CN115544295B - 一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统，所述矢量化集成与融合可视化单元，采用GIS体系架构下的数据矢量化方法将船舶航行的多项参数信息以及海图信息进行矢量化集成，从而对航行信息进行矢量化集成；所述航行安全分析算法单元，接收矢量化集成与融合可视化单元传送的数据信息，对船舶的多项航行动态参数信息进行综合分析，对船舶的会遇危险性进行空间运算和分析，从而判断船舶是否会发生碰撞；所述航行物联操控单元，接收航行安全分析算法单元传送的分析结果，对航行状态和航行模式进行分析，根据不同的航行场景和水域对不同的航段设计出航行模式。该系统提高了船舶航行线路的实时性、准确性、安全性、高效性。

Description

一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统

技术领域

本发明属于智能航海技术领域，特别涉及一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统。

背景技术

电子海图，是利用计算机多媒体技术和海洋地理信息系统实时显示船舶航线或航道沿途自然环境及障碍物的图件，能够提供大量的重要航海信息，提高船舶航行的安全性。被认为是继雷达、ARPA之后在船舶导航方面又一项伟大的技术革命。现有的电子海图以计算机为平台，能够综合显示船位、航线设计，显示船速、航向等船舶参数航海有关的各种信息，起到助航作用。船舶只有在获取周围完整航行环境信息、航行目标信息和自身状态信息前提下，才能快速、准确的做出航行决策，保证船舶安全/自主的执行航行任务。然而面对目前高要求、高标准的智能航行发展技术需要，仅仅具备航线监视、航道信息显示、自动存储船舶轨迹、航行自动报警等功能是远远不够的。需要建立一种船载智能海图系统，实现在统一系统下完成从航行动静态信息的矢量化集成与融合可视化，到航行安全分析，再到航行物联操控的功能。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统，具体方案包括：

矢量化集成与融合可视化单元，采用GIS体系架构下的数据矢量化方法将船舶航行的多项动静态信息以及海图信息进行矢量化并集成，基于航行数据融合技术和可视技术将雷达、AIS、视频图像、周围海况与环境感知信息进行融合，从而对航行信息进行矢量化集成；

航行安全分析算法单元，接收矢量化集成与融合可视化单元传送的数据信息，对船舶的多项航行动静态信息进行综合分析，对船舶会遇危险性进行空间运算和分析，从而判断船舶是否会发生碰撞；

航行物联操控单元，接收所述航行安全分析算法单元传送的分析结果，对航行状态和航行模式进行判断决策，根据当前不同的航行场景、水域、航段设计最佳航行模式。

进一步的，所述矢量化集成与融合可视化单元对航行综合数据进行矢量化集成和融合，具体方式为：

将各类通航环境要素、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息、视觉图像信息和辅助管理信息分为不同的专题要素层，基于GIS体系架构将各图层矢量化形成信息平台所支持的数据文件，在信息平台中矢量化各类专题要素层，并将其转换成调用的区文件并输出；

创建海图与各类航行环境信息的配置文件；

基于数据矢量融合显示架构，完成海图以及各类航行信息的矢量数据发布服务；

实现海图的矢量化集成和融合显示。

进一步的，所述数据矢量融合显示架构包括数据层、服务层和船端显示层；

所述数据层内显示传统海图信息、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息和视觉图像信息；

所述服务层内设置有数据几何要素服务器和数据应用属性服务器；

所述船端显示层内进行航行数据符号标注、数据几何要素矢量显示、数据属性和配置文件读取从而实现智能海图矢量显示。

进一步的，所述航行安全分析算法单元包括偏航预测模块、求救协助模块和会遇危险分析模块，所述偏航预测模块将AIS中船舶定位信息和海图中界定的航道范围进行偏离计算，判断是否偏航，当船舶偏航时发出语言提示并生成报警信号；当经过航行安全分析发现处于紧迫且危险航行状态时所述求救协助模块自动发出求救信号请求船舶监管中心或周围船舶支援；所述会遇危险分析模块获取本船与他船位置坐标、方位、相对速度、舷角、DCPA/TCPA会遇信息，利用航行会遇安全分析算法及时获取船舶的航行安全状态，为船舶自动避障与船舶航行路线优化提供支持。

进一步的，所述航行物联操控单元包括航行信息查询模块和航行模式操控辅助模块，所述航行信息查询模块对船舶所在的经纬度、船舶的禁航区域、海域距离以及燃油消耗信息进行查询，所述航行模式操控辅助模块对海图进行禁航区设置、海域距离查询和燃油消耗查询以及航行模式的智能推荐，从而有利于船舶驾驶员的航行操控。

所述航行状态包括动力航行、风帆动力航行、低速航行、机动性受限航行、受吃水限制航行以及正常航行，所述航行模式包括机动驾驶模式、自动跟船模式、全速前进模式和辅助驾驶模式。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统，该系统采用船舶自主安全航行的智能海图利用GIS强大数据矢量化能力与的空间信息分析能力，不仅综合各类航行信息，并且考虑了船舶航行过程中的各种安全态势情况，对船舶航行过程中路径的安全进行检验，提高了船舶航行线路的实时性、准确性、安全性、高效性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明系统中数据矢量融合显示图示意图；

