船舶智能航控系统及其运行控制方法

1.本发明涉及船舶通信与控制技术领域，具体涉及一种船舶智能航控系统及其运行控制方法。


背景技术：

2.随着航海技术的快速发展，智能船舶融合了现代信息技术和人工智能等新技术，具有安全可靠、节能环保、经济高效等显著特点，是未来船舶发展的重点方向。智能船舶与传统船舶相比，其智能性主要体现在基于自主情景感知、风险识别及智能决策的智能航行功能，要实现智能航行离不开岸基的支持，更需要船岸协同作保障。因此，智能航行的关键在于船岸信息交互和协同控制，而高效、可靠、稳定的船岸智能通信是基础。
3.现阶段船舶通信主要聚焦在保障船舶安全航行的遇险通信以及部分商业运营业务传输。现有的卫星通信和地面通信设备，各具特色，如传输速率高、覆盖范围广等。然而，各通信系统独立运行，需人工根据需要进行链路切换，这种通信模式无法满足船舶根据不同的航区自动配备相应通信设备的需求，已成为限制船岸智能通信的瓶颈问题。
4.在船舶向智能化发展过程中，船岸需要传输越来越多的数据，数据类型与传统业务相比更加复杂，各类数据对通信链路的要求不尽相同，因此，传统船舶通信技术无法满足船舶智能航行船岸通信的需求。目前，在这一领域的主要研究趋势是将多种通信设备统一管理，根据船舶位置及信号强度对链路进行分配，以实现通信不间断和降低通信费的目的。专利“一种面向船舶智能航行的多通信网络智能组网方法”(cn202010463594.5)通过对信息需求进行等级划分，按照控制、决策、感知、动态四个等级进行分级管理，采用优先级、最大可接受传输延时、报文大小、是否需要确认四个参数量化通信任务，将通信链路随通信需求调整，但该方法未考虑不同类型信息对通信性能指标的依赖度各不相同，易造成通信资源浪费。
5.船舶在海上航行时，由于风、浪、流以及船体本身的影响，船舶不可避免地会偏离计划航线，需要驾驶人员对船舶位置及航向不断调整，使船舶尽可能地在计划航线上航行，当航迹上存在障碍物时，需要船舶进行避障路径规划，保障船舶航行安全。为了使驾驶人员避免繁复劳动，使用航迹控制系统，实现船舶航迹的自动、精确控制、自主避障。航迹控制主要包括航迹偏差控制和转向控制，传统的pid舵和自适应舵的设计仅仅基于对航向的跟踪和保持控制，无法实现航迹控制功能。专利“一种智能船舶航向航速综合控制的方法”(zl202010322872.5)通过采集船舶外部航行数据和船舶内部数据，根据岸基指令以及数据分析结果是否满足航行条件，并结合船舶运动学模型、模糊pid来控制船舶航向和航速，该方法未考虑船舶航行偏差大小对航向、航速调整响应时间、精确度和稳定性的影响；专利“一种无人船自动航迹规划方法”(zl202010376077.4)根据会船船舶的距离、航向等信息，建立碰撞危险度判断模型，通过混合整数线性规划器获得船舶无人船的期望航向和期望航速，避免会船碰撞，但该方法计算模型复杂，且未考虑航迹中固定障碍物(如礁石) 在不同海况下尺寸变化对船舶航行路径规划造成的影响。
6.此外，在船岸信息交互方面存在岸端获取信息方式单一、获取信息种类少，以及船岸信息收发迟滞、冗余信息量大等问题。岸端获取船舶信息的手段主要通过船舶上的通信设备，将采集的信息回传至岸端，若船舶发生故障或未安装通信设备，岸端无法有效获取航道内所有船舶信息，导致岸端平台监管控制船舶困难；当船舶远海航行时，由于通信链路的带宽资源有限，需设定时间进行船岸信息收发，若突发危险状况，无法及时调整船岸信息的收发频率和同步性，使岸端发出的消息无法被及时接收，易造成严重损失。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种信息传送稳定可靠的船舶智能航控系统。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶智能航控系统，包括包括船端系统、通信链路、岸端系统和智能监控装置，船端系统和岸端系统通过通信链路无线连接进行数据收发共享，为实现船舶智能航行、能耗管理、故障诊断、远程控制功能提供基础数据和决策支持；
9.其特征在于：所述通信链路包括布置在船端系统的船端通信终端和布置在岸端系统的岸端通信终端，船端系统和船端通信终端之间以及岸端系统和岸端通信终端之间均设有通信链路切换装置，通信链路切换装置用于评估通信链路质量并可采用手动或自动模式将通信链路切换至最佳通信链路；
10.通信链路切换装置包括主控模块、数据处理模块、通信接口、监测模块、切换模块和通信终端接口；主控模块通过通信接口与船端系统或岸端系统连接，实现通信链路切换装置与船端系统或岸端系统的数据收发；通信终端接口与船端或岸端通信终端连接，实现通信链路切换装置与船端通信终端或岸端通信终端的数据收发；多个通信终端接口向外分别与多个通信终端连接、向内与数据处理模块连接形成多个通信链路；
11.数据处理模块将从通信终端接口接收到的数据处理后发送至主控模块，或者将从主控模块接收的数据处理后通过通信终端接口发送至通信终端；通信接口和通信终端接口为标准接口，包括以太网、标准串口、usb；
12.通信终端接口与数据处理模块连接线上设有监测模块和链路切换开关，监测模块监测计算各个通信链路信息和状态并将链路信息发送给切换模块，通信链路信息包括通信链路延时、丢包率、信噪比、能耗、费用参数；链路切换开关受切换模块控制，切换模块可通过链路切换开关从硬件上实现通信链路打开或关闭，也可通过控制程序从软件上选择接收不同链路的信息实现通信链路的切换；
13.船舶智能航控系统运行时，岸端系统通过智能监控装置采集航行基础信息后，采用数据收发自适应调整方法将数据规范简化并确定信息类型，岸端系统通过通讯接口将规范简化后的数据及数据类型发送至通信链路切换装置；通信链路切换装置采用多链路通信方法，实时监测各个通信链路通信质量，并根据待发送的数据信息类型，评估各通信链路综合质量，自动模式下使用综合质量最佳的通信链路作为数据收发链路，手动模式下，采用用户选择的通信链路作为数据收发链路；确定通信链路后，通信链路切换装置采用相应的通信终端将数据发送至船端系统，船端系统基于接收的航行基础信息数据进行航迹自动控制、避障路径规划。
