CN114383546A - 一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，涉及船舶航行技术领域。该系统包括：船载前置侧扫声呐采集模块用于采集河床地形数字点云数据。立体视图生成模块用于根据数字点云数据生成船舶正前方河床的3D立体点云视图。通航检测模块用于将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照得到对照结果。专用船数据获取模块用于获取侧扫声呐扫测河床地形的实测数据。航道尺度数据计算模块用于得到航道尺度数据。航道尺度数据校验模块用于利用标准航道理论尺度对航道尺度数据进行核验。该系统根据船载侧扫声呐的实测数据得到船舶正前方的航道尺度数据，当船舶通过某个限制水域时，对航道尺度数据进行核验，以确定船舶能否通过。

Description

一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统

技术领域

本发明涉及船舶航行技术领域，具体而言，涉及一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统。

背景技术

随着水下声呐技术的发展，单波束、多波束以及侧扫声呐技术的不断进步，数字点云成像技术，使得河床、海床地形测量成果更直观、更立体的在屏幕上展示。这些测量数据，目前只能在采集后输入到专业系统处理后，才能用于航道技术条件的确定分析和限制性水域船舶通行条件的研判。在人工智能高度发达的今天，这样的工作流程已经严重落后于时代。运用人工智能技术把当场采集的河床地形数据进行属性归类、去伪存真，实时测得航宽、航深，曲率半径、富裕水深等实际航道尺度数据，与标准航道尺度对比检验有无碍航因素，用人工智能技术对比识别，检测航道通畅状况已是大势所趋。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其能够实时反映船舶航行前方水域的航道条件，避免出现搁浅、碰撞等海事事故，以保证航行安全。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其包括船载前置侧扫声呐采集模块、立体视图生成模块、通航检测模块、专用船数据获取模块、航道尺度数据计算模块和航道尺度数据校验模块；

船载前置侧扫声呐采集模块用于对船舶航行的正前方进行扫测，以采集河床地形及水下碍航物体的数字点云数据；

立体视图生成模块用于根据数字点云数据生成船舶航线正前方的河床地形3D立体点云视图；

通航检测模块用于将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照得到对照结果，并根据对照结果进行对应提示；

所述专用船数据获取模块用于以设置在专用船船头的侧扫声呐换能器为原点建立独立坐标系，并获取专用船正前方河床地形及碍航物体轮廓的实测数据，所述实测数据包括GPS的定位数据、定向数据、授时数据和RTK的高程数据；

所述航道尺度数据计算模块用于根据所述数字点云数据、所述定位数据、所述定向数据、所述高程数据和所述授时数据得到在所述独立坐标系中的实际河床地形信息数据，并通过地理信息系统将所述实际河床地形信息数据换算成大地坐标系中的地理信息数据，以得到所测航段内实际航道尺度数据；

