CN114973772A - 一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法 - Google Patents

一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法，一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，包括无人机，无人机通信连接有地面服务器，无人机内设置有采集模块，采集模块连接有图像加密模块，地面服务器内设置有解密模块，解密模块连接有碰撞预测模块，采集模块通信连接于碰撞预测模块，碰撞预测模块连接有预警模块。还提出一种基于无人机的船舶碰撞预警方法，利用无人机的移动采集数据，与地面服务器建立连接，图像传输采用加密传输，更加安全，利用图像数据、有用非图像数据和历史疑似碰撞轨迹进行碰撞预测，最后发出预警提醒；本发明对船舶碰撞进行预警，减小船舶碰撞发生概率，保证航行的安全。

Description

一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法。
背景技术
水路运输在我国和国际贸易中仍然发挥着很重要的作用，同时水路运输的成本低，水路运输具有不可替代性；碰撞事故作为水路事故中发生率最高的事故，值得高度关注，一旦发生船舶碰撞，往往会造成巨大的人员伤亡，经济损失也不可挽回，同时对水域造成污染；而无人机重量轻，采集数据灵活；因此，现提出一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法，对水域船舶进行预警。
在中国专利文献上公开的“一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法”，其公开号为CN108281043B，公开了一种船舶碰撞风险预警系统及预警方法，包含：信息采集与录入模块用于采集本船周边的船舶的动态信息和碍航物静态信息并向外传输；碰撞风险测度模块用于根据船舶的动态信息和碍航物静态信息，获得风险测度的结果；基于单一模式测量信息碰撞风险预警模块用于根据接收到的船舶的动态信息和碍航物静态信息进行碰撞风险预警；综合碰撞风险预警模块用于对单一模式测量信息碰撞风险预警模块得到的各预警信息进行综合处理，获得最终的碰撞风险预警信息；预警信息远程传输模块用于将所述最终的碰撞风险预警信息远程传输给岸基管理机构。但是其并未涉及无人机。
发明内容
本发明解决了现有的水路船舶相互之间缺乏碰撞预警的问题，提出一种基于无人机的船舶碰撞预警系统及方法，利用无人机的移动采集数据，与地面服务器建立连接，图像传输采用加密传输，更加安全，利用图像数据、有用非图像数据和历史疑似碰撞轨迹进行碰撞预测，最后发出预警提醒；本发明对船舶碰撞进行预警，减小船舶碰撞发生概率，保证航行的安全。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，包括无人机，所述无人机通信连接有地面服务器，所述无人机内设置有采集模块，所述采集模块连接有图像加密模块，所述地面服务器内设置有解密模块，所述解密模块连接有碰撞预测模块，所述采集模块通信连接于碰撞预测模块，所述碰撞预测模块连接有预警模块。本发明中，主要涉及无人机和地面服务器，在无人机端，设置有用于采集图像数据以及非图像数据的采集模块，采集模块具体有多个不同方位的摄像机、多种传感器以及检测器，而与采集模块相连的图像加密模块涉及对图像数据进行加密操作，防止在无人机和地面服务器传输数据时信息的泄露，加密过程迅速，并不影响预警时效；解密模块利用密钥进行解密，过程同样迅速，在完成解密后，利用数据进行碰撞预测，主要涉及对碰撞轨迹点的预测；最后利用预警模块发出预警提示；保证船舶的安全，能够有效减小船舶碰撞发生率。
作为优选，所述采集模块用于采集船舶的图像数据和非图像数据，所述图像数据由无人机多角度航拍获取，所述非图像数据包括环境数据和船舶数据，所述环境数据通过实时的环境变量获取，所述环境变量包括水文信息和气象信息；所述船舶数据包括船舶的船位、船速和大小。本发明中，对于图像数据，具体采用设在采集模块中的摄像机采集，对于非图像数据，一方面能够从相应的设置在无人机上的传感器或者检测器得到，另一方面能够与地面服务器联网获取相关船舶或者环境信息。
作为优选，所述图像加密模块包括：
图像接收单元，接收来自采集模块的图像数据，并对图像数据进行预处理，预处理后的图像数据暂存至该单元中；
加密动作单元，调取图像接收单元中暂存的图像数据，对图像数据进行加密处理形成加密数据；