14.作为一种优选的方案，所述船端系统和岸端系统都包括控制器、数据采集处理模块、数据存储器、通信接口和显示终端；数据存储器包括本地存储器和云端存储器；船端通信终端和岸端通信终端都为标准通信终端，包括无线电台、北斗、4g/5g、gps；
15.船端系统和岸端系统收发共享的数据包括岸端系统数据和船端系统数据；岸端系统数据为航行基础信息，包括航行水域类型、水文气象、地形、交通条件、交通管理、港口码头和障碍物信息；船端数据为船舶航行状态信息，包括船舶航向角、航速信息、位置信息、机舱信息。
16.作为一种优选的方案，所述的智能监控装置包括控制模块，控制模块通过标准通信接口与ais模块、rfid模块、监控模块、广播模块、gps模块、wifi模块和通信天线连接，控制模块通过标准接口与岸端系统连接以实现数据传输；
17.ais模块和rfid模块用于识别经过船舶的船舶信息；监控模块用于获取船舶航行图像、视频数据，直接传输至岸端系统，岸端系统通过图像分析用于判断船舶是否超载、船员是否穿戴救生衣、船舶是否丢弃垃圾，并抓拍船舶不安全或违法行为；广播模块用于即时播放指令、提示信息；gps模块用于当前智能监控装置自定位；wifi模块和通信天线可与船舶上无线设备实现无线通信；智能监控装置通过监控模块实时获取航道拥堵信息、航道障碍物信息。
18.作为一种优选的方案，所述的数据收发采用自适应调整方法包括依次实施的规范报文发送数据格式、岸端系统获取船舶航行基础信息及船舶信息、岸端系统计算船舶航行基础信息对船舶航行状态的影响权重、船端与岸端信息定时收发自激励、岸端系统简化数据信息并发送；
19.规范报文发送数据格式具体内容为：规范报文内容与各内容排列顺序，报文发送内容为接收时间与频率、交通条件、水文气象、交通管理、障碍物信息与附加信息；其中水文气象包含风速、降雨量、能见度、海浪信息；附加信息包括包含时间戳、通信链路编号信息；
20.岸端系统简化数据信息具体内容为：t次要发数据内容与t-1次已发数据内容依次对比，若接收时间与频次发生变化，则修改，否则以字母a代替；若交通条件发生变化，则修改，否则以字母b代替；对水文气象内的各个内容对比分析，若差值在设定值之内，则以字母c 代替，否则修改；若交通管理内容发生变化，则修改，否则以字母d代替；若障碍物信息发生变化，则修改，否则以字母e代替。
21.作为一种优选的方案，所述的岸端系统计算船舶航行基础信息对船舶航行状态的影响权重具体包括以下步骤：
22.步骤1：岸端系统获取船舶航行基础信息和船舶信息，以及确定出海船舶数量w；
23.步骤2：岸端系统计算各船舶航行基础信息对船舶航行状态的影响度值aw1、aw2、aw3、 aw4；且aw1+aw2+aw3+aw4＝1；
24.步骤3：岸端系统根据各具体船舶航行基础信息内容确定各基础信息对各船舶航行的影响权重，具体如下：
25.根据设定的交通状态对船舶航行的影响权重，记交通条件对w艘船舶航行影响权重 n＝[n1，n2，
…
，nw-1，nw]；
[0026]
记水文气象对w艘船舶航行影响权重m＝[m1，m2，
…
，mw-1，mw]，其中，值mw 的计算
方法如下：
[0027]
其中，s为水文气象内容中所包含信息种类数量；
[0028]ms-ks
为设定的各具体水文气象对船舶航行影响权重值；
[0029]
ks为各具体水文气象等级划分的数量；
[0030]
根据设定的交通管理对船舶航行的影响权重，记交通管理对w艘船舶航行影响权重q＝[q1，q2，
…
，qw-1，qw]；
[0031]
根据设定的障碍物信对船舶航行的影响权重，记障碍物信息对w艘船舶航行影响权重 h＝[h1，h2，
…
，hw-1，hw]。
[0032]
作为一种优选的方案，所述的船端与岸端信息定时收发自激励具体包括以下步骤：
[0033]
步骤1：岸端系统计算向各船端接收端所发送数据的重要度f：
[0034]
f＝[f1，f2，
…
，fw-1，fw]
[0035]
其中，fw＝a
w1
*nw+a
w2
*mw+a
w3
*qw+a
w4
*hw；
[0036]
步骤2：在原有设定的重要度与船端接收端开放时间、时间间隔及简化信号的对应关系的基础上，岸端系统依据向各船端接收端所发送数据的重要度生成时间与频次的简化信号组x：x＝[x1，x2，
…
，xw-1，xw]
[0037]
其中，x1，x2，
…
，xw-1，xw为w条船舶重要度的对应代号，通过查重要度和船端接收端开放时间与频次对应表获得；
[0038]
取数据中各航行基础信息权重的最大值即 max{a
w1
*nw，a
w2
*mw，a
w3
*qw，a
w4
*hw}对应的数据类型为主影响数据类型。
[0039]
作为一种优选的方案，所述多链路通信方法包括以下步骤：
[0040]
步骤1：通信链路初始化
[0041]
通过初始通信链路与岸端系统建立通信链接，并通过该通信链路收发数据；
[0042]
步骤2：运行模式切换
[0043]
初始状态下，链路切换模式为手动切换，即操作员根据通信链路质量，手动切换链路通断；当操作员选择链路切换模式为自动时，系统根据通信链路质量，自动切换通信链路通断；自动切换模式下，当船端系统或岸端系统检测到紧急状况需要操作员手动切换链路时，则会提示操作员切换通信链路；
[0044]
各通信终端的接收端默认处于打开状态，用户通过通信链路切换装置，将船端系统或岸端系统中某一个设置为主设备，另外一个为从设备，以主设备选择的链路为准，主设备选择最佳通信链路后，在传输的数据中加入链路编号信息，从设备接收到该信息后，自动切换至对应的通信链路，并持续以该链路与主设备进行通信，直至收到包含不同通信链路编号信息的数据；
