专利名称：船用智能避碰导航仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种船舶导航设备，特别是涉及一种船用智能避
碰导航仪(Vessel Intelligent Collision Avoidance Navigator, 简称VICAN)。
背景技术：
雷达用于船舶导航，至今已有六十多年历史，成为船舶避碰、定 位和导航的有力工具，其作用尤以船舶避碰为主。但是传统的船用导 航雷达显示器，只能显示目标船的瞬时位置，测出其距离和方位，而 不能直接显示目标船的航向和航速；另外，它也不能直接得到目标船 的最近会遇距离(CPA)和到达最近会遇距离的时间(TCPA)。而判断 目标船是否有碰撞危险以及确定本船所应采取的措施，又必须知道对 方的最近会遇距离、到达最近会遇距离的时间以及真实的动态。因此， 在利用雷达进行避碰时，要求驾驶员密切注视雷达荧光屏上的目标， 定时进行雷达标绘，通过作图计算，取得上述数据。人工标绘一个目 标的过程约需要4至7min,而且在标绘过程中，要求双方保持航向 航速不变，如有变化，须等双方航向航速稳定后重新开始标绘。这样， 往往由于人工标绘耽误了时间而丧失安全避让的时机，尤其在发生多 条船舶相遇且机动(改向或改速)频繁的紧迫局面时，人工标绘往往 是不可能进行的。
由于电子计算机技术的发展和推广使用，在六十年代末期开始出 现以电子计算才几为基础的自动雷达标绘仪(Autuomatic雷达 Plotting Aid,简称ARPA),在船用导航雷达技术发展上迈出了较大 的一步。这种自动雷达标绘仪能人工或自动捕捉目标，捕获(或称录 取)后自动跟踪目标，以矢量形式在显示器(PPI)屏幕上显示目标 船的航向和航速。另外，由操作者设定最近会遇距离和到达最近会遇 距离时间的允许界限(或称报警界限)，当计算机算出目标的最近会 遇距离和到达最近会遇距离时间小于所设定的允许界限时，会自动以 各种方式(视觉或音响)报警，提醒驾驶员采取避让措施，如有需要， 还可进行试操船(试改向及/或试改速)，以决定所需采取的避让措施。
但长期以来，船舶间避碰决策的制定主要依赖于航海驾驶人员的 一系列操作来完成的，即首先，驾驶人员通过正规、有效地了望， 及时发现目标船；然后，对当前航行条件及目标船的性质、会遇局面、
碰撞危险等进行分析、判断；最后，依据《国际海上避碰规则》及自
己的航海知识和航海经验，并综合当前的判断结果，经头脑进行推理， 作出相应的避让决策。在整个"发现——判断——避让"的避让决策 制定过程中，不仅要求航海驾驶人员要集中精力了望，作出正确的判 断，同时还要熟记^见则中的各项条款，并且对其有正确的理解和灵活
解或其他原因造成的失误，都将导致避碰决策的失败和碰撞事故的发 生。而且，在某些特殊条件下，人们能否迅速估计局面并采取正确的 行动，在很大程度上取决于人的个性和心理状态。如驾驶人员情绪紧
张，就会变得反应迟钝，造成操作上的失误；另外，过度疲劳也是造 成失误的一个原因。
自动雷达标绘仪(ARPA )可以帮助人们解决信息处理的部分问题， 但最终避碰决策的制定仍旧依赖于人，所以ARPA的使用并不能完全 替代自动避碰系统。即使在综合船桥系统(IBS)出现的今天，诸如 NAC0S这样的综合航行系统也只是在接近危险物或会遇来船时发出相 应的危险报警，而避碰决策的制定及避碰操船等均由驾驶员来完成。
