CN115457807B - 基于导航雷达的船舶避碰预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于导航雷达的船舶避碰预警系统，涉及船舶技术领域，通过雷达技术，获取以船舶为中心的雷达扫描信息，并对其中水面上的移动障碍物的位置和移动轨迹进行预测，再结合船舶自身的航信数据，判断船舶与移动障碍物之间是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，生成预警信息，监控中心根据预警信息对船舶做出相应调整，监控中心未对预警信息做出反应时，则由预警模块对船舶进行提速或降速处理，从而避免船舶与移动障碍物产生碰撞；另一方面，当船舶与固定障碍物存在碰撞风险时，则生成临时避障路线，通过临时避障路线将固定障碍物进行避让，从而避免与固定障碍物产生碰撞。

Description

基于导航雷达的船舶避碰预警系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体是基于导航雷达的船舶避碰预警系统。

背景技术

近年来，随着船舶的大型化发展，船舶数量快速上升，水上交通事故也呈上升的趋势，特别是船舶与船舶、船舶与桥墩、船舶与跨海电缆之间的碰撞等这类碰撞事故的发生，往往会造成巨大的损失；

如何利用雷达技术，获取船舶在航行过程中的航行数据和障碍物信息，从而对船舶可能发生的碰撞风险做出预测，并根据预测结果对船舶提前做出避碰预警，是我们需要解决的问题，为此，现提供基于导航雷达的船舶避碰预警系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于导航雷达的船舶避碰预警系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于导航雷达的船舶避碰预警系统，包括监控中心，所述监控中心通信和/或电性连接有数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块以及预警模块；

所述数据采集模块用于船舶的航行数据；

所述数据处理模块用于对数据采集模块所获取到的船舶的航行数据进行处理，获取船舶到航线上任一点所需要的时长，并对通过雷达扫描技术识别雷达范围内的障碍物信息进行处理；

所述数据分析模块用于根据船舶的航行数据和所获得的障碍物信息，对船舶是否存在碰撞风险进行分析；

所述预警模块用于根据所接收到的预警信息对船舶进行避障预警。

进一步的，所述数据采集模块获取船舶的航行数据的过程包括：对船舶的出发地和目的地进行标记，并获取船舶从出发点到目的地之间的预设航线，实时获取船舶的行驶速度。

进一步的，所述数据处理模块对数据采集模块所获取到的船舶的航行数据进行处理的过程包括：对所生成的预设航线进行标记，并获得船舶的规格信息，根据所获得的船舶的规格信息生成航线宽度，根据所生成的航线宽度对预设航线进行调整，生成第一航线；

对船舶当前时刻的所在位置进行标记，并获取船舶在当前所在位置的行驶速度；

获取第一航线上任一点到船舶当前所在位置的航程，获取船舶从当前所在位置到第一航线上任一点的位置所需要的时长。

进一步的，所述数据处理模块对所获得的障碍物信息的处理过程包括：

通过雷达技术扫描雷达范围内的雷达扫描信息；根据以船舶为中心的雷达扫描图，获得雷达扫描图中的障碍物，并对雷达扫描图中的障碍物及其坐标进行标记；障碍物包括固定障碍物和移动障碍物；

将固定障碍物的坐标在雷达扫描图内进行标记，并以固定障碍物为中心，形成半径为R障碍区域；

对移动障碍物在雷达扫描图中的坐标位置进行更新，并形成移动障碍物的移动轨迹路线；获取当前时刻移动障碍物的移动轨迹路线，并根据移动障碍物当前时刻的移动轨迹路线对移动障碍未来的移动轨迹进行预测，并生成预测轨迹路线。

进一步的，对移动障碍未来的移动轨迹进行预测的过程包括：

设置预测周期T；获取历史时长T时间段内的移动轨迹路线段，并在该移动轨迹路线段内进行取样，获得取样点；

获得障碍物的所在位置的坐标；根据所获得的各个取样点的障碍物的所在位置的坐标，获得障碍物在预测周期T时间段内的移动趋势；

分别获得障碍物的x轴向偏转系数和y轴向偏转系数，进而获得预测点；将所生成的预测点的预测位置坐标分别进行标记，并将所标记的每个预测点的位置按照标号顺序依次进行连接，获得移动障碍物的预测轨迹段。