[0045]
步骤3：通信链路性能监测
[0046]
监测模块监测各个通信链路的链路性能，性能参数包括通信链路延时a、丢包率b、信噪比c、能耗d、费用e，并将链路性能参数信息发送到切换模块和主控模块；各性能参数设定评判区间范围，例如延时评判区间为[2～10]，单位为s，区间值可更改，测得的链路延时值在此评判区间内按比例做归一化处理得到该通信链路延时性能参数指标a，此时a 取值
范围为[0，1]；将其余性能参数按设定的评判区间做归一化处理后，得到通信链路i的性能参数表示为
[0047][0048]
其中，a～e∈[0，1]，i＝1，2，
…
，k；k为通信链路数量；
[0049]
a＝1表示通信链路延时最低，a＝0表示通信链路延时最高；
[0050]
b＝1表示通信链路丢包率最低，a＝0表示通信链路丢包率最高；
[0051]
c＝1表示通信链路信噪比最低，a＝0表示通信链路信噪比最高；
[0052]
d＝1表示通信链路能耗最低，a＝0表示通信链路能耗最高；
[0053]
e＝1表示通信链路费用最低，e＝0表示通信链路费用最高；
[0054]
同时，通信链路切换装置显示单一性能参数最高的通信链路信息，为步骤2中紧急状况下，操作员手动切换通信链路提供依据；
[0055]
步骤4：通信数据分类评级
[0056]
通信链路切换装置接收到船端或岸端系统的数据后，判断数据中是否含有链路编号信息，若含有链路编号信息，则执行步骤6以根据链路编号信息切换至对应的链路；
[0057]
若不包含链路编号信息，则根据待发送的数据类型进行分类评级，待发送数据类型包括交通条件、水文气象、交通管理、障碍物信息，判断各类数据对通信链路的某一个或多个性能参数的依赖度，设定依赖度等级；确定主影响类别数据对通信链路性能的依赖度，并表示为：kj＝[p
a p
b p
c p
d pe]；
[0058]
其中，j为船端通信传输的主影响类别数据对应的类型编号；pa为数据对通信链路延时的设定的依赖度值，pb为数据对通信链路丢包率的设定的依赖度值，pc为数据对通信链路信噪比的设定的依赖度值，pd为数据对通信链路能耗的设定的依赖度值；pe为数据对费用的设定的依赖度值；且pa+pb+pc+pd+pe＝1；
[0059]
步骤5：通信链路质量评估
[0060]
切换模块根据各个链路的性能参数和当前主影响数据类型对通信链路性能的依赖度，综合评估k个链路质量pi，pi＝ii×
kj(i＝1、2、3、
…
、k)；
[0061]
从所有计算结果中取最大值，即pn，表示第n个链路为当前数据发送的最佳通信链路；
[0062]
pn＝max(p1,p2,...,pk)
[0063]
步骤6：通信链路切换
[0064]
等待当前数据发送完成后，通过切换模块控制各个链路的通断，接通步骤4中链路编号信息对应的链路，或接通步骤5中综合质量最佳的通信链路n，并使用该通信链路将待发送数据发出。
[0065]
本系统的有益效果是：
[0066]
通过船端系统、通信链路、岸端系统和智能监控装置构建的船舶智能航控系统，船端配有北斗终端、gps终端、无线电台、公网(4g/5g)终端等通信终端，形成多个通信链路，并
以通信质量作为选择链路的依据，不仅保证恶劣环境下的通信可靠性和稳定性，而且也实现了通讯网络和船岸信息一体化；
[0067]
船端系统和船端通信终端之间以及岸端系统和岸端通信终端之间均设有通信链路切换装置，有效提高了通信质量；通信链路切换装置包括主控模块、数据处理模块、通信接口、监测模块、切换模块和通信终端接口，这种模块化设计方法和模块化结构，有利于船载设备一体化开发，降低开发成本，提高通信效率和质量。
[0068]
采用链路通信质量检测和评估方法，检测通信链路延时、丢包率、信噪比、信号电平、能耗等参数，并对其加权综合评估，并按照链路质量优先级排序，作为通信链路选择的依据，优先选用通信质量高的链路进行通信，保障数据传输的准确性和可靠性；
[0069]
由于通信链路质量评估标准考虑不同信息类型对通信链路性能指标的依赖度各不相同，通过设定不同类型信号对不同指标的依赖度，综合评估通信链路质量，可避免通信资源浪费，节省通信成本；
[0070]
设置手动和自动两种通信链路运行模式，通过链路切换开关进行手动和自动通信链路切换；手动模式下，是通过链路质量的单一指标高低作为链路选择的依据，如链路延时或丢包率的高低等，自动模式下，是通过链路质量的综合指标高低作为链路选择的依据，当船舶在恶劣环境下航行时，采用手动模式选择通信链路，有利于提高数据通信质量，避免数据丢失，规避航行安全风险；
[0071]
针对船舶航行信息量大，存在信息冗余，采用信息收发自适应调整方法，通过对信息重要程度评判及简化处理，以及船端与岸端定时自激励收发信息，减少信息冗余，降低接收终端的能耗，提高数据处理速度、数据质量以及系统实时性；
[0072]
在航道两岸或近海区域设置智能监控装置，有效增强岸端系统获取船舶航行信息的能力，扩展船舶航行参数、航道信息的获取渠道，有利于岸端系统对船舶进行监管控制，同时岸端系统可由智能监控装置获取更丰富的船舶航行基础信息(水文、气象、障碍物、航道管理信息等)，为船舶智能航行提供航行条件参数，并作为控制船舶航行的依据。
[0073]
本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种上述船舶智能航控系统的包括船舶航迹自动控制操作的运行控制方法。
[0074]
