一种船-桥避碰主动防撞智能预警系统及方法与流程
本发明涉及船舶航行主动避碰技术领域，特别涉及一种船-桥避碰主动防撞智能预警系统及方法。
背景技术：
近年来,随着我国经济的快速发展,航道上修建了大量的跨江跨海桥梁，桥梁密度不断增大，航道等级逐渐提高，船舶交通流量迅速增加，船撞桥事故时有发生。国际上关于船桥碰撞问题的研究始于20世纪60年代末，1980年美国阳光大桥被撞塌事件，引起了国际工程界的高度重视。1995年，航运界第一次组织国际性的船桥碰撞问题专题研究——pianc成立了第19工作小组专门从事船桥碰撞事故的研究工作，并将船舶撞桥事故的原因归结为三大类：驾驶员与引航员的操作失误、机械故障、自然环境。
现有技术中，关于船-桥防碰撞的研究有实船试验方法、水池模型试验方法、被动防撞试验方法、主动防撞试验方法等。目前，国内在桥梁防船撞安全监测的研究中，以被动防撞措施研究及主动防撞措施研究为主要研究方向。被动式防撞即在桥梁设置若干防撞装置，防止船舶撞击力超过桥墩的承受能力，以保护桥梁的结构安全。被动防船撞主要是保护桥梁安全，没有考虑对船舶的保护。此外，被动防船撞装置安装后，对水域的通航面积和通航路线有一定影响。
主动防撞是指通过对船舶的航行管理和航行轨迹干预，避免船撞桥事故的发生，主动防撞是积极的预防措施。目前常采用的主动防撞措施主要包括基于视频检测、红外检测、设置导航标、实施船舶定线制度、加强船员培训、、设置船舶交通管理系统(vts)、桥梁防撞拦截措施、航标局部加密优化技术等。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种船-桥避碰主动防撞智能预警系统及方法，通过采集桥区水域中的通航船舶的动态、静态信息，计算船舶与桥墩之间的位置关系(最近会遇距离、最小会遇时间)；同时根据桥区通航环境实际特征将桥区水域预先划定为若干个禁止通航区域，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到各禁止通航区域内的船舶闯入风险和各桥墩的船舶碰撞风险；并通过vhf(甚高频通信)向闯入禁止通航水域的船舶和带来桥墩高碰撞风险的船舶广播预警信息，实现对桥区桥墩的防撞安全监测与智能预警。
为了达到上述目的，本发明提供一种船-桥避碰主动防撞智能预警系统，包含：
船舶航行信息采集模块，实时采集、广播桥区水域船舶的动态信息、静态信息；船-桥碰撞风险测度模块，通讯连接所述船舶航行信息采集模块，其根据船舶的动态信息计算得到船舶的船-桥最小会遇时间、船-桥最近会遇距离，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到所述桥区水域内的船-桥碰撞风险；所述船舶撞桥风险判定模型包括禁止通航区域闯入风险判定模型和船舶碰撞桥墩风险判定模型；
碰撞风险智能预警模块，其通讯连接所述船-桥碰撞风险测度模块、船舶航行信息采集模块，根据所述桥区水域内的船-桥碰撞风险为该桥区水域禁止通航区域内船舶进行防撞预警，为带来桥墩高碰撞风险的船舶进行防撞预警；
海图信息生成模块，其通讯连接所述船舶航行信息采集模块、船-桥碰撞风险测度模块、碰撞风险智能预警模块，根据船舶的动态信息和静态信息、预先采集的桥区水域地理信息生成电子海图，并在所述电子海图显示桥区禁止通航水域、船舶的预警等级。
优选的，所述静态信息包含船舶呼号、船名、船舶类型；所述动态信息包含船舶航向、船舶航速、船舶位置。
优选的，所述船舶航行信息采集模块包含设置在船舶上的ais系统，所述ais系统包含：
gps接收机，用于获取船舶航向、航速，并接收utc时间信号进行时间同步；
电罗经，用于获取船舶位置；
无线电发射应答器，用于按照设定的时间间隔广播船舶静态信息、gps接收机采集的船舶航向与航速、电罗经采集的船舶位置，并接受其他船舶发送的航向、航速、船舶位置。
优选的，所述船舶航行信息采集模块还包含雷达，其设置在桥区沿岸，通过雷达回波采集桥区水域船舶的航向、航速、船舶位置并发送给所述船-桥碰撞风险测度模块。所述雷达可以是激光雷达或航海雷达。
所述禁止通航区域闯入风险判定模型为：
其中，
第i禁止通航区域的船舶闯入风险
所述船舶碰撞桥墩风险评判模型为：
其中：
第l桥墩的船舶碰撞风险
所述船-桥碰撞风险rbridge为桥区禁止通航水域船舶闯入风险rarea与桥墩-船舶碰撞风险rpier之和；rarea为所有禁止通航区域的船舶闯入风险之和，rpier为所有桥墩的船舶碰撞风险之和：
