信息。

AIS信息系统即船舶的自动识别系统，可以实时通过船载装置向船舶运动轨迹预测模块发送航速、航向、经纬度等动态信息，也可以通过AIS(自动识别系统)查询到船舶长度与宽度，排水量等静态信息。AIS信息系统能够为防撞桩内的安全气囊的打开位置和打开时间提供数据支持。船舶静态信息，即除了航行状况信息，从与AIS连接的船舶上其他设备自动提供更新的信息。船舶动态信息，即根据航速和航线变化，每6分钟或者根据要求自动应答、发送的和航行有关的数据。

示例地，所述AIS信息系统手机的静态信息包含：船舶识别号、船舶呼号与船名、船长与船宽、船舶类型、天线在船上的定位位置、船舶吃水信息、船载危险货物类型、船舶航行目的地和预计到达时间、船舶航行可选择的航路图。所述AIS信息系统收集的动态信息包含：船舶位置信息、实时的世界时间、对地航向、对地航速、船艏向、航行状态、回旋速度。

如表1所示，为船舶AIS信息系统发送的信息内容示例，表2为动态信息报告的更新时间间隔表。

表1船舶AIS信息系统发送的信息内容

表2动态信息报告的更新时间间隔

船舶状态	通常报告间隔时间
		泊锚船舶	3分钟
航速0-14节	12秒
		航速0-14节并改变航向	4秒
航速14-23节	6秒
		航速14-23节并改变航向	2秒
航速＞23节	3秒
		航速＞23节并改变航向	2秒

AIS信息系统在本发明中起到的作用十分重要，它将船舶的各项信息(船舶识别号、船舶呼号、船长与船宽、船舶航速等)发送至所述船舶运动轨迹预测模块并与其他传送至所述船舶运动轨迹预测模块的信息打包传送。AIS信息系统传递的信息是计算的基础数据，在整个发明中起到了信息提取的作用。

所述电子海图显示与信息系统ECDIS与所述航海雷达和所述AIS信息系统连接，所述电子海图显示与信息系统基于所述航海雷达和所述AIS信息系统的数据提供可视化信息。

电子海图显示与信息系统ECDIS是指符合有关国际标准的船用电子海图系统。它以计算机为核心，连接船舶助导系统，提供可视化信息数据。根据航海雷达和AIS信息系统传输的数据，可以为传播所处水域的环境提供位置信息基础，直接作为判断航行危险区域等级的标志。

进一步的，所述船舶运动轨迹预测模块包含：岸基和运算模块。岸基接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息，并将其集成打包。所述运算模块与所述岸基通信连接，所述运算模块接收所述岸基的集成打包数据，并据此预测船舶运动轨迹和碰撞概率，所述运算模块将预测的船舶运动轨迹和碰撞概率信息反馈至岸基，所述岸基据此控制防撞气囊是否启动。

ECDIS电子海图显示与信息系统将船舶与防撞桩的位置信息可视化，将船舶的与海图坐标的夹角以及海面海浪速度等可能影响船舶轨迹预测的信息传送至岸上基站。至此，有关于船舶运动轨迹预测以及气囊触发的全部数据都已传送至基站，基站将上述三种设备所输出的信息打包再传输至计算机运算模块进行下一步工作。

船舶运动轨迹预测模块包括了对于数据的集成与计算两个部分，其具体包含岸基和运算模块。岸基接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息，并将其集成打包。运算模块与所述岸基通信连接，所述运算模块接收所述岸基的集成打包数据，并据此预测船舶运动轨迹和碰撞概率，所述运算模块将预测的船舶运动轨迹和碰撞概率信息反馈至气囊预警触发模块，所述气囊预警触发模块据此控制防撞气囊是否启动。

具体地，岸基通过收集雷达、AIS信息系统(自动识别系统)、ECDIS电子海图显示与信息系统所提供的有关于船舶运动轨迹预测的各类信息，在岸基中的计算机模型系统当中将这些信息集成并打包，将每一时刻的数据进行分组，再将每组数据融合传输至运算模块进行预测船舶运动轨迹和碰撞概率，再将计算出的结果传送至气囊预警触发模块，从而达到了对于桥墩保护的目的。上述过程形成了完整的闭环系统，实现了基于船舶运动轨迹预测从而达到桥墩防撞的功能。