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于上述任意一项所述的船舶智能航控系统的船舶航迹自动控制方法，包括船舶航迹自动控制操作，其内容为：船端系统采集船舶的航行信息，包括位置、航向角、航速，同时船端系统接收岸端系统提供的航行基础信息，结合规划的航行路径，计算船舶瞬时航向角，根据瞬时航向角控制船舶舵角；在计划航线两侧偏移指定er宽度形成的带状区域称为航迹允许偏差带；如果船舶航行在偏差带内，判定为船舶的实际航行精度已满足了计划航行精度的要求；一旦发现船舶越出偏差带，便发出偏航报警并启动航迹自动控制系统来控制船舶返回计划航线；
[0075]
航迹自动控制系统控制船舶返回计划航线的具体步骤如下；
[0076]
步骤1、采集船舶航行信息
[0077]
数据采集模块周期性采集船舶航行数据，第j次采集的航向角ψ
ξj
，航速vj，，j∈(1,2,3...)，并根据计划航线和采集船舶位置信息，计算得到当前船舶位置与计划航线的航迹偏差ηj；
[0078]
其中，ηj的正负定义为，沿航线前进方向，船在航线左侧则ηj》0，船在航线右侧则ηj《0，ηj单位为km；
[0079]
数据采集模块通过通信链路获取岸端系统数据，采用多链路通信方法，实现最佳通信链路自动切换，进行通信传输数据，获取的信息用于船舶航行过程中自主避障路径规划；
[0080]
步骤2、计算船舶瞬时航向角ψr[0081]
当船舶航行偏离设定航线时，航迹自动控制系统根据航迹偏差ηj与允许偏差er大小，计算瞬时航向角ψr与船舶当前航向角ψ
ξj
的映射关系，其关系可表示为
[0082]
ψr＝ψ
ξj
+δθ
[0083]
其中，δθ为航向修正角，采用多模态算法确定；
[0084]
步骤3、控制船舶航向角
[0085]
根据计算得到的瞬时航向角ψr来控制舵机的舵角ψd，根据岸端系统3发送的航行基础信息，建立计算模型通过软件计算分析，得出当前航行条件下，使船舶航向角为ψr时，所需的舵机舵角为ψd，即为目标舵角。
[0086]
作为一种优选的方案，所述航向修正角的多模态算法的具体计算过程如下：
[0087]
①
当|ηj|》er时
[0088]
当航迹偏差超出限定值时，即|ηj|》er，则认为船舶越出偏差带，系统发出偏航报警，修正角δθ取最大值：
[0089]
δθ＝sin(ηj)δθ
max
[0090]
其中，δθ
max
取15～20
°
范围内的某数值；
[0091]
②
当时
[0092]
让船舶从现有的航迹偏差ηj以指数递减的方式快速返回设定航线
[0093][0094]
其中，k为一个比例系数，可在er处按δθ具有连续性的条件选取，即当航迹偏差ηj＝er 时，
[0095][0096]
则当时，航向修正角δθ＝arcsin(kηj/vj)；
[0097]
③
当时
[0098]
由于偏差较小，可采用pi比例积分控制方式计算航向修正角δθ，
[0099][0100]
其中，k
p
、ki为控制参数，根据调试确定；当时，ki＝0，即不启用积分项，当时，启用积分项，并限定积分修正角不大于3
°
，以避免积分饱和的影
响。
[0101]
本方法的有益效果是：
[0102]
船舶航迹自动控制方法中，基于平台传送的准确数据，采用多模态算法确定船舶航向修正角，根据航迹偏差值的大小，分段计算航向修正角，从而提高了航迹控制精度、稳定性和可靠性。
[0103]
本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种上述船舶智能航控系统包括航行避障路径规划操作的运行控制方法。
[0104]
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种上述任意一项所述的船舶智能航控系统的运行控制方法，包括航行避障路径规划操作，其具体包括以下步骤：
[0105]
步骤1、获取作业区域信息
[0106]
岸端系统3获取作业区域信息，包括目标点位置坐标、作业区域固定障碍物信息、海况信息等；
[0107]
步骤2、作业区域移动障碍物检测
[0108]
航行过程中，岸端系统可通过卫星遥感检测并跟踪移动障碍物，实时预测移动障碍物移动趋势，并将移动障碍物形状、尺寸和坐标信息实时发送至船端系统；
[0109]
步骤3、建立作业区域栅格地图
[0110]
根据船舶起始点位置s和所有目标点位置，对船舶作业区域建立栅格地图，栅格地图的范围覆盖起始点和目标点，若是在起始点和目标点附近有不可航行区域，则可再扩大栅格地图的大小；
[0111]
步骤4、标注栅格地图中不可航行区
[0112]
在栅格地图中，不可航行区域包括礁石、禁航区、移动障碍物，岸端系统检测礁石、禁航区、移动障碍物的坐标、尺寸信息，然后将障碍物覆盖区域进行二次膨胀化，具体步骤如下：
[0113]
4.1、首先将障碍物形状规则化，即使用外接圆、外接椭圆或外接矩形来表示障碍物外形；
[0114]
4.2、根据用户设置的安全距离r’，将规则化的不可航行区扩大，向外偏移距离r’；
[0115]
在栅格地图中，将不可航行区覆盖的网格标注为1，可航行区域标注为0，实现栅格地图中的不可航行区标注；其中，不可航行区域覆盖的网格面积占该网格面积超过设定百分比值，即认为该网格被全覆盖，此网格区域为不可航行区域；
[0116]
步骤5、船舶航行避障路径规划
[0117]
在带有障碍物标记的栅格地图基础上，规划船舶避障航行路径，若船舶位置与目标点连线航迹上有固定障碍物，以不可航行区域周边的可航行区域的网格中点或角点作为航行节点，可在船舶与目标位置连线两侧分别得到一条安全航行路径，取其中行程短的航行路径作为船舶航迹；
[0118]
若船舶位置与目标点连线航迹上有移动障碍物，在船舶与移动障碍物间距离达到设定值后，重新规划其航迹，以移动障碍物移动轨迹后方一侧作为新路径航行方向，以移动障碍物周边可航行区域的网格中点或角点作为航行节点，得到一条安全航行路径，作为新的船舶航迹。