进一步的，所述数据分析模块对船舶是否存在碰撞风险进行分析的过程包括：

对每个移动障碍物的预测轨迹段的末端点进行标记，根据所标记的预测轨迹段的末端点，获取移动障碍物的预测轨迹段的末端点与第一航线之间的最短距离，并将第一航线向与预测轨迹段的末端点最短距离的点标记为预警点；

根据移动轨迹路线段和预测轨迹段的长度获得移动障碍物到第一航线上的预测时长，将其与船舶行驶至预警点所需要的时长进行对比，根据对比结果判断船舶与移动障碍物之前的碰撞风险，存在碰撞风险则生成第一预警信息；

对固定障碍物的位置进行标记，并获取固定障碍物的障碍区域与第一航线是否存在交集，若存在交集，则生成第二预警信息。

进一步的，所述预警模块对船舶进行避障预警的过程包括：

设置预警反馈时长，当预警模块接收到第一预警信息或第二预警信息时，监控中心在预警反馈时长内未对所接收到的第一预警信息或第二预警信息进行确认，则预警模块根据所接收到的第一预警信息和第二预警信息对船舶进行避障处理；

当接收到第一预警信息时，通过对船舶进行提速或降速；

当接收到第二预警信息时，则以固定障碍物的障碍范围为基准，生成临时避障航线，通过临时避障航线对固定障碍物的障碍范围进行躲避。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过雷达技术，获取以船舶为中心的雷达扫描信息，并对其中水面上的移动障碍物的位置和移动轨迹进行预测，再结合船舶自身的航信数据，判断船舶与移动障碍物之间是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，生成预警信息，监控中心根据预警信息对船舶做出相应调整，监控中心未对预警信息做出反应时，则由预警模块对船舶进行提速或降速处理，从而避免船舶与移动障碍物产生碰撞；另一方面，当船舶与固定障碍物存在碰撞风险时，则生成临时避障路线，通过临时避障路线将固定障碍物进行避让，从而避免与固定障碍物产生碰撞。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

如图1所示，基于导航雷达的船舶避碰预警系统，包括监控中心，所述监控中心通信和/或电性连接有数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块以及预警模块；

所述数据采集模块用于船舶的航行数据，所述数据采集模块获取船舶的航行数据的过程包括：

获取船舶的航行数据，航行数据包括

对船舶的出发地和目的地进行标记，并获取船舶从出发点到目的地之间的预设航线；

获取船舶的出发时间，并将船舶的出发时间记为t1时刻；

实时获取船舶的行驶速度；

将所获得的航行数据上传至数据处理模块。

所述数据处理模块用于通过雷达扫描技术识别雷达范围内的障碍物信息，并对所获得的障碍物信息进行处理，具体处理过程包括：

通过雷达技术扫描雷达范围内的雷达扫描信息；

将所获得的雷达扫描信息输入深度卷积神经网络训练模型，并根据所输入的雷达扫描信息，获得形成以船舶为中心的雷达扫描图，同时获得雷达扫描图中的障碍物，并对雷达扫描图中的障碍物及其坐标进行标记；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，障碍物包括固定障碍物和移动障碍物；其中固定障碍物包括桥梁、堤岸、暗礁等，移动障碍物包括船只、漂浮物；

将固定障碍物的坐标在雷达扫描图内进行标记，并以固定障碍物为中心，形成半径为R障碍区域；

对移动障碍物在雷达扫描图中的坐标位置进行更新，并形成移动障碍物的移动轨迹路线；

获取当前时刻移动障碍物的移动轨迹路线，并根据移动障碍物当前时刻的移动轨迹路线对移动障碍未来的移动轨迹进行预测，并生成预测轨迹路线，具体过程包括：

设置预测周期T，需要进一步说明的是，在具体实施过程中，预测周期的单位为分钟；

获取历史时长T时间段内的移动轨迹路线段，并在该移动轨迹路线段内进行取样，获得n个取样点，对每个取样点进行标号，记为i，其中i＝1，2，……，n，n为整数，且标号为n的取样点为当前时刻对应的移动障碍物的所在位置；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，相邻的两个取样点的间隔时长相同，即每个取样点之间的间隔时长为T/n；