当
当
优选的，所述的船-桥避碰主动防撞智能预警系统，还包含预警信息远程传输模块，其通讯连接设置在所述碰撞风险智能预警模块与船舶电台之间，用于通过甚高频向所述预警船舶的船舶电台广播所述第一语音预警信息、第二语音预警信息。
本发明还提供一种船-桥避碰主动防撞智能预警方法，采用本发明所述的船-桥避碰主动防撞智能预警系统实现的，包含步骤：
s1、通过船舶的ais系统、设置在桥区沿岸的雷达实时采集船舶的动态、静态信息，并向其它船舶的ais系统、船-桥碰撞风险测度模块广播船舶的动态、静态信息；
s2、船-桥碰撞风险测度模块根据船舶的动态信息计算得到该船舶的船-桥最小会遇时间、船-桥最近会遇距离；
s3、船-桥碰撞风险测度模块根据所述船-桥最小会遇时间、船-桥最近会遇距离，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到桥区禁止通航水域船舶闯入风险和桥墩-船舶碰撞风险，进而获得船-桥碰撞风险；
s4、碰撞风险智能预警模块根据所述桥区禁止通航水域船舶闯入风险和桥墩-船舶碰撞风险判断预警船舶，并对预警船舶进行防撞预警；
s5、海图信息生成模块根据船舶的动态信息和静态信息、预先采集的桥区水域地理信息生成电子海图，并在所述电子海图显示桥区禁止通航水域、预警船舶。
步骤s4中具体包含：
s41、当桥区水域的第i禁止通航区域内的船舶闯入风险不为0时，碰撞风险智能预警模块判断桥区水域第i禁止通航区域为高风险水域，标记该高风险水域内的船舶为预警船舶，并生成对应的第一语音预警信息向该预警船舶的船舶电台进行广播；
s42、当桥区水域第l桥墩的船舶碰撞风险不为0时，碰撞风险智能预警模块判断第l桥墩为高风险桥墩；并生成对应的第二语音预警信息向带来第l桥墩高碰撞风险的预警船舶的船舶电台进行广播。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明中，通过船载ais系统、设置在桥区沿岸的雷达采集并显示船舶动态信息、静态信息，保证了船舶动态信息的冗余采集，保证了船舶动态信息采集的实时性；
2)本发明通过海图信息生成模块从多信息源、多角度可视化的显示采集桥区船舶通航环境和船舶航行状态；
3)本发明根据桥区水域的环境信息将其划分为若干个禁止通航水域，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到该桥区水域禁止通航水域的船舶闯入风险，并对禁止通航区域内的船舶进行相应的防撞预警，实现了船-桥防撞的精确预警。
4)本发明根据大桥的机构特点，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到桥墩船舶碰撞风险，并对导致桥墩船舶碰撞高风险的船舶进行相应的防撞预警，实现了船-桥防撞的精确预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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、图2为本发明的船-桥避碰主动防撞智能预警系统示意图；
图3为本发明的船-桥避碰主动防撞智能预警方法流程图；
图4为本发明实施例中的电子海图；
图5为本发明的实施例中雷达安装位置示意图；
图中：1、船舶航行信息采集模块；11、ais系统；12、雷达；2、船-桥碰撞风险测度模块；3、碰撞风险智能预警模块；4、海图信息生成模块；5、预警信息远程传输模块；6、数据存储模块；7、船舶电台。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本发明提供一种船-桥避碰主动防撞智能预警系统，包含：船舶航行信息采集模块1、船-桥碰撞风险测度模块2、碰撞风险智能预警模块3、海图信息生成模块4、预警信息远程传输模块5、数据存储模块6。
所述船舶航行信息采集模块1用于实时采集、广播桥区水域船舶的动态信息、静态信息。所述静态信息包含船舶呼号、船名、船舶类型；所述动态信息包含船舶航向、船舶航速、船舶位置。本发明的实施例中，对上海朱家尖大桥的桥区水域进行监测预警。
所述船舶航行信息采集模块1包含设置在船舶上的ais系统11(automaticidentificationsystem船舶自动识别系统)以及设置在桥区水域沿岸的雷达12。