[0119]
作为一种优选的方案，所述步骤4.2中，所述栅格地图采用矩形网格构建，所述采
用矩形网格构建的栅格地图，其网格的尺寸设置为船身长度2～15倍的任意数。
[0120]
作为一种优选的方案，所述步骤4.2中，所述安全距离r’取船身长度的2～5倍中任意数；所述步骤4.2中，在栅格地图中，不可航行区域覆盖的网格面积占该网格面积超过10％，即认为该网格被全覆盖，此网格区域为不可航行区域。
[0121]
作为一种优选的方案，所述步骤5中，若船舶位置与目标点连线航迹上有移动障碍物，在船舶与移动障碍物间距离达到船身长度的10～20倍的区间内，重新规划其航迹，以移动障碍物移动轨迹后方一侧作为新路径航行方向，以移动障碍物周边可航行区域的网格中点或角点作为航行节点，得到1条安全航行路径，作为新的船舶航迹。
[0122]
本方法的有益效果是：
[0123]
船舶避障路径规划方法中，基于平台传送的准确数据，实时监测获取障碍物形状位置信息，采用二次膨胀化法获取船舶不可航行区域，可保证避障航迹规划准确，避免船舶航行事故，提高船舶航行安全性。
附图说明：
[0124]
图1为本发明船舶智能航控系统示意图；
[0125]
图2为本发明船舶智能航控系统结构示意图；
[0126]
图3为本发明智能监控装置组成图；
[0127]
图4为本发明多链路通信控制方法流程图；
[0128]
图5为本发明信息收发自适应调整方法流程图；
[0129]
图6为本发明数据格式示意图；
[0130]
图7为本发明船舶航迹自动控制系统示意图；
[0131]
图8为本发明船舶避障路径规划示意图；
[0132]
图9为本发明障碍物规则化示意图。
[0133]
图中：1-船端系统；2-通信链路；20-通信链路切换装置；21-船端通信终端；22-岸端通信终端；23-卫星地面站；24-公网基站；3-岸端系统；4-智能监控装置。
具体实施方式：
[0134]
下面结合附图，对本发明做进一步的描述：
[0135]
本发明公开了一种船舶智能航控系统，如图1和图2所示，包括船端系统1、通信链路 2、岸端系统3和智能监控装置4，船端系统1和岸端系统3通过通信链路2无线连接进行数据收发共享，为实现船舶智能航行、能耗管理、故障诊断、远程控制功能提供基础数据和决策支持；船端系统1和岸端系统3包括控制器、数据采集处理模块、数据存储器、通信接口和显示终端；数据存储器包括本地存储器和云端存储器；船端通信终端21和岸端通信终端22为标准通信终端，包括无线电台、北斗、4g/5g、gps；船端系统1和岸端系统3 收发共享的数据包括岸端系统数据和船端系统数据；岸端系统数据为航行基础信息，包括航行水域类型、水文气象、地形、交通条件、交通管理、港口码头和障碍物信息；船端数据为船舶航行状态信息，包括船舶航向角、航速信息、位置信息、机舱信息；
[0136]
通信链路2包括布置在船端系统1的船端通信终端21和布置在岸端系统3的岸端通信终端22，船端系统1和船端通信终端21之间以及岸端系统3和岸端通信终端22之间均设有
通信链路切换装置20，通信链路切换装置20用于评估通信链路质量并可采用手动或自动模式将通信链路切换至最佳通信链路；
[0137]
如图2所示，通信链路切换装置20包括主控模块、数据处理模块、通信接口、监测模块、切换模块和通信终端接口；主控模块通过通信接口与船端系统1或岸端系统3连接，实现通信链路切换装置20与船端系统1或岸端系统3的数据收发；通信终端接口与船端或岸端通信终端连接，实现通信链路切换装置20与船端通信终端21或岸端通信终端22的数据收发；多个通信终端接口向外分别与多个通信终端连接，向内与数据处理模块连接，形成多个通信链路；数据处理模块将从通信终端接口接收到的数据处理后，发送至主控模块，或者将从主控模块接收的数据处理后，通过通信终端接口发送至通信终端；通信接口和通信终端接口为标准接口，包括以太网、标准串口、usb；
[0138]
通信终端接口与数据处理模块连接线上设有监测模块和链路切换开关，监测模块可监测计算各个通信链路信息和状态，并将链路信息发送给切换模块，通信链路信息包括通信链路延时、丢包率、信噪比、能耗、费用参数；链路切换开关受切换模块控制，切换模块通过链路切换开关可从硬件上实现通信链路打开或关闭，也可通过控制程序，从软件上选择接收不同链路的信息，实现通信链路的切换；
[0139]
通信链路切换方式包括手动和自动两种运行模式；手动模式下，操控员根据主控模块反馈的链路信息，判断各个链路质量，并根据通信需求，手动选择切换至合适的通信链路；自动模式下，切换模块根据监测模块反馈的链路信息，采用多链路通信方法综合评估通信链路质量，并自动切换至该通信链路；
[0140]
如图3所示，智能监控装置4包括控制模块，控制模块通过标准通信接口与ais模块、 rfid模块、监控模块、广播模块、gps模块、wifi模块和通信天线连接，控制模块通过标准接口与岸端系统连接，实现数据传输；
[0141]
ais模块和rfid模块，用于识别经过船舶的船舶信息；监控模块用于获取船舶航行图像、视频数据，直接传输至岸端系统3，岸端系统3通过图像分析可判断船舶是否超载、船员是否穿戴救生衣、船舶是否丢弃垃圾行为，并抓拍船舶不安全或违法行为；广播模块用于即时播放指令、提示信息；gps模块用于当前智能监控装置自定位；wifi模块和通信天线可与船舶上无线设备实现无线通信；智能监控装置4通过监控模块，可实时获取航道拥堵信息、航道障碍物信息；
[0142]
智能监控装置布置于内河航道两岸或近海区域，其监控及信息获取操作流程如下；
[0143]
(1)获取船舶与航行信息/数据，以及智能监控装置自定位信息，并传输至岸端系统；
[0144]