将标号为i的障碍物的所在位置的坐标记为(x_i，y_i)；

根据所获得的各个取样点的障碍物的所在位置的坐标，获得障碍物在预测周期T时间段内的移动趋势；

则分别获得障碍物的x轴向偏转系数和y轴向偏转系数，并分别将障碍物的x轴向偏转系数和y轴向偏转系数标记为PX和PY；

其中

则获得预测点，将预测点分别进行标号，记为n+i；

则生成标号为n+i的预测点的预测位置坐标，将预测位置坐标记为(x_n+i，y_n+i)；

则x_n+i＝x_k*PX，y_n+i＝y_k*Py，其中k＝n+i-1；

将所生成的预测点的预测位置坐标分别进行标记，并将所标记的每个预测点的位置按照标号顺序依次进行连接，获得移动障碍物的预测轨迹段。

所述数据处理模块还用于对数据采集模块所获取到的船舶的航行数据进行处理，具体处理过程包括：

对所生成的预设航线进行标记，并获得船舶的规格信息，根据所获得的船舶的规格信息生成航线宽度，根据所生成的航线宽度对预设航线进行调整，生成第一航线；

对船舶当前时刻的所在位置进行标记，并获取船舶在当前所在位置的行驶速度，将船舶在当前所在位置的行驶速度标记为V；

获取第一航线上任一点到船舶当前所在位置的航程；

则船舶从当前所在位置到第一航线上任一点的位置所需要的时长为t。

所述数据分析模块用于根据船舶的航行数据和所获得的障碍物信息，对船舶是否存在碰撞风险进行分析，具体分析过程包括：

对移动障碍物进行分析：

对每个移动障碍物的预测轨迹段的末端点进行标记，根据所标记的预测轨迹段的末端点，判断移动障碍物与第一航线之间的相对位置变化关系，需要进一步说明的是，在具体实施过程中，相对位置变化关系包括靠近和远离；当移动障碍物与第一航线之间的相对位置关系为远离时，则判断移动障碍物与船舶不存在碰撞风险；当移动障碍物与第一航线之间的相对位置关系为靠近时，则

获取移动障碍物的预测轨迹段的末端点与第一航线之间的最短距离，并将最短距离标记为L_min，并将第一航线向与预测轨迹段的末端点最短距离的点标记为预警点；

获取移动轨迹路线段和预测轨迹段的长度，并分别将移动轨迹段和预测轨迹段的长度分别标记为l1和l2；

则获得移动障碍物到第一航线上的预测时长为YT1，其中YT1＝2T*L_min/(l1+l2)；

获取船舶行驶至预警点所需要的时长，记为t，t＝L/V；其中L为预警点到船舶所在位置的航程；

将所获得的预测时长YT1与t进行对比，则当|YT1-t|≤t0时，表示船舶与该移动障碍物之间的碰撞风险高，则生成第一预警信息，并将预警信息发送预警模块和监控中心，反之当|YT1-t|＞t0时，则表示船舶与该移动障碍物之间的碰撞风险低，则不生成第一预警信息。

对固定障碍物进行分析：

对固定障碍物的位置进行标记，并获取固定障碍物的障碍区域与第一航线是否存在交集，若存在交集，则生成第二预警信息，将所生成的第二预警信息发送至监控中心和预警中心，反之则不生成第二预警信息。

所述预警模块用于根据所接收到的预警信息对船舶进行避障预警，具体过程包括：

设置预警反馈时长，当预警模块接收到第一预警信息或第二预警信息时，监控中心在预警反馈时长内未对所接收到的第一预警信息或第二预警信息进行确认，则预警模块根据所接收到的第一预警信息和第二预警信息对船舶进行避障处理；

当接收到第一预警信息时，通过对船舶进行提速或降速；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，对船舶进行提速或降速的决定因素取决于当YT1＞t时，则船舶进行降速；当YT1≤t时，则船舶进行提速。

当接收到第二预警信息时，则以固定障碍物的障碍范围为基准，生成临时避障航线，通过临时避障航线将固定障碍物的障碍范围进行躲避；将与固定障碍物的障碍范围存在交集的航线段进行标记，并用生成的临时避障航线替换被标记的航线段，生成第二航线，船舶根据第二航线进行自动驾驶，并将第二航线发送至监控中心进行备案。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (1)