如何在船舶避碰决策和操作上逐步减轻驾驶员的负担，进而从根 本上解决人为因素问题对船舶航行安全的困扰，是业者所追求的目 标。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种智能化程度高、可靠性高、功能 齐全的船用智能避碰导航仪(VICAN ),以替代传统的自动雷达标绘仪 (ARPA)及随后的IBS系统。
为实现上述目的和功能，本实用新型的技术解决方案是 本实用新型是一种船用智能避碰导航仪，它主要由主计算机、信 号采集和信号处理模块、VICAN控制台、终端设备组成；所述的信号 采集和信号处理模块、VICAN控制台、终端设备分别连接主计算机的 串行接口；所述的信号采集和信号处理模块由雷达、AIS设备、GPS 接收机、罗经、计程仪、测深仪组成，雷达数据输出接口与主计算机 串行接口连接，AIS设备数据输出接口与主计算机串行接口连接，GPS 接收机数据输出接口与主计算机串行接口连接，罗经数据输出接口与 主计算机串行接口连接，计程仪数据输出接口与主计算机串行接口连
接，测深仪数据输出接口与主计算机串行接口连接。
所述的终端设备包括图形显示器和音箱设备，主计算机输出接口 与图形显示器输入接口连接，主计算机输出接口与音箱设备输入接口 连接。
所述的VICAN控制台包括操纵杆或跟踪球、多个控制键、多个控 制钮，VICAN控制台数据1/0接口与主计算机串行接口连接。 所述的主计算机设有预留扩展接口 。 所述的主计算机是嵌入式计算机。
采用上述方案后，本实用新型VICAN是一种全新概念的船用导航 设备，它不同于将雷达、GPS、 ECDIS、 AIS、计程仪、测深仪、操舵 仪、车钟等船舶仪器设备组合在一起构成的IBS操控平台，而是一台 能够集成来自雷达、AIS、 GPS、计程仪和测深仪的动态信息与来自电 子海图的静态信息，具备避让水上或水下静态与动态目标的自动决策 功能以及动静态航行环境信息综合显示功能的船用导航设备。它综合 运用了决策支持技术、人工智能技术、模糊数学、数据库技术、多媒 体技术、信息融合技术以及传统雷达技术，在船舶接近危险物或会遇 来船时，通过声光、图形、符号等方式发出搁浅、触礁或碰撞危险报 警，并自动给出安全避让决策，辅助船舶驾驶员搡纵船舶，从而减轻 船舶驾驶员的负担，提高船舶航行安全。
图1是本实用新型的系统框图2是本实用新型的智能避碰模型的框图。
具体实施方式
如图l所示，本实用新型是一种船用智能避碰导航仪(VICAN), 它主要由主计算机l、信号采集和信号处理模块2、 VICAN控制台3、 终端设备4、预留扩展接口5组成。除了上述的硬件部分，本实用新 型还包括安装在主计算机1内的ECDIS、船舶智能避碰决策支持系统、 航行控制系统等软件。
所述的信号采集和信号处理模块2、 VICAN控制台3、终端设备4 分别连接主计算机1的串行接口 。
所述的信号采集和信号处理模块2由雷达21、 AIS设备22、 GPS 接收机23、罗经24、计程仪25、测深仪26组成。雷达21数据输出 接口通过动态物标信息融合模块221与主计算机1串行接口连接，AIS 设备22数据输出接口通过动态物标信息融合模块221与主计算机1 串行接口连接，GPS接收机23数据输出接口通过GPS信息采集模块 231与主计算机1串行接口连接，罗经24数据输出接口通过罗经信 息采集模块241与主计算机1串行接口连接，计程仪25数据输出接 口通过计程仪信息采集模块251与主计算机1串行接口连接，测深仪
26数据输出接口通过测深仪信息采集模块261与主计算机1串行接 口连接。