(2)岸端系统对所采集到的数据进行非结构化数据处理、结构化数据综合评判，并进行结果分类，包括船舶是否超载、船员是否穿戴救生衣、是否存在丢弃垃圾行为、是否存在船舶不安全或违法行为，以及航道拥堵信息、航道障碍物信息；
[0145]
(3)处理结果中有需要直接通知船舶的信息或指令，则岸端系统将信息发送至智能监控装置，并通过广播模块即时播放；
[0146]
船舶智能航控系统运行时，岸端系统3通过智能监控装置4采集航行基础信息后，采用数据收发自适应调整方法，将数据规范简化并确定信息类型，岸端系统3通过通讯接口
将规范简化后的数据及数据类型发送至通信链路切换装置；通信链路切换装置采用多链路通信方法，实时监测各个通信链路通信质量，并根据待发送的数据信息类型，评估各通信链路综合质量，自动模式下使用综合质量最佳的通信链路作为数据收发链路，手动模式下，采用用户选择的通信链路作为数据收发链路；确定通信链路后，通信链路切换装置采用相应的通信终端将数据发送至船端系统，船端系统基于接收的航行基础信息数据进行航迹自动控制、避障路径规划。
[0147]
传统的船岸信息收发时间为定时发送，存在发送数据量大、冗余信息多、船端接收信息延时、船端接收端能耗大等问题，并且不同类型的信息重要程度不同，因此对信息的发送频率、延时、数据完整性要求各不相同，本发明采用数据收发自适应调整方法，岸端系统3根据发送数据类型、重要度决定信息发送频率，并预发送调整接收频率指令，保证发出的重要数据及时有效被接收；例如发送风暴预警信息，岸端系统根据气象信息提前预测各航线风暴状态信息，在下次信息发送时，在数据包内附加船端接收端开放时间和频次，可保证发出的危险气象信息及时被接收；
[0148]
如图4所示，上述岸端系统3的数据收发自适应调整方法包括以下步骤：
[0149]
步骤1、规范岸端系统发送的数据格式
[0150]
船舶航行基础信息种类多样，如航行水域类型、水文气象、地形、交通条件、交通管理、港口码头、障碍物和附加信息；在规范数据格式时舍弃部分对船舶航行影响较小的信息(如航行水域类型、港口码头等)，确定最终的数据格式，数据格式所包含信息为接收时间与频率、交通条件、水文气象、交通管理与障碍物信息，其中水文气象包含风速、降雨量、能见度、海浪等信息；附加信息包含时间戳和通信链路编号信息；
[0151]
步骤2、岸端系统获取船舶航行基础信息及船舶信息
[0152]
岸端系统3首先通过ais数据获取各船舶信息包括经纬度坐标、航速、航向等信息；确定出海船舶的数量w，并根据各船舶当前所在经纬度坐标，确定船舶所在海域；并通过海洋水文气象中心获取各船舶所在海域的水文气象信息；通过北斗或gps获取各船舶所在海域内各障碍物信息，包括障碍物的经纬度坐标、障碍物直径等；通过电子海图获取各船舶所在海域的交通条件和交通管理信息；
[0153]
步骤3、计算船舶航行基础信息对船舶航行状态航行状态的影响权重
[0154]
首先，岸端系统3采用智能数据处理算法(如logistics回归预测算法)根据船舶的吨位、类型、型宽、吃水量信息对各船舶航行基础信息按重要程度进行排列，同时参考过往此类数据，回归拟合出一个函数，以计算出各船舶航行四类基础信息即交通条件、水文气象、交通管理、障碍物信息的影响度值aw1、aw2、aw3、aw4，且aw1+aw2+aw3+aw4＝1；
[0155]
如表1所示；例如船舶1为小吨位客船，其各船舶航行基础信息对船舶航行的影响度排列为障碍物信息＞水文气象＞交通管理＞交通条件，则各船舶航行基础信息的影响度数值如下：a11＝0.45；a12＝0.4；a13＝0.1；a14＝0.05；
[0156]
表1各船舶航行基础信息的影响度数值表
[0157][0158][0159]
然后，岸端系统3根据各具体船舶航行基础信息内容查询权重表(表2)确定各基础信息对各船舶航行的影响权重：
[0160]
交通条件对w艘船舶航行影响权重n＝[n1，n2，
…
，nw-1，nw]，其中值nw根据交通状态查表3可得；
[0161]
水文气象对w艘船舶航行影响权重m＝[m1，m2，
…
，mw-1，mw]，其中，值mw的计算方法如下：
[0162][0163]
其中，s为水文气象内容中所包含海风、降雨量、能见度、海浪s种信息；
[0164]ms-ks
为各具体水文气象对船舶航行影响权重值，可查询表3获取；
[0165]
ks为各具体水文气象等级划分的数量；
[0166]
交通管理对w艘船舶航行影响权重q＝[q1，q2，
…
，qw-1，qw]，其中值qw根据交通管理内容查表3可得；
[0167]
障碍物信息对w艘船舶航行影响权重h＝[h1，h2，
…
，hw-1，hw]，其中值hw根据障碍物信息查表2可得；
[0168]
表2船舶航行基础信息对船舶航行影响权重表
[0169][0170][0171]
步骤4、船端与岸端信息定时收发自激励
[0172]
岸端系统3计算向各船端接收端所发送数据的重要度f：
[0173]
f＝[f1，f2，...，fw-1，fw]
[0174]
其中，fw＝a
w1
*nw+a
w2
*mw+a
w3
*qw+a
w4
*hw；
[0175]
在原有设定的重要度与船端接收端开放时间、时间间隔及简化信号的对应关系的基础上，岸端系统依据向各船端接收端所发送数据的重要度f生成时间与频次的简化信号组x：
[0176]
x＝[x1，x2，...，xw-1，xw]
[0177]
其中，xw为第w条船只的简化信号代号，可查重要度和船端接收端开放时间与频次对应表(表3)获得；
[0178]
表3重要度和船端接收端开放时间与频次对应表
[0179]
代号x-1x-2x-3x-4x-5重要度0～y1y1～y2y2～y3y3～y4y4～1接收时间t1t2t3t4t5频次f1f2f3f4f5
[0180]
其中，0《y1《y2《y3《y4《1；
[0181]
取数据中各航行基础信息权重的最大值即 max{a
w1
*nw，a