1.基于导航雷达的船舶避碰预警系统，包括监控中心，其特征在于，所述监控中心通信和/或电性连接有数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块以及预警模块；

所述数据采集模块用于船舶的航行数据；

所述数据处理模块用于对数据采集模块所获取到的船舶的航行数据进行处理，获取船舶到航线上任一点所需要的时长，并对通过雷达扫描技术识别雷达范围内的障碍物信息进行处理；

所述数据分析模块用于根据船舶的航行数据和所获得的障碍物信息，对船舶是否存在碰撞风险进行分析；

所述预警模块用于根据所接收到的预警信息对船舶进行避障预警；

所述数据采集模块获取船舶的航行数据的过程包括：

对船舶的出发地和目的地进行标记，并获取船舶从出发点到目的地之间的预设航线，实时获取船舶的行驶速度；

所述数据处理模块对数据采集模块所获取到的船舶的航行数据进行处理的过程包括：

对所生成的预设航线进行标记，并获得船舶的规格信息，根据所获得的船舶的规格信息生成航线宽度，根据所生成的航线宽度对预设航线进行调整，生成第一航线；

对船舶当前时刻的所在位置进行标记，并获取船舶在当前所在位置的行驶速度；

获取第一航线上任一点到船舶当前所在位置的航程，获取船舶从当前所在位置到第一航线上任一点的位置所需要的时长；

所述数据处理模块对所获得的障碍物信息的处理过程包括：

通过雷达技术扫描雷达范围内的雷达扫描信息；根据以船舶为中心的雷达扫描图，获得雷达扫描图中的障碍物，并对雷达扫描图中的障碍物及其坐标进行标记；障碍物包括固定障碍物和移动障碍物；

将固定障碍物的坐标在雷达扫描图内进行标记，并以固定障碍物为中心，形成半径为R障碍区域；

对移动障碍物在雷达扫描图中的坐标位置进行更新，并形成移动障碍物的移动轨迹路线；获取当前时刻移动障碍物的移动轨迹路线，并根据移动障碍物当前时刻的移动轨迹路线对移动障碍未来的移动轨迹进行预测，并生成预测轨迹路线；

对移动障碍未来的移动轨迹进行预测的过程包括：

设置预测周期T；获取历史时长T时间段内的移动轨迹路线段，并在该移动轨迹路线段内进行取样，获得取样点；

获得障碍物的所在位置的坐标；根据所获得的各个取样点的障碍物的所在位置的坐标，获得障碍物在预测周期T时间段内的移动趋势；

分别获得障碍物的x轴向偏转系数和y轴向偏转系数，进而获得预测点；将所生成的预测点的预测位置坐标分别进行标记，并将所标记的每个预测点的位置按照标号顺序依次进行连接，获得移动障碍物的预测轨迹段；

所述数据分析模块对船舶是否存在碰撞风险进行分析的过程包括：

对每个移动障碍物的预测轨迹段的末端点进行标记，根据所标记的预测轨迹段的末端点，获取移动障碍物的预测轨迹段的末端点与第一航线之间的最短距离，并将第一航线向与预测轨迹段的末端点最短距离的点标记为预警点；

根据移动轨迹路线段和预测轨迹段的长度获得移动障碍物到第一航线上的预测时长，将其与船舶行驶至预警点所需要的时长进行对比，根据对比结果判断船舶与移动障碍物之前的碰撞风险，存在碰撞风险则生成第一预警信息；

对固定障碍物的位置进行标记，并获取固定障碍物的障碍区域与第一航线是否存在交集，若存在交集，则生成第二预警信息；

所述预警模块对船舶进行避障预警的过程包括：

设置预警反馈时长，当预警模块接收到第一预警信息或第二预警信息时，监控中心在预警反馈时长内未对所接收到的第一预警信息或第二预警信息进行确认，则预警模块根据所接收到的第一预警信息和第二预警信息对船舶进行避障处理；

当接收到第一预警信息时，通过对船舶进行提速或降速；

当接收到第二预警信息时，则以固定障碍物的障碍范围为基准，生成临时避障航线，通过临时避障航线对固定障碍物的障碍范围进行躲避。