所述的终端设备4包括图形(图像)显示器41和音箱设备42， 主计算机l输出接口与图形(图像)显示器21输入接口连接，主计 算机1输出接口与音箱设备42输入接口连接。VICAN控制台3包括 操纵杆或跟踪球及其他控制键、钮，VICAN控制台3数据I/0接口与 主计算机1串行接口连接，它为VICAN提供了 一个较好人机交互媒介， 可以将操作者的各种操作信息送入主计算机1,也可以接受来自主计 算机1的各种报警信息及操船指令。同时，VICAN为今后产品升级和 开发船舶自动航行仪预留了系统扩展串行接口 5,从该接口可以读取 船舶避碰决策支持系统给出的避碰决策参数，送给自动操舵仪和车钟 仪等设备。
所述的主计算机l是嵌入式计算机，是VICAN的主处理单元，它 根据信号采集和信号处理模块2所输出的动态数据和ECDIS系统的静 态数据，调用船舶智能避碰决策支持系统和航行控制系统进行相关运 算，最终通过终端设备4以声光、图形、符号等方式发出搁浅、触礁 或碰撞危险报警，并自动给出安全的、合理的和科学的避让决策建议。 因此，VICAN是将船舶智能避碰决策支持系统与雷达、AIS、 GPS、计 程仪、测深仪等设备相结合，利用人工智能技术提升了传统ARPA的 智能特性，克服了传统ARPA试操船功能的局限性。
如图2所示，所述船舶智能避碰决策支持系统通过机器学习识别 和利用动静态物标的信息以及现有知识，在线获取新知识和新技能， 由计算机自动实现和完成船舶驾驶员在避碰活动中的环境分析、信息 融合、目标识别、局面判断、决策形成、及决策执行中的避碰效果检 验等认知过程，并因系统的智能学习能力和计算机强大的计算和信息 处理能力可获得更科学、更合理的避碰决策，从而实现超越驾驶员智 能的"拟人"智能避碰。船舶智能避碰决策支持系统的核心技术是智 能避碰模型，利用Visual 0++编制船舶智能避碰决策自动化程序实 现决策的自动生成与优化，具体采用正向推理控制策略、启发式搜索 方法，将构成智能避碰模型的机器学习模块、动态避碰知识模块、推 理机和决策分析评价体系有机的融为 一体，获得问题的求解。
所述航行控制系统包括航线设计模块、航路监视模块和航迹记录 模块，航线设计模块实现用光标直接在电子海图上绘制转向点，或通 过手工输入转向点的坐标来设计航线，可以由速度计算预计到达时 间，或由预计到达时间计算航行速度，可以计算任意两点的距离和方 位，标绘船位、航迹等；航路监视模块实现自动计算船舶当前状态与 计划航向或航线的偏离量，并调用自适应自动舵算法纠正偏离量；航 迹记录模块则实现以一定的时间间隔记录时间、本船位置、本船航向
和本船航速等数据，用于航行过程的回放、分析和打印等。
所述ECDIS为能读取IH0 S-57标准电子海图数据，以IH0 S-52 显示标准显示的电子海图显示与信息系统，它为VICAN提供了静态物 标的信息源，同时也为VICAN提供了一个综合信息显示的平台。
本实用新型的工作原理
所述的动态物标信息融合模块221通过模糊综合评判的算法将 雷达21视频回波信号与AIS设备22的物标动静态信息进行融合处 理，然后输入给主计算机l;罗经信息采集模块241采集本船航向数 据、计程仪信息采集模块251采集本船航速数据、测深仪信息采集模 块261采集本船龙骨下水深数据以及GPS信息采集模块2 31采集本船 船位数据输入给主计算机1;最后主计算机1根据上述提供的各种数 据，配合VICAN控制台3实现航行信息综合显示、自动雷达标绘(即 ARPA功能)以及航线设计、航迹监控、自动避船决策、自动避浅避 礁决策和航迹记录等智能化功能。
本实用新型的主要功能
1 )航行信息综合显示功能