所述ais系统11包含：gps接收机、电罗经、无线电发射应答器。ais系统11的是通过广播通信方式，在本船与其他船舶以及海岸台站之间建立导航数据交换的系统。
所述gps接收机用于获取船舶航向、航速，并接收utc时间信号进行时间同步；
所述电罗经用于获取船舶位置；
所述无线电发射应答器用于按照设定的时间间隔广播船舶静态信息、gps接收机采集的船舶航向与航速、电罗经采集的船舶位置，并接受其他船舶发送的航向、航速、船舶位置。在本发明的实施例中，船舶ais发送信息的内容如表1所示，船舶动态信息更新发送的时间间隔如表2所示。
表1
表2
所述雷达12为航海雷达与激光雷达，本发明的实施例中，在朱家尖大桥附近岸区设置的雷达安装位置如图5所示。通过雷达回波采集桥区水域船舶的航向、航速、船舶位置并发送给所述船-桥碰撞风险测度模块2。该雷达12特别适用于黑夜、雾天引导船只出入海湾、通过窄水道和沿海航行，主要起航行防撞作用。通过雷达12全方位全天候捕获桥区水域通航船舶工台(即船舶驾驶舱)，雷达12能够与船载的ais系统11形成优势互补，在船载ais系统11不能正常工作时，通过雷达12为系统及时提供实时更新的船舶动态信息，保证了船舶动态信息的冗余采集。
所述船-桥碰撞风险测度模块2通讯连接所述船舶航行信息采集模块1，其根据船舶的动态信息计算得到船舶的船-桥最小会遇时间(tcpa)、船-桥最近会遇距离(dcpa)，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到禁止通航区域内的船舶闯入风险和桥墩的船舶碰撞风险，进而得到船-桥碰撞风险。
船舶与桥墩碰撞风险影响因素主要有dcpa、tcpa、桥墩与目标船距离、桥墩与目标船相对速度、目标船方位、目标船舷角等。其中dcpa与tcpa是关联船舶碰撞风险最主要的因素，可以反映两船的距离、相对速度、方位及其变化率等，dcpa和tcpa值越小，碰撞风险越大。dcpa/tcpa的计算过程，具体如下所示：
设λ0、
则目标船相对于桥墩的真方位bt(°)为：
bt＝arctan(dλ/dm)+τ；(2)
其中dt为桥墩与船舶间距离(nmile)，dm为目标船与桥墩之间的纬度渐长率差，τ为圆周方位调节参数(°)，dt、dm、τ的具体公式如式(3)、式(4)、式(5)所示：
式(4)中
设v0、vt、c0、ct分别为桥墩和目标船的航速(kn)、航向(°)。
v0x、vtx、v0y、vty分别表示桥墩和目标船在x，y轴上的分量，可得：
式(7)—(10)中：vr为目标船的相对运动速度(kn)；cr为相对运动航向(°)；β为圆周航向调节参数(°)。
α＝|cr-bt+180|(11)
dcpa＝dtsin(α)(12)
式(11)-式(13)中：α为相对运动线与其他船方位线之间的夹角(°)。当dcpa＞0表示目标船过桥墩的船首，dcpa＜0表示过桥墩的船尾。tcpa≥0表示其他船与桥墩正相互接近，当tcpa＜0表示其他船已经过了与桥墩最近会遇点。
dcpa取值大于0，仅表示桥墩与船舶的最小会遇距离值，tcpa取值区分正负值，以反映目标船是否已通过了与桥墩的最近会遇点，所以对式(11)计算出的α值进行处理得：
所述船舶撞桥风险判定模型包括禁止通航区域闯入风险判定模型和船舶碰撞桥墩风险判定模型：
所述禁止通航区域闯入风险判定模型为：
其中，
第i禁止通航区域的船舶闯入风险
所述船舶碰撞桥墩风险评判模型为：
其中：
第l桥墩的船舶碰撞风险
所述船-桥碰撞风险rbridge为桥区禁止通航水域船舶闯入风险rarea与桥墩-船舶碰撞风险rpier之和；rarea为所有禁止通航区域的船舶闯入风险之和，rpier为所有桥墩的船舶碰撞风险之和：
所述碰撞风险智能预警模块3通讯连接所述船-桥碰撞风险测度模块2、船舶航行信息采集模块1，根据所述桥区水域内的船-桥碰撞风险，为该桥区水域内船舶生成对应的预警等级，并根据所述预警等级为桥区水域内船舶进行防撞预警；所述碰撞风险智能预警模块3还对位于禁止通航水域的船舶进行预警。优选的，船-桥碰撞风险测度模块2、碰撞风险智能预警模块3均设置在控制中心的中心处理器中。
具体的，当
当
所述预警信息远程传输模块5通讯连接设置在所述碰撞风险智能预警模块3与船舶电台7之间，用于通过水上甚高频向所述预警船舶的船舶电台7广播所述第一语音预警信息。在本发明的实施例中，所述预警信息远程传输模块5为vhf电台。