w2
*mw，a
w3
*qw，a
w4
*hw}对应的数据类型为主影响数据类型；
[0182]
步骤5、岸端系统向各船舶发送数据
[0183]
岸端系统3在对各船舶发送数据之前，对数据内容再次进行简化处理，如下：
[0184]
t次要发数据内容与t-1次已发数据内容依次对比，若接收时间与频次发生变化，则修改，否则以字母a代替；若交通条件发生变化，则修改，否则以字母b代替；对水文气象内的各个内容对比分析，若差值在δrs之内，则以字母c代替，否则修改；若交通管理内容发生变化，则修改，否则以字母d代替；若障碍物信息发生变化，则修改，否则以字母e 代替；其中，δrs为s种水文气象信息所对应的差值；
[0185]
当船舶在内河航行时，公网基站信号覆盖范围广、信号强，不存在通信链路质量差的问题；当船舶在近海或远海航行时，存在某一通信链路信号强度弱、延时高、数据易丢失等问题，本发明采用基于通信链路切换装置的多链路通信方法，通过综合评估各链路通信质量，及时选择并切换至综合质量最佳的通信链路，将简化规范后的数据发送至w艘船的船端系统，保证船岸信息交互稳定、可靠、高效。
[0186]
如图5所示，多链路通信方法包括以下步骤：
[0187]
步骤1：通信链路初始化
[0188]
通过初始通信链路，如公网或北斗通信链路，与岸端系统建立通信链接，并通过该通信链路收发数据；
[0189]
步骤2：运行模式切换
[0190]
初始状态下，链路切换模式为手动切换，即操作员根据通信链路质量，手动切换链路通断；当操作员选择链路切换模式为自动时，系统根据通信链路质量，自动切换通信链路通断；自动切换模式下，当船端系统1或岸端系统3检测到紧急状况需要操作员手动切换链路时，则会提示操作员切换通信链路；
[0191]
各通信终端包括发送端和接收端，接收端默认处于打开状态，在此情况下，无论船端向岸端发送数据或岸端向船端发送数据，不存在通信链路不一致的情况，可避免通信失误；此情况会存在能耗较大的问题，因此，用户可通过通信链路切换装置，将船端系统或岸端系统中某一个设置为主设备，另外一个为从设备，以主设备选择的链路为准，主设备选择
最佳通信链路后，在传输的数据中加入链路编号信息，从设备接收到该信息后，自动切换至对应的通信链路，并持续以该链路与主设备进行通信，直至收到包含不同通信链路编号信息的数据；
[0192]
步骤3：通信链路性能监测
[0193]
监测模块监测各个通信链路的链路性能，性能参数包括通信链路延时a、丢包率b、信噪比c、能耗d、费用e，并将链路性能参数信息发送到切换模块和主控模块；各性能参数设定评判区间范围，例如延时评判区间为[2～10]，单位为s，区间值可更改，测得的链路延时值在此评判区间内按比例做归一化处理得到该通信链路延时性能参数指标a，此时a 取值范围为[0，1]；将其余性能参数按设定的评判区间做归一化处理后，得到通信链路i的性能参数表示为
[0194][0195]
其中，a～e∈[0，1]，i＝1，2，
…
，k；k为通信链路数量；
[0196]
a＝1表示通信链路延时最低，a＝0表示通信链路延时最高；
[0197]
b＝1表示通信链路丢包率最低，a＝0表示通信链路丢包率最高；
[0198]
c＝1表示通信链路信噪比最低，a＝0表示通信链路信噪比最高；
[0199]
d＝1表示通信链路能耗最低，a＝0表示通信链路能耗最高；
[0200]
e＝1表示通信链路费用最低，e＝0表示通信链路费用最高；
[0201]
同时，通信链路切换装置20显示单一性能参数最高的通信链路信息，为步骤2中紧急状况下，操作员手动切换通信链路提供依据，例如发送数据量大的信息时，则优先选取费用低的通信链路；
[0202]
步骤4：通信数据分类评级
[0203]
通信链路切换装置接收到船端或岸端系统的数据后，判断数据中是否含有链路编号信息，若含有链路编号信息，则执行步骤6以根据链路编号信息切换至对应的链路；
[0204]
若不包含链路编号信息，则根据待发送的数据类型进行分类评级，待发送数据类型包括交通条件、水文气象、交通管理、障碍物信息，判断各类数据对通信链路的某一个或多个性能参数的依赖度，设定依赖度等级；确定主影响类别数据对通信链路性能的依赖度，并表示为：kj＝[p
a p
b p
c p
d pe]；
[0205]
其中，j为船端通信传输的主影响类别数据对应的类型编号；pa为数据对通信链路延时的设定的依赖度值，pb为数据对通信链路丢包率的设定的依赖度值，pc为数据对通信链路信噪比的设定的依赖度值，pd为数据对通信链路能耗的设定的依赖度值；pe为数据对费用的设定的依赖度值；且pa+pb+pc+pd+pe＝1；
[0206]
各编号数据类型对于通信链路性能的依赖度如表4所示，表中数据可由用户定义或增加；
[0207]
表4数据类型对通信链路性能的依赖度取值表
[0208][0209]
步骤5：通信链路质量评估
[0210]
切换模块根据各个链路的性能参数和当前主影响数据类型对通信链路性能的依赖度，综合评估k个链路质量pi，pi＝ii×
kj(i＝1、2、3、
…
、k)；
[0211]
从所有计算结果中取最大值，即pn，表示第n个链路为当前数据发送的最佳通信链路；
[0212]
pn＝max(p1,p2,...,pk)
[0213]
步骤6：通信链路切换
[0214]
等待当前数据发送完成后，通过切换模块控制各个链路的通断，接通步骤4中链路编号信息对应的链路，或接通步骤5中综合质量最佳的通信链路n，并使用该通信链路将待发送数据发出。
[0215]