传输选择单元，加密数据选择网络环境以及传输方式并且发送至地面服务器，网络环境包括内网和外网。本发明中，图像加密的过程中，首先需对图像数据进行预处理，预处理主要是去除不清晰的图像数据，具体为设定图像数据清晰度阈值；加密动作单元执行加密操作，加密后同样形成图像数据，加密完成后自动选择内网或者外网发送图像数据，加密过程在保证安全性的条件下，无需花费太多时间。
作为优选，所述解密模块包括解密单元和数据还原单元，所述解密单元利用密钥进行解密形成解密后的数据，所述数据还原单元用于将解密后的数据还原成图像格式。本发明中，在利用密钥解密后，还需进行数据的还原，即对解密后的数据重新转化为图像数据；若在解密单元和数据还原单元中数据出现故障，均可通过溯源分析找回；解密模块分块明确，且具备可溯源性。
作为优选，所述碰撞预测模块包括：
数据筛选单元，用于将解密模块发送出的图像数据筛选，筛选出不合格图像数据；同时将非图像数据与图像数据进行两两配对；
轨迹对比单元，巡检非图像数据与图像数据，遍历找出历史单位时间内任意两个船舶的轨迹并且图像拟合形成轨迹对，若轨迹对有交点，定义为历史疑似碰撞点，根据图像数据、非图像数据以及历史疑似碰撞轨迹预测出未来单位时间内的轨迹对，若轨迹对有交点，则为预测疑似碰撞点；
预测存储单元，将预测疑似碰撞轨迹以及预测疑似碰撞点进行储存，并作为下一次的历史疑似碰撞点使用。本发明中，在碰撞预测模块中，首先接收到的是经过解密单元以及数据还原单元后的图像数据，该数据经过数据筛选后，剔除不合格的数据，同时追溯不合格图像数据来源并调用无人机采集模块的备用数据，在不合格数据过多时，将重新检查无人机采集模块端的设备以及无人机与地面服务器的通讯状况，及时发现问题并解决；随后进行轨迹对比，找出历史单位时间内的船舶轨迹，并形成轨迹对，找出所需要的轨迹对，进行图像拟合，形成的历史疑似碰撞区域和历史疑似碰撞点进行存储，由历史疑似碰撞区域和历史疑似碰撞点和其他数据预测得出未来是否存在预测疑似碰撞点，预测过程均在该模块中进行，且各个单元中均有相应的存储单元。
作为优选，所述预警模块设置于地面服务器内部且与无人机的响应模块通信连接，所述预警模块同时对预测碰撞点附近的水域发出预警，提醒船舶人员，所述预警模块传输采用5G传输。本发明中，预警模块在预测得到任意轨迹对存在历史疑似碰撞点后触发，触发时相应迅速。
一种基于无人机的船舶碰撞预警方法，采用权利要求1-6所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，包括以下步骤：
S1，无人机移动采集船舶的图像数据和非图像数据；
S2，对采集得到的图像数据进行图像加密并传输；
S3，加密后的图像数据传输至地面服务器并解密还原；
S4，根据图像数据和有用非图像数据进行碰撞轨迹点的预测；
S5，地面服务器进行预警。本发明中，首先进行数据的采集，数据包括图像数据和非图像数据，非图像数据一部分都传感器或者检测器采集得到，另一部分通过地面服务器获取；其中，对采集数据中的图像数据进行加密，防止数据被破坏，同时加密响应速度快；在解密还原后，进行船舶的碰撞预测，预测出疑似碰撞点以及疑似碰撞区域，最终地面服务器发出预警，相应的水域以及船舶均能接收到预警信息，以备船舶路线的调整，响应过程迅速。
作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：
S21，将图像数据映射为二进制数据，将二进制数据以4bit一组进行十进制转换，不足4bit补0；
S22，依次将转化后的十进制数据两两相乘，相乘后的数据表示RGB的数值，并组成加密的图像数据，并将两两相乘的十进制数据错位存储作为密钥。本发明中，加密首先将图像数据转化为二进制的数据，并将二进制数据转化为十进制，由十进制相乘得到的数值作为RGB值，并转化为加密后的图像数据进行传输。
本发明的有益效果是：本发明利用无人机的移动采集数据，与地面服务器建立连接，图像传输采用加密传输，更加安全，利用图像数据和有用非图像数据进行碰撞预测，最后发出预警提醒；本发明对船舶碰撞进行预警，减小船舶碰撞发生概率，保证航行的安全。
附图说明
图1是本发明一种基于无人机的船舶碰撞预警系统的模块图；
图2是本发明图像加密模块的示意图；
图3是本发明碰撞预测模块的结构示意图；
图4是本发明一种基于无人机的船舶碰撞预警方法的流程图；
其中，1、无人机 11、采集模块 12、图像加密模块 121、图像接收单元 122、加密动作单元 123、传输选择单元 2、地面服务器 21、解密模块 22、碰撞预测模块 221、数据筛选单元 222、轨迹对比单元 223、预测存储单元 23、预警模块。
具体实施方式
实施例：