本发明将多种技术手段叠加应用在检测船舶对于防撞桩的距离上。航海雷达所探测到的数据可以实时监测船舶对于防撞桩的相对距离。通过岸基接收到的船舶AIS信息系统数据和ECDIS电子海图信息，计算机整理出船舶的坐标，方向角度、各个方向的速度和海浪速度，运算模块根据所述岸基的打包数据获取船舶的位置坐标、船舶航行的方向角度、船舶航行各个方向的速度和海浪速度，预测船舶运动轨迹和碰撞概率，气囊预警触发模块据此判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点。

具体地，所述气囊预警触发模块包含比较模块和信号发射模块。所述比较模块接收所述运算模块传送的预测船舶运动轨迹和碰撞概率信息，所述比较模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述比较模块驱动所述信号发射模块发送触发命令以触发防撞气囊。

当船舶的运动位置满足触发条件时，所述气囊预警触发模块的信号发射模块将防撞气囊的触发命令发送至防撞桩上的数据接收器，即触发防撞气囊。不满足条件时，所述运算模块则继续接收船舶的各项数据进行滚动式计算。防撞桩通过数据接收器以及触发充气装置来接收所述气囊预警触发模块发送的触发信号并触发充气，气体通过导气孔将内柱顶出水面，防撞气囊开始充气，直至内柱露出水面防撞气囊完全打开，完成整个避碰过程。

通过AIS信息系统，船舶将本身的各项数据实时传输至岸基上的AIS接受装置上，包括船首向航速(u)、垂直于船首向的航速(v)、船舶型宽(B)。在ECDIS电子海图显示与信息系统上，为船舶运动轨迹预测模块的计算提供了可视化信息，包括船首方向与电子海图上X轴之间的方向夹角(Ψ)、水面上的海浪速度(K)、海浪与电子海图上X轴之间的夹角(Ψ₀)，各个防撞桩的位置(x_n，y_n)n∈1.2...k的整数(k为防撞桩的个数)。雷达为触发装置计算提供了各个船舶的坐标(x_B，y_B)。将以上获得的数据分别传输至运算模块，对于计算出的数据进行分析并判断触发的装置序号与个数。

对预测当中所要使用的各项参数进行声明：(1)船舶坐标(该参数可由雷达以及ECDIS电子海图获得)：(x_B，y_B)；(2)船舶沿船首方向的速度(kn)(该参数可由AIS信息系统获得)：u；(3)船舶垂直于船首方向的速度(kn)(该参数可由AIS信息系统获得)：v；(4)船首与X轴之间的夹角(°)(该参数可由ECDIS电子海图获得)：Ψ；(5)水面浪的速度(kn)为(该参数可由ECDIS电子海图获得)：K；(6)海浪与X轴的夹角(°)为(该参数可由ECDIS电子海图获得)：Ψ₀。

计算出船舶的速度矢量并以其作为斜率，以当前船舶的实际位置和船舶的实际速度方向为斜率计算出船舶当前实际运动轨迹。

计算船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点具体包含：

如图5所示，为船舶运动轨迹概念图，船舶沿x轴的速度v_x为(该参数可由计算获得)：

v_x＝u cosψ-v sinψ-K cosψ₀ (1)

其中，u为船舶沿船首方向的速度，v为船舶垂直于船首方向的速度，K为海浪的速度，ψ为船首与X轴之间的夹角，ψ₀为海浪与X轴的夹角；

船舶沿y轴的速度v_y为(该参数可由计算获得)：

v_y＝u sinψ+v cosψ+K sinψ₀ (2)；

船舶运动方向的斜率k₀为(该参数可由计算获得)：

防撞桩与防撞桩之间的斜率k₁为(该参数可由计算获得)：

其中，(x_n，y_n)为第n个防撞件的坐标(该信息可由ECDIS电子海图获得)，(x_n+1，y_n+1)为第n+1个防撞件的坐标(该信息可由ECDIS电子海图获得)；