如图7所示，基于上述船岸协同的船舶智能航行平台的船舶航迹自动控制方法包括，船端系统1采集船舶的航行信息，包括位置、航向角、航速等，同时船端系统1接收岸端系统3提供的航行基础信息，结合规划的航行路径，计算船舶瞬时航向角，根据瞬时航向角控制船舶舵角；如图8所示，计划航线上的a、b两点为任意两个相邻转向点，在计划航线两侧偏移er宽度形成的带状区域称为航迹允许偏差带，对于不同的航迹保持精度，船舶可以通过调整偏差带er实现；如果船舶航行在偏差带内，可以认为船舶的实际航行精度已满足了计划航行精度的要求；一旦发现船舶越出偏差带，如图中p点，便发出偏航报警并启动航迹自动控制系统，控制船舶迅速返回计划航线，船舶航迹自动控制方法具体步骤如下；
[0216]
步骤1、采集船舶航行信息
[0217]
数据采集模块周期性采集船舶航行数据，第j次采集的航向角ψ
ξj
，航速vj，j∈(1,2,3...)，并根据计划航线和采集船舶位置信息，计算得到当前船舶位置与计划航线的航迹偏差ηj(以船舶位置做航线的垂线，垂线段的距离即为航迹偏差ηj)；
[0218]
其中，ηj的正负定义为，沿航线前进方向，船在航线左侧ηj》0，船在航线右侧ηj《0，ηj单位为km；
[0219]
数据采集模块通过通信链路2获取岸端系统数据，为保证数据传输可靠快速，采用多链路通信方法，实现最佳通信链路自动切换，进行通信传输数据，获取的信息可用于船舶航行过程中自主避障路径规划；
[0220]
步骤2、计算船舶瞬时航向角ψr[0221]
当船舶航行偏离设定航线时，航迹自动控制系统根据航迹偏差ηj与允许偏差er大小，计算瞬时航向角ψr与船舶当前航向角ψ
ξj
的映射关系，其关系可表示为
[0222]
ψr＝ψ
ξj
+δθ
[0223]
其中，δθ为航向修正角，采用多模态算法确定，具体计算方法如下；
[0224]
①
当|ηj|》er时
[0225]
当航迹偏差超出限定值时，即|ηj|》er，则认为船舶越出偏差带，系统发出偏航报警，修正角δθ取最大值：
[0226]
δθ＝sin(ηj)δθ
max
[0227]
其中，δθ
max
为正数，与天气有关，取15～20
°
，可调节；
[0228]
②
当时
[0229]
让船舶从现有的航迹偏差ηj以指数递减的方式快速返回设定航线
[0230][0231]
其中，k为一个比例系数，可在er处按δθ具有连续性的条件选取，即当航迹偏差ηj＝er 时，
[0232][0233]
则当时，航向修正角δθ＝arcsin(kηj/vj)；
[0234]
③
当时
[0235]
由于偏差较小，采用pi比例积分控制方式计算航向修正角δθ，
[0236][0237]
其中，k
p
、ki为控制参数，根据调试确定；当时，ki＝0，即不启用积分项，当时，启用积分项，并限定积分修正角不大于3
°
，以避免积分饱和的影响；
[0238]
步骤3、控制船舶航向角
[0239]
根据计算得到的瞬时航向角ψr来控制舵机的舵角ψd，根据岸端系统3发送的航行基础信息，建立计算模型通过软件计算分析，得出当前航行条件下，使船舶航向角为ψr时，所需的舵机舵角为ψd，即为目标舵角。
[0240]
如图8-9所示，基于上述船舶智能航控系统的船舶航行避障路径规划方法包括以下步骤：
[0241]
步骤1、获取作业区域信息
[0242]
岸端系统3获取作业区域信息，包括目标点位置坐标、作业区域固定障碍物(礁石)信息、海况信息等；
[0243]
步骤2、作业区域移动障碍物检测
[0244]
航行过程中，岸端系统3可通过卫星遥感检测并跟踪移动障碍物，实时预测移动障
碍物移动趋势，并将移动障碍物形状、尺寸和坐标信息实时发送至船端系统1；
[0245]
步骤3、建立作业区域栅格地图
[0246]
根据船舶起始点位置s和目标点位置e1、e2…
，对船舶作业区域建立栅格地图，如图9 所示，栅格地图的范围覆盖起始点和目标点，若是在起始点和目标点附近有不可航行区域，则可再扩大栅格地图的大小；
[0247]
栅格地图采用矩形网格构建，计算量适中，精度易于调控，网格的尺寸影响避障算法的计算量和精度，通常设置为船身长度的2～15倍；
[0248]
步骤4、标注栅格地图中不可航行区
[0249]
在栅格地图中，不可航行区域主要包括礁石、禁航区、移动障碍物等，岸端系统3检测礁石、禁航区、移动障碍物的坐标、尺寸等信息，由于障碍物通常是不规则的物体，并且礁石在涨落潮时尺寸明显变化，因此需要将障碍物覆盖区域进行二次膨胀化，如图9所示，具体步骤如下；
[0250]
4.1、首先将障碍物形状规则化，即使用外接圆、外接椭圆或外接矩形来表示障碍物外形，例如用外接圆表示障碍物外形，得到半径为r1的圆形区域；
[0251]
4.2、为进一步保障航行安全，根据用户设置的安全距离r’，将规则化的不可航行区扩大，向外偏移距离r’，得到半径为r2＝r1+r’的圆形区域，此时，半径为r2的圆形区域即为不可航行区域；安全距离r’一般取船身长度的2～5倍；
[0252]
在栅格地图中，将不可航行区覆盖的网格标注为1，可航行区域标注为0(空白)，实现栅格地图中的不可航行区标注；其中，不可航行区域覆盖的网格面积占该网格面积超过 10～20％，即认为该网格被全覆盖，此网格区域为不可航行区域；
[0253]
步骤5、船舶航行避障路径规划
[0254]
在带有障碍物标记的栅格地图基础上，规划船舶避障航行路径，若船舶位置与目标点连线航迹上有固定障碍物，以不可航行区域周边的可航行区域的网格中点或角点作为航行节点，可在船舶与目标位置连线两侧分别得到1条安全航行路径，取其中行程短的航行路径作为船舶航迹；
[0255]
若船舶位置与目标点连线航迹上有移动障碍物，在船舶距离障碍物一定距离(船身长度的10～20倍)后，重新规划其航迹，以移动障碍物移动轨迹后方一侧作为新路径航行方向，以移动障碍物周边可航行区域的网格中点或角点作为航行节点，得到1条安全航行路径，作为新的船舶航迹。
[0256]
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。