本实施例提出一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，参考图1，包括无人机1以及地面服务器2，无人机1与地面服务器2通信连接，无人机1内设置有采集模块11以及图像加密模块12,，采集模块11与图像加密模块12连接，地面服务器2内设置有解密模块21、碰撞预测模块22以及预警模块23，解密模块21与碰撞预测模块22连接，采集模块11与碰撞预测模块22通信连接，碰撞预测模块22与预警模块23连接。
采集模块11的功能为采集船舶的图像数据和非图像数据，图像数据的采集通过无人机多角度航拍得到，非图像数据主要包括有环境数据以及船舶数据，环境数据由实时的环境变量获取，环境变量主要包括有水文信息以及气象信息；船舶数据包括船舶的船位、船速以及大小。
参考图2，图像加密模块12包括：图像接收单元121，图像接收单元121接收来自采集模块11的图像数据，随后把图像数据进行预处理操作，预处理后的图像数据能够暂时储存在该单元中；加密动作单元122，调取图像接收单元121中暂存的图像数据，对图像数据进行加密处理形成加密数据；传输选择单元123，加密数据选择网络环境以及传输方式并且发送至地面服务器，网络环境包括内网和外网。
解密模块21包括解密单元以及数据还原单元，解密单元21利用密钥进行解密形成解密后的数据，数据还原单元主要是把解密后的数据还原成图像格式的数据。
参考图3，碰撞预测模块22包括：数据筛选单元221，用于对解密模块发送出的图像数据进行筛选，筛选出不合格图像数据；随后将非图像数据以及图像数据两两配对；轨迹对比单元222，首先巡检非图像数据与图像数据，其次遍历找出历史单位时间内任意两个船舶的轨迹并且图像拟合形成轨迹对，如果轨迹对有交点，则定义为历史疑似碰撞点，根据图像数据、非图像数据以及历史疑似碰撞轨迹预测出未来单位时间内的轨迹对，如果轨迹对有交点，则为预测疑似碰撞点；预测存储单元223，将预测疑似碰撞轨迹以及预测疑似碰撞点进行储存，能够作为下一次的历史疑似碰撞点使用。
预警模块设置于地面服务器内部，同时预警模块还通信连接于无人机的响应模块，预警模块同时对预测碰撞点附近的水域发出预警，提醒船舶人员，预警模块传输则是采用5G传输的方式。
本发明中，主要涉及无人机和地面服务器，在无人机端，设置有用于采集图像数据以及非图像数据的采集模块，采集模块具体有多个不同方位的摄像机、多种传感器以及检测器，而与采集模块相连的图像加密模块涉及对图像数据进行加密操作，防止在无人机和地面服务器传输数据时信息的泄露，加密过程迅速，并不影响预警时效；解密模块利用密钥进行解密，过程同样迅速，在完成解密后，利用数据进行碰撞预测，主要涉及对碰撞轨迹点的预测；最后利用预警模块发出预警提示；保证船舶的安全，能够有效减小船舶碰撞发生率。
本发明中，对于图像数据，具体采用设在采集模块中的摄像机采集，对于非图像数据，一方面能够从相应的设置在无人机上的传感器或者检测器得到，另一方面能够与地面服务器联网获取相关船舶或者环境信息。
本发明中，图像加密的过程中，首先需对图像数据进行预处理，预处理主要是去除不清晰的图像数据，具体为设定图像数据清晰度阈值；加密动作单元执行加密操作，加密后同样形成图像数据，加密完成后自动选择内网或者外网发送图像数据，加密过程在保证安全性的条件下，无需花费太多时间。
本发明中，在利用密钥解密后，还需进行数据的还原，即对解密后的数据重新转化为图像数据；若在解密单元和数据还原单元中数据出现故障，均可通过溯源分析找回；解密模块分块明确，且具备可溯源性。
本发明中，在碰撞预测模块中，首先接收到的是经过解密单元以及数据还原单元后的图像数据，该数据经过数据筛选后，剔除不合格的数据，同时追溯不合格图像数据来源并调用无人机采集模块的备用数据，在不合格数据过多时，将重新检查无人机采集模块端的设备以及无人机与地面服务器的通讯状况，及时发现问题并解决；随后进行轨迹对比，找出历史单位时间内的船舶轨迹，并形成轨迹对，找出所需要的轨迹对，进行图像拟合，形成的历史疑似碰撞区域和历史疑似碰撞点进行存储，由历史疑似碰撞区域和历史疑似碰撞点和其他数据预测得出未来是否存在预测疑似碰撞点，预测过程均在该模块中进行，且各个单元中均有相应的存储单元。
本发明中，预警模块在预测得到任意轨迹对存在历史疑似碰撞点后触发，触发时相应迅速。