航道尺度数据校验模块用于以航道理论中心线为轴，利用标准航道理论尺度对实际航道尺度数据进行核验，以检验航道尺度数据是否达标。

在本发明的一些实施例中，上述基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统还包括：

姿态采集模块，用于采集船舶的当前航行姿态数据；

姿态纠偏模块，用于以船舶的三维轴线为基准，对当前航行姿态数据进行纠偏。

在本发明的一些实施例中，上述基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统还包括：

标准航道理论尺度得到模块，用于根据标准航道宽度、标准深度和标准曲率半径得到标准航道理论尺度；

理论几何空间建立模块，用于根据标准航道理论尺度，在三维空间内建立理论几何空间。

在本发明的一些实施例中，上述通航检测模块包括：

船舶数据获取子模块，用于获取船舶的实际数据，实际数据包括船长数据、船宽数据、吃水数据和行驶速度等；

航向调整子模块，用于根据实际数据和3D立体点云视图生成航向调整方案。

在本发明的一些实施例中，上述航向调整子模块包括：

塌岸调整单元，用于若3D立体点云视图显示有塌岸图像，则根据塌岸图像和实际数据生成航向调整方案。

在本发明的一些实施例中，上述航向调整子模块包括：

碍航物判断单元，用于若3D立体点云视图显示有碍航物图像，则根据碍航物图像和实际数据生成航向调整方案。

在本发明的一些实施例中，上述航道尺度数据校验模块包括：

限制水域检测单元，用于获取限制水域的真实数据，真实数据包括限宽数据和限深数据；

检验单元，用于根据标准航道尺度数据和限制水域的真实数据，检验航道尺度数据是否达标。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其包括船载前置侧扫声呐采集模块、立体视图生成模块、通航检测模块、专用船数据获取模块、航道尺度数据计算模块和航道尺度数据校验模块。船载前置侧扫声呐采集模块用于对专用船的航行正前方进行检测，以采集数字点云数据。立体视图生成模块用于根据数字点云数据生成正前方河床的3D立体点云视图。通航检测模块用于将3D立体点云视图数据与标准航道理论尺度进行对照得到对照结果，并根据对照结果进行对应提示。专用船数据获取模块用于以设置在专用船船头的侧扫声呐换能器为原点建立独立坐标系，并获取专用船正前方河床地形及碍航物体轮廓的实测数据，所述实测数据包括GPS的定位数据、定向数据、授时数据和RTK的高程数据；

所述航道尺度数据计算模块用于根据所述数字点云数据、所述定位数据、所述定向数据、所述高程数据和所述授时数据得到在所述独立坐标系中的实际河床地形信息数据，并通过地理信息系统将所述实际河床地形信息数据换算成大地坐标系中的地理信息数据，以得到所测航段内实际航道尺度数据；

航道尺度数据校验模块用于以航道理论中心线为轴，利用标准航道理论尺度对实际航道尺度数据进行核验，以检验航道尺度数据是否达标。该基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统首先采集数字点云数据，根据数字点云数据生成对应河床地形的3D立体点云视图，然后将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照，以此，验算实际河床内是否有碍航物体侵及标准航道空间，进而实时反映船舶航行前方水域的航道条件，继而对船舶是否能在当前航道航行进行分析判定，避免出现搁浅、碰撞等海事事故，确保航行安全。当船舶通过某个限制水域时，可以对航道尺度数据进行核验，以确定船舶能否安全通过。该系统可以将专用船实测的河床地形数据换算成大地坐标系地理信息数据，得到所测航段内的实际航道尺度数据，从而利用标准航道理论尺度对实际航道尺度数据进行核验，以检验实际航道尺度数据是否达标，完成对所测航道的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种船舶的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种船舶测量判定的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种实际航道尺度数据检测的流程图。

图标：110-船载前置侧扫声呐采集模块；111-前置侧扫声呐；120-立体视图生成模块；130-通航检测模块；140-专用船数据获取模块；150-航道尺度数据计算模块；160-航道尺度数据校验模块；1-姿态仪；2-北斗天线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，若出现术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，若出现由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例

请参照图1-图4，图1所示为本申请实施例提供的一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统的结构框图，图2所示为本发明实施例提供的一种船舶的结构示意图，图3所示为本发明实施例提供的一种船舶测量判定的流程图，图4所示为本发明实施例提供的一种实际航道尺度数据检测的流程图。

本申请实施例提供一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其包括船载前置侧扫声呐采集模块110、立体视图生成模块120、通航检测模块130、专用船数据获取模块140、航道尺度数据计算模块150和航道尺度数据校验模块160；

船载前置侧扫声呐采集模块110用于对船舶的航行正前方进行扫测，以采集数字点云数据；

具体的，船载前置侧扫声呐采集模块110可以对船舶纵向正前方河床地形和相关碍航物轮廓进行扫测，以采集数字点云数据。其中，数字点云数据包括河床地形点云数据和碍航物轮廓点云数据。

其中，上述船载前置侧扫声呐采集模块110可以为设置于船舶上的前置侧扫声呐111。具体的，在船舶的船头设置的侧扫声呐的换能器就是独立坐标系的原点，该换能器所发射的声波束对应有发射角，遇河床质后将反射返回，从而可以算出直线距离，直线距离通过立体几何解算，就可以得到点云的三维分布。一发一收就是一准确点。

立体视图生成模块120用于根据数字点云数据生成正前方河床的3D立体点云视图；

具体的，3D立体点云视图可以显示于船舶的显示屏上。由于点云数据为可量测信息，则可以在显示屏上植入长、宽、深等距的理论参考线，使得显示屏上的视图更直观。

通航检测模块130用于将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照得到对照结果，并根据对照结果进行对应提示；

