技术特征：
1.一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；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；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；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；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；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。2.如权利要求1所述的船舶智能航控系统，其特征在于：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；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。3.如权利要求1所述的船舶智能航控系统，其特征在于：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；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。4.如权利要求1或2所述的船舶智能航控系统，其特征在于：所述数据收发采用的自适应调整方法，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；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；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。5.如权利要求4所述的船舶智能航控系统，其特征在于：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：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；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；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：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]；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：其中，s为水文气象内容中所包含信息种类数量；m
s-ks
为设定的各具体水文气象对船舶航行影响权重值；ks为各具体水文气象等级划分的数量；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]；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]。6.如权利要求5所述的船舶智能航控系统，其特征在于：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：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：
f＝[f1，f2，
…
，fw-1，fw]其中，f
w
＝a
w1
*n
w
+a
w2
*m
w
+a
w3
*q
w
+a
w4
*h
w
；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f生成时间与频次的简化信号组x：x＝[x1，x2，
…
，xw-1，xw]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；取数据中各航行基础信息权重的最大值即max{a
w1
*n
w
，a
w2
*m
w
，a
w3
*q
w
，a
w4
*h
w
}对应的数据类型为主影响数据类型。7.如权利要求1所述的船舶智能航控系统，其特征在于：所述多链路通信方法包括以下步骤：步骤1：通信链路初始化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；步骤2：运行模式切换初始状态下，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，则提示操作员切换通信链路；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；步骤3：通信链路性能监测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，并对测得的值在此评判区间内按比例做归一化处理，得到该通信链路某一性能参数指标；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的性能参数矩阵表示为：其中，a～e∈[0，1]，i＝1，2，
…
，k；k为通信链路数量；a＝1表示通信链路延时最低，a＝0表示通信链路延时最高；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；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；d＝1表示通信链路能耗最低，a＝0表示通信链路能耗最高；e＝1表示通信链路费用最低，e＝0表示通信链路费用最高；
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；步骤4：通信数据分类评级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；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：k
j
＝[p
a p
b p
c p
d p
e
]；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；p
a
为数据对通信链路延时的设定的依赖度值，p
b
为数据对通信链路丢包率的设定的依赖度值，p
c
为数据对通信链路信噪比的设定的依赖度值，p
d
为数据对通信链路能耗的设定的依赖度值；p
e
为数据对费用的设定的依赖度值；且p
a
+p
b
+p
c
+p
d
+p
e
＝1；步骤5：通信链路质量评估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p
i
，p
i
＝i
i
×
k
j
(i＝1、2、3、
…
、k)；从所有计算结果中取最大值，即p
n
，表示第n个链路为当前数据发送的最佳通信链路；p
n
＝max(p1,p2,...,p
k
)步骤6：通信链路切换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。8.一种上述权利要求1-7中任意一项所述的船舶智能航控系统的运行控制方法,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；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；步骤1、采集船舶航行信息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v
j
，，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η
j
；其中，η
j
的正负定义为，沿航线前进方向，船在航线左侧则η
j
>0，船在航线右侧则η
j
<0，η
j
单位为km；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；步骤2、计算船舶瞬时航向角ψ
r
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η
j
与允许偏差er大小，计算瞬时航向角ψ
r
与船舶当前航向角ψ
ξj
的映射关系，其关系可表示为ψ
r
＝ψ
ξj
+
△
θ其中，
△
θ为航向修正角，采用多模态算法确定；步骤3、控制船舶航向角根据计算得到的瞬时航向角ψ
r
来控制舵机的舵角ψ
d
，根据岸端系统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ψ
r
时，所需的舵机舵角为ψ
d
，即为目标舵角。9.如权利要求8所述的船舶智能航控系统的运行控制方法，其特征在于：所述航向修正角的多模态算法的具体计算过程如下：
①
当|η
j
|>er时当航迹偏差超出限定值时，即|η
j
|>er，则认为船舶越出偏差带，系统发出偏航报警，修正角
△
θ取最大值：
△
θ＝sin(η
j
)
△
θ
max
其中，
△
θ
max
取15～20
°
范围内的某数值；
②
当时让船舶从现有的航迹偏差η
j
以指数递减的方式快速返回设定航线：其中，k为一个比例系数，可在er处按
△
θ具有连续性的条件选取，即当航迹偏差η
j
＝er时，则当时，航向修正角
△
θ＝arcsin(kη
j
/v
j
)；
③
当时由于偏差较小，可采用pi比例积分控制方式计算航向修正角
△
θ，其中，k
p
、k
i
为控制参数，根据调试确定；当时，k
i
＝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。10.一种基于上述权利要求1-7中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，其内容包括以下步骤：步骤1、获取作业区域信息岸端系统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；步骤2、作业区域移动障碍物检测
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；步骤3、建立作业区域栅格地图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；步骤4、标注栅格地图中不可航行区在栅格地图中，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：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；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’；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；步骤5、船舶航行避障路径规划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；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。11.如权利要求10所述的船舶智能航控系统的运行控制方法，其特征在于：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。12.如权利要求10所述的船舶智能航控系统的运行控制方法，其特征在于：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。13.如权利要求10-12中任意一项所述船舶智能航控系统的运行控制方法，其特征在于：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。
技术总结
本发明公开了一种信息传送稳定可靠的船舶智能航控系统，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经通信链路实现数据收发共享，为船舶实现智能航行、能耗管理、故障诊断、远程控制功能提供数据基础；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。本发明还公开了上述系统的运行控制方法。发明还公开了上述系统的运行控制方法。发明还公开了上述系统的运行控制方法。
技术研发人员：连雪海 张宇 张军 吴富民 周建英 欧阳春 郭胜 唐文献 张建 王为民
受保护的技术使用者：江苏科技大学 中国人民解放军92941部队第140所
技术研发日：2022.04.01
技术公布日：2022/6/28