本发明还提出一种基于无人机的船舶碰撞预警方法，参考图4，采用上述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，主要包括以下多个步骤，步骤S1，无人机移动采集船舶的图像数据和非图像数据；具体的，使用采集模块进行采集，具体可参考上述采集模块的描述；步骤S2，对采集得到的图像数据进行图像加密处理，处理完成后传输至地面服务器；具体的，可参考上述关于图像加密模块的描述；步骤S3，加密后的图像数据传输到地面服务器，并进行解密还原；具体的，参考上述关于解密模块的描述；步骤S4，由图像数据和有用非图像数据进行碰撞轨迹点的预测；具体的，参考上述关于碰撞预测模块的描述；步骤S5，地面服务器进行预警；具体的，参考上述关于预警模块的描述。本发明中，首先进行数据的采集，数据包括图像数据和非图像数据，非图像数据一部分都传感器或者检测器采集得到，另一部分通过地面服务器获取；其中，对采集数据中的图像数据进行加密，防止数据被破坏，同时加密响应速度快；在解密还原后，进行船舶的碰撞预测，预测出疑似碰撞点以及疑似碰撞区域，最终地面服务器发出预警，相应的水域以及船舶均能接收到预警信息，以备船舶路线的调整，响应过程迅速。
步骤S2包括以下步骤：步骤S21，把图像数据映射成二进制数据，把二进制数据以4bit一组进行十进制转换，不足4bit补0；步骤S22，依次将转化后的十进制数据两两相乘，相乘后的数据表示RGB的数值，并组成加密的图像数据，将两两相乘的十进制数据错位存储作为密钥，以备解密使用。本发明中，加密首先将图像数据转化为二进制的数据，并将二进制数据转化为十进制，由十进制相乘得到的数值作为RGB值，并转化为加密后的图像数据进行传输。
上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，包括无人机，所述无人机通信连接有地面服务器，所述无人机内设置有采集模块，所述采集模块连接有图像加密模块，所述地面服务器内设置有解密模块，所述解密模块连接有碰撞预测模块，所述采集模块通信连接于碰撞预测模块，所述碰撞预测模块连接有预警模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述采集模块用于采集船舶的图像数据和非图像数据，所述图像数据由无人机多角度航拍获取，所述非图像数据包括环境数据和船舶数据，所述环境数据通过实时的环境变量获取，所述环境变量包括水文信息和气象信息；所述船舶数据包括船舶的船位、船速和大小。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述图像加密模块包括：
图像接收单元，接收来自采集模块的图像数据，并对图像数据进行预处理，预处理后的图像数据暂存至该单元中；
加密动作单元，调取图像接收单元中暂存的图像数据，对图像数据进行加密处理形成加密数据；
传输选择单元，加密数据选择网络环境以及传输方式并且发送至地面服务器，网络环境包括内网和外网。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述解密模块包括解密单元和数据还原单元，所述解密单元利用密钥进行解密形成解密后的数据，所述数据还原单元用于将解密后的数据还原成图像格式。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述碰撞预测模块包括：
数据筛选单元，用于将解密模块发送出的图像数据筛选，筛选出不合格图像数据；同时将非图像数据与图像数据进行两两配对；
轨迹对比单元，巡检非图像数据与图像数据，遍历找出历史单位时间内任意两个船舶的轨迹并且图像拟合形成轨迹对，若轨迹对有交点，定义为历史疑似碰撞点，根据图像数据、非图像数据以及历史疑似碰撞轨迹预测出未来单位时间内的轨迹对，若轨迹对有交点，则为预测疑似碰撞点；
预测存储单元，将预测疑似碰撞轨迹以及预测疑似碰撞点进行储存，并作为下一次的历史疑似碰撞点使用。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，所述预警模块设置于地面服务器内部且与无人机的响应模块通信连接，所述预警模块同时对预测碰撞点附近的水域发出预警，提醒船舶人员，所述预警模块传输采用5G传输。
7.一种基于无人机的船舶碰撞预警方法，采用权利要求1-6所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1，无人机移动采集船舶的图像数据和非图像数据；
S2，对采集得到的图像数据进行图像加密并传输；
S3，加密后的图像数据传输至地面服务器并解密还原；
S4，根据图像数据和有用非图像数据进行碰撞轨迹点的预测；
S5，地面服务器进行预警。
8.根据权利要求7所述的一种基于无人机的船舶碰撞预警方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21，将图像数据映射为二进制数据，将二进制数据以4bit一组进行十进制转换，不足4bit补0；
S22，依次将转化后的十进制数据两两相乘，相乘后的数据表示RGB的数值，并组成加密的图像数据，并将两两相乘的十进制数据错位存储作为密钥。
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