图3为本发明系统中船载智能海图运作过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统，通过硬件单元与软件模块的结合设计以及对历史航行状态信息的分析，最终达到在不同的航段上采用不同的航行状态，根据不同的航行场景/水域，采取不同的航行模式。同时配以辅助功能，帮助用户快捷高效的完成各种操作。具体包括矢量化集成与融合可视化单元1、航行安全分析算法单元2和航行物联操控单元3。所述矢量化集成与融合可视化单元1可主动提供精确、完整的航行信息服务，增强船舶全程航行能力。它在空间信息平台下，采用GIS体系架构下的数据矢量化技术，将航行的(经纬度信息、禁航区、锚地、水文要素、各种边界、助航标志)等传统海图信息进行矢量化集成，再结合航行数据融合与可视技术，综合雷达、AIS、视频图像、周围海况与环境等感知信息可以提高船舶对周围环境目标感知的精度，数据融合会对同一环境特征的不同不完整的信息描述进行综合，以形成相对完整、一致的感知描述，从而提高后期对航行过程的状态和安全识别判断能力；最终达到对航行信息的矢量化集成与对航行信息的矢量化集成数据的分层转换，形成一个统一的输出界面，并同步至船舶人员的手机终端。

所述航行安全分析算法单元2从会遇空间特征的综合考虑本船与来船的船舶的位置、舷角、方位、DCPA/TCPA船员反应时间及运动速度、周围环境数据等动态参数，综合分析各种参数，对船舶的碰撞危险性进行空间分析运算，根据运算结果判断船舶是否会发生碰撞。结合智能避碰等功能，提供更多航行安全保障，有效的防范各种航行险情。做到精准识别危险目标、识别潜在会遇空间范围、危险区域等，提高船舶海上风险应对能力以及船舶规划控制的稳定度。

所述航行物联操控单元3根据矢量化集成与融合可视化单元1的分析结果，通过硬件单元与软件模块的结合设计以及对历史航行状态信息的分析，最终达到在不同的航段上采用不同的航行状态，根据不同的航行场景/水域，采取不同的航行模式。同时配以辅助功能，帮助船舶驾驶员快捷高效的完成各种操作。

如图3所示，所述矢量化集成与融合可视化单元1对航行综合数据进行矢量化集成和融合时包括如下方式：

第一步：将各类通航环境要素、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息、视觉图像信息、辅助管理信息等空间信息分为不同的专题要素层，基于GIS体系架构将各图层矢量化形成通用信息平台所支持的数据模式，实现在空间信息平台中各类专题信息要素层的矢量化集成，并将其转换成通用数据模式且支持信息调用的图元文件；然后将所有文件以DXF格式输出，根据输出的信息获取图层内属性表的内容，最后在空间信息平台下完成整个矢量化集成与读取处理，对矢量图层进行分层显示并可以进行数据编辑、更新、处理与任意输出。

第二步：创建海图与各类航行环境信息的配置文件，利用GIS平台创建海图及航行环境信息的配置文件，形成一个.axl的文件。创建该类型文件可以明确哪些航行数据以及用何种方式可用于显示对应的数据。同时完成每一项数据层的图示表达、空间模式设定、语义表达、时空基准确定等。

第三步：发布海图以及各类航行信息矢量数据服务。在生成海图与各类航行环境信息的配置文件以后，通过GIS矢量服务的方式，创建矢量智能海图服务。同时，利用GISDesigner进行构建矢量数据服务，包括数据几何要素服务和数据应用属性服务。

第四步：基于数据矢量融合显示架构，实现智能海图矢量化显示与综合管理。首先基于设计的Viewer站点进行集成开发，并结合Web浏览器进行各类矢量要素的调用与传输，进而开发具备航行环境信息的分层管理与浏览功能，从而实现大范围内航行各类相关信息的有序集成、可视化展示，形成一个高集成度的数据矢量融合显示架构，达到各类航行信息的矢量化显示和综合高效管理的目的。

进一步的，如图2所示，所述数据矢量融合显示架构包括数据层、服务层和船端显示层，空间数据融合是指将同一航区不同来源的大量空间数据层进行重新组合获得的一体化专题数据图层，并保留或补充空间实体的分类分级、属性信息等。其中数据层内显示传统海图信息、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息和视觉图像信息等。所述服务层内设置有数据几何要素服务器和数据应用属性服务器，采用GIS体系架构将航行数据矢量融合成通用信息平台所支持的文件格式并存储，再将这些数据通过空间数据连接器提交给数据几何要素服务器进行处理；数据几何要素服务器将请求和相关信息提交给数据应用属性服务器，数据应用属性服务器进行数据矢量化具体处理，处理所得结果再按照数据编码顺序发给船端综合显示，其中所述船端显示层内进行航行数据符号标注、数据几何要素矢量显示、数据属性和配置文件读取从而实现智能海图矢量显示。