防撞件与防撞件之间的距离d_m为(该参数可由计算获得)：

dx为防撞件与防撞件在x轴方向上的距离，d_y为防撞件与防撞件在y轴方向上的距离；

其中，i为防撞件的触发个数，为了保证防撞气囊可以完美承接住船舶的撞击，对于船舶型宽比较大的船舶，触发的个数会更多，在防撞有效的基础上，i的作用也是为了减少不必要的充气成本，B为船舶型宽(m)(该参数可由AIS信息系统获得)；

船舶通过水上建筑物即桥墩的速度v₀(kn)为：

防撞件充气的最小半径距离r_d(n mile)为：

r_d＝t_充*v₀ (8)，

其中，t_充为防撞件的充气时间(h)。

防撞件充气阈值半径r₀为：r₀＝Nr_d (11)；

在本实施例中，N＝2，将防撞桩充气的阈值半径设为防撞桩充气最小半径的2倍，给防撞气囊的打开预留出充足的时间。

以两个防撞件为第一直线上的两个点，以船舶运动轨迹为第二直线，所述第二直线以船舶的实际速度方向为斜率结合船舶的实际位置得出，计算两直线的交点(x，y)：

其中(x_B，y_B)为船舶坐标；

第n个防撞件与船舶的相对距离d₀为：

当船舶运动至防撞件的触发范围内，需要保证通过水上建筑物的船舶的最小型宽要大于防撞件之间的距离，即

B_min≥d_m。

达到以上条件时，才能保证所有船舶在触发气囊时均可以达到防撞的效果。计算出上述各项参数后，将各项参数打包传输至气囊预警触发模块进行比较，为下一步触发做准备。

所述气囊预警触发模块包含比较模块和信号发射模块。所述信号发射模块接收所述运算模块传送的预测船舶运动轨迹和碰撞概率信息，所述比较模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述比较模块驱动所述信号发射模块向数据接收器发送触发命令以触发防撞气囊。

如图6所示，比较模块判断船舶的运动位置是否满足触发条件包含：将预测过程中产生的参数与阈值进行比较，当参数等于或小于阈值时，信号发射模块发送触发命令至对应的防撞件以完成触发过程。

根据公式(7)、(8)和(11)可得出防撞件充气阈值半径r₀，

1)判断第一直线和第二直线是否有交点，若有交点即k₀≠±k₁，进行第二步判别，若无交点即k₀＝±k₁，进行第四步判别。

2)判断交点是否处于防撞件触发的点集内：

若不处于，继续感知船舶数据再次计算；若处于，判断出距离交点最近的防撞件为第n个防撞件(x_n，y_n)，以第n个防撞件为基点第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊开启预警并使防撞气囊处于待命状态，进行下一步判断。其中，开启预警是指：当桥域内的船舶运动轨迹与防撞件出现交点的时候，气囊触发模块会发射预警信号，让气囊处于待命状态，这里的预警状态和待命状态是同一状态。在该状态下，气囊触发传感器会通电，但并不触发，而是处于一种待触发状态。

3)判断船舶与最近的第n个防撞件的相对距离d₀与防撞件充气阈值半径r₀的关系：

当d₀≤r₀，触发第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊，否则继续预测第n个防撞件与船舶的相对距离d₀，实时监控船舶位置，第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊处于待命状态，随时准备触发。

4)当两直线无交点时，判断船舶与其最近的防撞件的相对距离d₀与防撞件充气的最小半径距离r_d的关系，

当d₀≤r_d，判断船舶位置(x_B，y_B)属于哪一防撞桩(x_n，y_n)的最小碰撞半径内，并立即触发第n-i根至第n+i根防撞桩气囊，否则继续收集并计算船舶相关参数并继续判断。

在本发明中，将防撞气囊运用到桥墩防船撞上，是保护桥墩的又一项新型技术应用。将防撞桩中装备防撞气囊并安装在桥墩周围的海底，当岸基下达触发命令时，防撞桩接收到触发指令，向上升高并通过防撞桩内的触发装置，触发防撞气囊进行充气，直至防撞桩升高至水面以上，防撞气囊完成整个充气过程。运用防撞气囊进行桥墩防撞是一种新兴技术手段，具有一定的发展前景和技术优势，可以以更低的成本，将因碰撞而造成的损失降到最低。对于防撞气囊来讲，控制触发哪几个防撞气囊、触发防撞气囊的个数与触发的时间是关键。本发明通过预测船舶轨迹，决定触发哪几个防撞气囊，保证了防撞的准确性；以确定触发的防撞气囊为基点，船舶的型宽为依据，决定触发防撞气囊的个数，保证了防撞的有效性；以船舶实际运动速度为参照，计算出防撞气囊应该出发的时间，保证了防撞的及时性。