所述VICAN以电子海图显示与信息系统(ECDIS)为基本显示平 台，综合对雷达、AIS、 GPS、罗经、计程仪和测深仪等设备输出信息 的处理，给出与本船航行有关的周围交通动态和海图环境信息，实现 雷达回波图像与电子海图叠加显示，并对雷达目标回波信息与AIS信 息进行融合与关联处理，实现两者的——对应。
2) 具备ARPA的功能
所述VICAN继承了传统ARPA的所有功能，满足IM0关于ARPA性 能标准的头见定(IM01995年11月23日通过的A. 823 (19)号决议)。所 述VICAN可以手动捕捉/自动跟踪30个以上的目标；有对警戒区设 置、解除等功能；有目标参数读取功能；可设置最小DCPA、 TCPA值， 系统自动进行危险判断和报警；有试操船功能等。
3) 智能化功能
所述VICAN可进行合理的航线设计、航迹监控、自动避船决策、 自动避浅避礁决策和航迹记录。在船舶航行过程中，可自动计算船舶 当前状态与计划航向或航线的偏离量，当偏离量超过设定值时自动给 出声光报警，提醒船舶驾驶员；当船舶会遇到动态目标船或静态碍航 物时，VICAN能够实时监测目标，自动进行目标分类和危险判断，自 动以声音、文字显示等方式给出合理、科学的船舶避碰决策建议，供 船舶驾驶员参考，以减轻驾驶员的负担，有利于安全航行。
权利要求1、一种船用智能避碰导航仪，它主要由主计算机、信号采集和信号处理模块、VICAN控制台、终端设备组成；所述的信号采集和信号处理模块、VICAN控制台、终端设备分别连接主计算机的串行接口；其特征在于所述的信号采集和信号处理模块由雷达、AIS设备、GPS接收机、罗经、计程仪、测深仪组成，雷达数据输出接口与主计算机串行接口连接，AIS设备数据输出接口与主计算机串行接口连接，GPS接收机数据输出接口与主计算机串行接口连接，罗经数据输出接口与主计算机串行接口连接，计程仪数据输出接口与主计算机串行接口连接，测深仪数据输出接口与主计算机串行接口连接。
2、根据权利要求1所述的船用智能避碰导航仪，其特征在于 所述的终端设备包括图形显示器和音箱设备，主计算机输出接口与图 形显示器输入接口连接，主计算机输出接口与音箱设备输入接口连 接。
3、 根据权利要求1所述的船用智能避碰导航仪，其特征在于 所述的VICAN控制台包括操纵杆或跟踪球、多个控制键、多个控制钮， VICAN控制台数据I/0接口与主计算机串行接口连接。
4、 根据权利要求1所述的船用智能避碰导航仪，其特征在于 所述的主计算机设有预留扩展接口 。
5、 根据权利要求1所述的船用智能避碰导航仪，其特征在于 所述的主计算机是嵌入式计算机。
专利摘要一种船用智能避碰导航仪(VICAN)，它包括主计算机、信号采集和信号处理模块、VICAN控制台、终端设备。所述的信号采集和信号处理模块由雷达、AIS设备、GPS接收机、罗经、计程仪、测深仪组成，所述的雷达、AIS设备、GPS接收机等数据输出接口与主计算机串行接口连接。由于本实用新型是可集成来自雷达、AIS、GPS、计程仪和测深仪的动态信息与来自电子海图的静态信息，具备避让水上或水下静态与动态目标的自动决策功能以及动静态航行环境信息综合显示功能的船用导航设备，在船舶接近危险物或会遇来船时，本实用新型可通过声光、图形、符号等方式发出报警信号，并自动给出安全避让决策，辅助船舶驾驶员操纵船舶，减轻船舶驾驶员的负担，提高船舶航行安全。
文档编号G01S13/93GK201063059SQ20072000731
公开日2008年5月21日 申请日期2007年6月8日 优先权日2007年6月8日
发明者李丽娜, 杨神化, 索永峰 申请人:集美大学