所述的求救协助模块，当经过航行安全分析发现处于紧迫且危险航行状态时，同时会自动发出求救信号请求船舶监管中心或周围船舶支援；

进一步的，所述航行安全分析算法单元2包括偏航预测模块、求救协助模块和会遇危险分析模块，所述偏航预测模块将AIS的经纬度信息和GIS划定的航道范围进行比较，判断是否偏航，当船舶偏航时发出语言提示并生成报警信号；当经过航行安全分析发现处于紧迫且危险航行状态时，所述求救协助模块发出求救信号请求船舶监管中心或周围船舶支援只要安装有本系统的手机都可以接收到信号，支持快速发送救援信息、一键拨打救助中心电话、可通知周边船舶协助等；所述会遇危险分析模块获取当前船舶自身位置以及附近其他船舶的相对位置，利用航行会遇安全分析算法进行船舶避障并规划出船舶航行路线，将危险情况提前告知驾驶者。另外该单元支持智能提醒，即当驾驶员疲惫时，难以保持警戒的情况下，结合避碰功能，导航全程语音提醒，增加安全保障。

进一步的，所述航行物联操控单元3包括航行信息查询模块、航行模式操控辅助模块，所述航行模式操控辅助模块支持海图缩放、拖动功能、经纬度查询、比例尺查询、禁航区设置、海域距离查询和燃油消耗查询功能。所述航行信息查询模块对船舶所在的经纬度、船舶的禁航区域、海域距离以及燃油消耗信息进行查询。

进一步的，所述航行状态包括动力航行、风帆动力航行、低速航行、机动性受限航行、受吃水限制航行以及正常航行，所述航行模式包括机动驾驶模式、自动跟船模式、全速前进模式和辅助驾驶模式。

如图3所示该系统整体运行流程图。基于电子海图，叠加各类航行动静态信息，完成矢量数据融合，判断是否有数据更新，如无更新，则进入智能海图显示界面。根据用户需求叠加各类信息和算法进行航行辅助。因为神经网络可以对航行决策过程中所有不确定参数进行学习和记忆，神经网络经过样本训练后的会形成经验知识，此系统中会以联想记忆的方式使用这些经验做出航行物联决策方案，选择不同的航行模式等，从而帮助用户更安全更智能的航行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种支持船舶安全/自主航行的船载智能海图系统，其特征在于包括：

矢量化集成与融合可视化单元，采用GIS体系架构下的数据矢量化方法将船舶航行的多项动静态信息以及海图信息进行矢量化并集成，基于航行数据融合技术和可视技术将雷达、AIS、视频图像、周围海况与环境感知信息进行融合，从而对航行信息进行矢量化集成；

航行安全分析算法单元，接收矢量化集成与融合可视化单元传送的数据信息，对船舶的多项航行动静态信息进行综合分析，对船舶会遇危险性进行空间运算和分析，从而判断船舶是否会发生碰撞；

航行物联操控单元，接收所述航行安全分析算法单元传送的分析结果，对航行状态和航行模式进行判断决策，根据当前不同的航行场景、水域、航段设计最佳航行模式；

所述航行状态包括动力航行、风帆动力航行、低速航行、机动性受限航行、受吃水限制航行以及正常航行，所述航行模式包括机动驾驶模式、自动跟船模式、全速前进模式和辅助驾驶模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述矢量化集成与融合可视化单元对航行综合数据进行矢量化集成和融合，具体方式为：

将各类通航环境要素、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息、视觉图像信息和辅助管理信息分为不同的专题要素层，基于GIS体系架构将各图层矢量化形成信息平台所支持的数据文件，在信息平台中矢量化各类专题要素层，并将其转换成调用的区文件并输出；

创建海图与各类航行环境信息的配置文件；

基于数据矢量融合显示架构，完成海图以及各类航行信息的矢量数据发布服务；

实现海图的矢量化集成和融合显示。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述数据矢量融合显示架构包括数据层、服务层和船端显示层；

所述数据层内显示传统海图信息、船载雷达信息、船舶动态信息、气象水文信息、激光雷达信息和视觉图像信息；

所述服务层内设置有数据几何要素服务器和数据应用属性服务器；

所述船端显示层内进行航行数据符号标注、数据几何要素矢量显示、数据属性和配置文件读取从而实现智能海图矢量显示。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述航行安全分析算法单元包括偏航预测模块、求救协助模块和会遇危险分析模块，所述偏航预测模块将AIS中船舶定位信息和海图中界定的航道范围进行偏离计算，判断是否偏航，当船舶偏航时发出语言提示并生成报警信号；当经过航行安全分析发现处于紧迫且危险航行状态时所述求救协助模块自动发出求救信号请求船舶监管中心或周围船舶支援；所述会遇危险分析模块获取本船与他船位置坐标、方位、相对速度、舷角、DCPA/TCPA会遇信息，利用航行会遇安全分析算法及时获取船舶的航行安全状态，为船舶自动避障与船舶航行路线优化提供支持。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述航行物联操控单元包括航行信息查询模块和航行模式操控辅助模块，所述航行信息查询模块对船舶所在的经纬度、船舶的禁航区域、海域距离以及燃油消耗信息进行查询，所述航行模式操控辅助模块对海图进行禁航区设置、海域距离查询和燃油消耗查询以及航行模式的智能推荐。