由上述可知，本发明的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，将桥区水域船舶动态监测模块、船舶运动轨迹预测模块和气囊预警触发模块等相结合，可以弥补因防撞气囊充气需要时间，而无法及时或过早打开防撞气囊的缺陷；进一步的，本发明通过预测船舶的运动轨迹，从而预判哪些防撞气囊处于预警状态，降低了因防撞气囊预警时间不足而无法充分打开的风险；通过预判船舶与气囊的相对距离，从而判定触发的防撞桩序号与个数，解决了因触发了不准确的气囊或不必要气囊触发数量过多而产生成本的问题。另外，本发明通过触发水下防撞桩自动弹出水面并且气囊自动充气的方法，解决了桥墩防撞水上建筑的美化问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

综上所述，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，包含：

桥区水域船舶动态监测模块，用于实时监测采集船舶运动轨迹预测所需的各类信息；

船舶运动轨迹预测模块，与所述桥区水域船舶动态监测模块通信连接，所述船舶运动轨迹预测模块接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息进行船舶运动轨迹预测；

气囊预警触发模块，与所述船舶运动轨迹预测模块通信连接，水上建筑物周围设置有若干个防撞件，所述防撞件初始位于水面之下，所述防撞件包含有防撞气囊，所述气囊预警触发模块根据所述船舶运动轨迹预测模块的数据控制防撞气囊的启动，所述防撞气囊启动后带动所述防撞件升至水面之上；

其中，所述防撞件为防撞桩，所述防撞桩包含：

防撞桩主体；

中空的内柱，其设置于所述防撞桩主体内部，所述内柱底部设置有若干个导气孔；

防撞气囊，设置于内柱顶部，所述内柱顶部开设有若干个通孔与所述防撞气囊连通；

充气装置，设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述充气装置通过所述导气孔为所述内柱充气进而为所述防撞气囊充气；

气密性隔板，设置于所述防撞桩主体和所述内柱之间，所述气密性隔板设置于所述充气装置上方并将所述充气装置上方空间封闭；

数据接收器，与所述气囊预警触发模块通信连接，所述数据接收器接收所述气囊预警触发模块的触发信号并触发充气装置通过导气孔对内柱充气进而对防撞气囊充气，防撞气囊充气带动防撞桩主体露出水面以实现避碰。

2.如权利要求1所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，所述桥区水域船舶动态监测模块包含：

航海雷达，用于提供船舶的位置坐标；

AIS信息系统，用于收集船舶航行的静态信息和动态信息；

电子海图显示与信息系统，与所述航海雷达和所述AIS信息系统连接，所述电子海图显示与信息系统基于所述航海雷达和所述AIS信息系统的数据提供可视化信息。

3.如权利要求2所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，

所述AIS信息系统收集的静态信息包含：船舶识别号、船舶呼号与船名、船长与船宽、船舶类型、天线在船上的定位位置、船舶吃水信息、船载危险货物类型、船舶航行目的地和预计到达时间、船舶航行可选择的航路图；

和/或，所述AIS信息系统收集的动态信息包含：船舶位置信息、实时的世界时间、对地航向、对地航速、船艏向、航行状态、回旋速度。

4.如权利要求1所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，所述船舶运动轨迹预测模块包含：

岸基，其接收所述桥区水域船舶动态监测模块采集的船舶运动轨迹预测所需的各类信息，并将其集成打包；

运算模块，与所述岸基通信连接，所述运算模块接收所述岸基的集成打包数据，并据此预测船舶运动轨迹和碰撞概率，所述运算模块将预测的船舶运动轨迹和碰撞概率信息反馈至气囊预警触发模块，所述气囊预警触发模块据此控制防撞气囊是否启动。