水上甚高频(vhf)无线电通信是指采用vhf水上专用频段进行船舶间、船岸或经岸台与陆上通信话路转接的船与用户间的无线电通信。vhf无线电波主要靠空间波传播，传播范围为视距范围。地面上的通信距离与vhf天线高度和发射功率有关，船载vhf话台传播范围正常值约为25海里，例如，船台天线高30米，岸台天线高90米，其船岸通信理论最大距离33.3海里。vhf的传播范围很适合于建立以vhf台为中心的近距离蜂窝式通信网，所以沿海近岸、内河水域均属于vhf岸台电波所能覆盖的，这也是船岸之间利用vhf进行通信的最有利、最有效的区域。
作为水上移动通信重要技术手段的vhf通信系统，其设计方法与陆地vhf移动通信系统的许多基本方面相同。由于它同时又应服从于包含它的水上通信(信息)网的总要求，其设计又具有某些特殊之处。根据交通部无管办《水上无线电通信规则》(2004版)规定，水上移动业务vhf频段无线电通信频率范围是156～174mhz，并以25khz的间隔划分单频频道26个，双频频道33个，共59个频道，专门用于水上船岸或船舶行动的通信；156.650mhz(vhfch13)指定为船间有关航行安全的通信频道；156.800mhz(vhfch16)专用于无线电话遇险安全通信与呼叫；156.525mhz(vhfch70)专用于dsc的遇险、安全与通信；161.975和162.025mhz(ais1和ais2频道)用于海上作业船舶的自动识别和监视系统的工作频率。交通部《甚高频海岸电台工程设计规范》(jtj/t345-99)要求甚高频海岸电台应具有在其覆盖的海域内与船舶电台7进行日常无线电话通信和非话业务通信的功能，配置的甚高频收发信设备额定功率不得大于50w，从事dsc遇险与安全通信业务的岸台，必须设置ch70和ch16频道，宜采用集中控制方式。因此，本发明的桥区水域可采用ch16频道作为第一预警信息播发频道，也可以由用户设定固定频道播报。
所述海图信息生成模块4通讯连接所述船舶航行信息采集模块1、船-桥碰撞风险测度模块2、碰撞风险智能预警模块3，根据船舶的动态信息和静态信息、预先采集的桥区水域地理信息生成电子海图，并在所述电子海图显示桥区禁止通航水域、预警船舶。本发明的实施例中，所述海图信息生成模块4为符合国际标准的电子海图显示与信息系统(ecdis)。本发明的实施例中，根据上海朱家尖大桥桥区水域生成的电子海图如图4所示。
所述数据存储模块6用于存储所述船舶动态信息、静态信息，预警等级、各禁止通航区的船舶闯入风险和桥墩船舶碰撞风险。
本发明还提供一种船-桥避碰主动防撞智能预警方法，采用本发明所述的船-桥避碰主动防撞智能预警系统实现的，如图3所示，包含步骤：
s1、通过船舶的ais系统11实时采集船舶的动态信息，并向其它船舶的ais系统11、船-桥碰撞风险测度模块2广播船舶的动态、静态信息；
s2、船-桥碰撞风险测度模块2根据船舶的动态信息计算得到该船舶的船-桥最小会遇时间、船-桥最近会遇距离；
s3、船-桥碰撞风险测度模块2根据所述船-桥最小会遇时间、船-桥最近会遇距离，基于船舶撞桥风险判定模型计算得到该桥区禁止通航区域的船舶闯入风险和桥墩船舶碰撞风险；
s4、碰撞风险智能预警模块3根据桥区水域内的船-桥碰撞风险，为该桥区水域禁止通航区域内船舶进行防撞预警，为带来桥墩高碰撞风险的船舶进行防撞预警；
s5、海图信息生成模块4根据船舶的动态信息和静态信息、预先采集的桥区水域地理信息生成电子海图，并在所述电子海图显示桥区禁止通航水域、船舶的预警等级。
优选的，步骤s1中还包含：通过设置在桥区沿岸的雷达12采集桥区水域船舶的航向、航速、船舶位置并发送给船-桥碰撞风险测度模块2。
优选的，步骤s4中具体包含：
s41、当桥区水域第i禁止通航区域内的船舶闯入风险不为0时，碰撞风险智能预警模块判断桥区水域第i禁止通航区域为高风险水域，标记该高风险水域内的船舶为预警船舶，并生成对应的第一语音预警信息向该预警船舶的船舶电台进行广播；
s42、当桥区水域第l桥墩的船舶碰撞风险不为0时，碰撞风险智能预警模块判断第l桥墩为高风险桥墩，并生成对应的第二语音预警信息向带来第l桥墩高碰撞风险的预警船舶的船舶电台进行广播。
s43、通过数据存储模块6存储所述船舶动态信息、静态信息，桥区水域各禁止通航区域内的船舶闯入风险、桥墩船舶碰撞风险和预警船舶信息。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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