具体的，可以在三维空间内建立由标准航道宽度、标准深度和标准曲率半径等尺度形成理论几何空间，利用理论几何空间对3D立体点云视图进行校验，以验算实际河床是否侵及理想航道空间，进而实时反映船舶航行水域的航道条件，如：航宽、航深、曲率半径和富裕水深，继而判定船舶是否能在当前航道航行，并自动发出相关提示，避免出现搁浅、碰撞等海事事故，确保航行安全。

上述实现过程中，通过船载前置侧扫声呐采集模块110、立体视图生成模块120和通航检测模块130可以实现对船舶的航行过程进行实时监测。该系统可以实时对对照结果进行智能评判，若根据对照结果得知当前航行方向满足通航条件则船舶继续航行。若根据对照结果得知有碍航物或当前河床地形导致船舶不能通过，则对船舶进行及时提醒，并提供优选航向，以对偏离航道的航行状况进行智能提醒。

示例性的，进行智能评判，提供优选航向的具体过程可以是：将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照，以船舶的纵轴线为基准，若显示此时船舶的左方位置的空间大于右方位置的空间，则该系统为船舶提供的优选航向将偏向船舶的左方位置。

专用船数据获取模块140用于以设置在专用船船头的侧扫声呐换能器为原点建立独立坐标系，并获取专用船正前方河床地形及碍航物体轮廓的实测数据，实测数据包括GPS的定位数据、定向数据、授时数据和RTK的高程数据；

其中，若以专用船的船头为原点建立独立坐标系，则该独立坐标系包含专用船的定位、定向数据。上述实测数据包括专用船的定位数据、定向数据、高程数据和授时数据，专用船上设置有北斗天线2。通过北斗RTK可以获取专用船的定位数据、定向数据和授时数据。

航道尺度数据计算模块150用于根据数字点云数据、定位数据、定向数据、高程数据和授时数据得到在独立坐标系中的实际河床地形信息数据，并通过地理信息系统将实际河床地形信息数据换算成大地坐标系中的地理信息数据，以得到所测航段内实际航道尺度数据。

具体的，上述专用船上设置有ArcGIS平台，通过ArcGIS平台可以实现实际河床地形信息数据和大地坐标系地理信息数据的转换。

其中，上述实际河床地形信息数据可以直观得到专用船测量的实际航道尺度数据；

航道尺度数据校验模块160用于以航道理论中心线为轴，利用标准航道理论尺度对实际航道尺度数据进行核验，以检验航道尺度数据是否达标。

具体的，根据标准航道理论尺度，核验航道尺度数据是否达标、有无碍航物、是否影响航行安全。

上述实现过程中，该基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统首先采集数字点云数据，根据数字点云数据生成对应河床的3D立体点云视图，然后将3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照，以此，验算实际河床是否侵及理想航道空间，进而实时反映船舶航行水域的航道条件，继而对船舶是否能在当前航道航行进行判定，避免出现搁浅、碰撞等海事事故，确保航行安全。该系统可以将专用船的实测数据转换成大地坐标系地理信息数据，得到专用船测量的航道尺度数据，从而当船舶通过某个限制水域时，可以对航道尺度数据进行核验，以确定船舶能否安全通过。

其中，若前置侧扫声呐111将声波束发射出去却没在规定时间内收到回应，就是失真信号。同理，与发射波束不能对应的同频信号，有的可能是多次折射，强度降低，有的是非河床质反射，这些与发射波束不能对应的同频信号统称为杂波，即不能做到一发一收相对应的信号，都需要通过信号强度和时间与距离的复合认证。

在本实施例的一些实施方式中，上述基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统还包括：

姿态采集模块，用于采集船舶的当前航行姿态数据；

其中，上述姿态采集模块可以是设置于船舶上的姿态仪1。

姿态纠偏模块，用于以船舶的三维轴线为基准，对当前航行姿态数据进行纠偏。

在本实施例的一些实施方式中，上述基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统还包括：

标准航道理论尺度得到模块，用于根据标准航道宽度、标准深度和标准曲率半径得到标准航道理论尺度；

理论几何空间建立模块，用于根据标准航道理论尺度，在三维空间内建立理论几何空间。

在本实施例的一些实施方式中，上述通航检测模块130包括：

船舶数据获取子模块，用于获取船舶的实际数据，实际数据包括船长数据、船宽数据、吃水数据和行驶速度；

航向调整子模块，用于根据实际数据和3D立体点云视图生成航向调整方案。

具体的，根据船舶的船长数据、船宽数据、吃水数据和行驶速度可以与前方航道条件做智能识别，以判断航行安全情况。然后对实际数据和3D立体点云视图进行评判可以确定最佳航向调整方案。