5.如权利要求4所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，

所述运算模块根据所述岸基的打包数据获取船舶的位置坐标、船舶航行的方向角度、船舶航行各个方向的速度和海浪速度，预测船舶运动轨迹和碰撞概率并将其传送至所述气囊预警触发模块，所述气囊预警触发模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述气囊预警触发模块发送触发命令以触发防撞气囊；不满足条件时，所述运算模块继续接收船舶的各项数据进行滚动式计算。

6.如权利要求5所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，

运算模块计算船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点具体包含：

船舶沿x轴的速度v_x为：v_x＝u cosψ-v sinψ-K cosψ₀ (1)

其中，u为船舶沿船首方向的速度，v为船舶垂直于船首方向的速度，K为海浪的速度，ψ为船首与X轴之间的夹角，ψ₀为海浪与X轴的夹角；

船舶沿y轴的速度v_y为：v_y＝u sinψ+v cosψ+K sinψ₀ (2)；

船舶运动方向的斜率k₀为：

防撞件与防撞件之间的斜率k₁为：

其中，(x_n，y_n)为第n个防撞件的坐标，(x_n+1，y_n+1)为第n+1个防撞件的坐标；

防撞件与防撞件之间的距离d_m为：

d_x为第n个防撞件与第n+1个防撞件在x轴方向上的距离，d_y为第n个防撞件与第n+1个防撞件在y轴方向上的距离；

其中，i为防撞件的触发个数，B为船舶型宽；

船舶通过水上建筑物的速度v₀为：

防撞件充气的最小半径距离r_d为：

r_d＝t_充*v₀ (8)

其中，t_充为防撞件的充气时间；

防撞件充气阈值半径r₀为：r₀＝Nr_d(11)，N为常数；

以两个防撞件为第一直线上的两个点，以船舶运动轨迹为第二直线，所述第二直线以船舶的实际速度方向为斜率结合船舶的实际位置得出，计算两直线的交点(x，y)：

其中(x_B，y_B)为船舶坐标；

第n个防撞件与船舶的相对距离d₀为：

当船舶运动至防撞件的触发范围内，需要保证通过水上建筑物的船舶的最小型宽要大于防撞件之间的距离，即

B_min≥d_m。

7.如权利要求6所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，所述气囊预警触发模块包含：

比较模块和信号发射模块，所述比较模块接收所述运算模块传送的预测船舶运动轨迹和碰撞概率信息，所述比较模块判断船舶的运动轨迹与防撞件触发的阈值范围内是否有交点，当船舶的运动位置满足触发条件时，所述比较模块驱动所述信号发射模块发送触发命令以触发防撞气囊。

8.如权利要求7所述的基于船舶运动轨迹预测的水上建筑物防撞气囊触发装置，其特征在于，

判断船舶的运动位置是否满足触发条件包含：将预测过程中产生的参数与阈值进行比较，当参数达到或超过阈值时，岸基发送触发命令至对应的防撞件以完成触发过程，

根据公式(7)、(8)和(11)可得

1)判断第一直线和第二直线是否有交点，若有交点即k₀≠±k₁，进行第二步判别，若无交点即k₀＝±k₁，进行第四步判别，

2)判断交点是否处于防撞件触发的点集内：

若不处于，继续感知船舶数据再次计算；若处于，判断出距离交点最近的防撞件为第n个防撞件(x_n，y_n)，以第n个防撞件为基点使第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊开启预警并使防撞气囊处于待命状态，进行下一步判断；

3)判断第n个防撞件与船舶的相对距离d₀与防撞件充气阈值半径r₀的关系：

当d₀≤r₀，触发第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊，否则继续预测第n个防撞件与船舶的相对距离d₀，实时监控船舶位置，第n-i根至第n+i根防撞件的防撞气囊处于预警状态；

4)当两直线无交点时，判断船舶与其最近的防撞件的相对距离d₀与防撞件充气的最小半径距离r_d的关系，

当d₀≤r_d，判断船舶位置(x_B，y_B)属于哪一防撞件(x_n，y_n)的最小碰撞半径内，并立即触发邻近的第n-i根至第n+i根防撞件气囊，否则继续收集并计算船舶相关参数并继续判断。

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