在本实施例的一些实施方式中，上述航向调整子模块包括：

塌岸调整单元，用于若3D立体点云视图显示有塌岸图像，则根据塌岸图像和实际数据生成航向调整方案。

在本实施例的一些实施方式中，上述航向调整子模块包括：

碍航物判断单元，用于若3D立体点云视图显示有碍航物图像，则根据碍航物图像和实际数据生成航向调整方案。

在本实施例的一些实施方式中，上述航道尺度数据校验模块160包括：

限制水域检测单元，用于获取限制水域的真实数据，真实数据包括限宽数据和限深数据；

检验单元，用于根据标准航道尺度数据和限制水域的真实数据，检验航道尺度数据是否达标。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，包括船载前置侧扫声呐采集模块、立体视图生成模块、通航检测模块、专用船数据获取模块、航道尺度数据计算模块和航道尺度数据校验模块；

所述船载前置侧扫声呐采集模块用于对船舶的航行正前方进行扫测，以采集数字点云数据；

所述立体视图生成模块用于根据所述数字点云数据生成船舶航线正前方河床的3D立体点云视图；

所述通航检测模块用于将所述3D立体点云视图与标准航道理论尺度进行对照得到对照结果，并根据所述对照结果进行对应提示；

所述专用船数据获取模块用于以设置在专用船船头的侧扫声呐换能器为原点建立独立坐标系，并获取专用船正前方河床地形及碍航物体轮廓的实测数据，所述实测数据包括GPS的定位数据、定向数据、授时数据和RTK的高程数据；

所述航道尺度数据计算模块用于根据所述数字点云数据、所述定位数据、所述定向数据、所述高程数据和所述授时数据得到在所述独立坐标系中的实际河床地形信息数据，并通过地理信息系统将所述实际河床地形信息数据换算成大地坐标系中的地理信息数据，以得到所测航段内实际航道尺度数据；

所述航道尺度数据校验模块用于以航道理论中心线为轴，利用标准航道理论尺度对所述实际航道尺度数据进行核验，以检验所述实际航道尺度数据是否达标。

2.根据权利要求1所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，还包括：

姿态采集模块，用于采集船舶的当前航行姿态数据；

姿态纠偏模块，用于以船舶的三维轴线为基准，对所述当前航行姿态数据进行纠偏。

3.根据权利要求1所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，还包括：

标准航道理论尺度得到模块，用于根据标准航道宽度、标准深度和标准曲率半径得到标准航道理论尺度；

理论几何空间建立模块，用于根据所述标准航道理论尺度，在三维空间内建立理论几何空间。

4.根据权利要求1所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，所述通航检测模块包括：

船舶数据获取子模块，用于获取船舶的实际数据，所述实际数据包括船长数据、船宽数据、吃水数据和行驶速度等；

航向调整子模块，用于根据所述实际数据和所述3D立体点云视图数据进行智能对比、分类或研判，并自动生成航向调整方案。

5.根据权利要求4所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，所述航向调整子模块包括：

塌岸调整单元，用于若所述3D立体点云视图显示有塌岸图像，则将所述塌岸图像和所述实际数据进行对比，优选生成航向调整方案。

6.根据权利要求4所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，所述航向调整子模块包括：

碍航物判断单元，用于若所述3D立体点云视图显示有碍航物图像，则根据所述碍航物图像和所述实际数据生成航向调整方案。

7.根据权利要求1所述的基于声呐技术的航道尺度检测和船舶航行监测系统，其特征在于，所述航道尺度数据校验模块包括：

限制水域检测单元，用于获取限制水域的真实数据，所述真实数据包括限宽数据和限深数据；

检验单元，用于根据标准航道尺度数据和所述限制水域的真实数据，检验所述航道尺度数据是否达标。

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