一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方法及装置与流程

1.本发明涉及船舶监控技术领域，特别涉及一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方法及装置。


背景技术：

2.随着我国水路运输的蓬勃发展，大量船舶航行在港口和内陆水域，使得单船航行区域急剧减小，通航环境恶化，恶性水上交通事故尤其是船舶碰撞事故显著增加，严重制约了水路运输的健康发展。研究能及时发现碰撞危险并发出报警的船舶碰撞预警系统是减少碰撞事故发生的有效手段。
3.目前投入使用较多的防碰撞预警主要为船上自带的近海船舶自动识别系统(automatic identification system，ais)硬件设备及近海通过ais定位来获取数据进行碰撞分析。大部分监管系统使用的渔船防碰撞模型多基于船位距离，速度及方向。
4.现有技术中，由于船舶运动的不规则性及远海点位定位回传时间间隔较大，不能还好的保障预警的准确性，除了会触发较多的无效预警，还不能准确有效的分析出可能会出现的碰撞风险。同时，ais基站覆盖范围较近，不能有效获取远海的定位数据，缩小了防碰撞预警的适用范围。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方法及装置，能够更为精准快速的识别渔船单托作业行为，解决渔船违规捕捞及违规使用网具作业的问题。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方法，包括以下步骤：
7.根据北斗定位系统获取船舶信息；所述船舶信息包括：船舶位置经纬度、航行速度、航首向及定位时间；
8.根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息；
9.将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息；
10.根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；
11.根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
12.所述根据北斗定位系统获取船舶信息，包括：
13.船舶根据北斗定位系统周期性的获取自身的北斗定位信息；
14.根据所述北斗定位信息以及北斗定位信息的历史信息，获取相关的船舶信息。
15.所述根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息，包括：
16.根据船舶自动识别系统的近海基站获取系统提供的系统船舶信息；或根据船舶自动识别系统中其它船舶提供的系统船舶信息；所述系统船舶信息包括：系统中设定范围内
的所有船舶的船舶信息。
17.所述将所述系统船舶数据与船舶数据比较，包括：
18.将获取的系统船舶数据与自身的船舶数据进行比较，确认船舶数据的准确性；当所述船舶数据不准确时，重新获取系统船舶数据。
19.所述确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间，包括：
20.根据船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；所述船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速根据船舶与其它船舶的船舶信息获取。
21.所述最近会遇距离及最近会遇时间根据如下方式获取：
22.o为本船船舶，t为其它船舶，p为坐标原点；最近会遇距离为从o到相对运动线tp的垂直距离op，最近会遇时间是相对目标以相对速度vr运动到p点所花费的时间。
23.所述根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警，包括：
24.根据最近会遇距离及最近会遇时间设定会遇报警阈值；所述会遇报警阈值包括：会遇报警距离、会遇报警时间、区域报警距离、区域报警时间、船舶锚泊速度及靠近报警范围。
25.所述会遇报警阈值根据船舶历史碰撞数据库中的碰撞预警数据设定。
26.根据本发明的另一个方面，提供了一种基于北斗定位的船舶碰撞预警装置，包括：
27.北斗定位单元，用于根据北斗定位系统获取船舶信息；所述船舶信息包括：船舶位置经纬度、航行速度、航首向及定位时间；
28.ais单元，用于根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息；
29.比较单元，用于将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息；
30.会遇信息计算单元，用于根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；
31.碰撞预警单元，用于根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
32.所述装置还包括：
33.所述北斗定位单元根据北斗定位系统周期性的获取自身的北斗定位信息；根据所述北斗定位信息以及北斗定位信息的历史信息，获取相关的船舶信息；
34.所述ais单元根据船舶自动识别系统的近海基站获取系统提供的系统船舶信息；或根据船舶自动识别系统中其它船舶提供的系统船舶信息；所述系统船舶信息包括：系统中设定范围内的所有船舶的船舶信息；
35.所述比较单元将获取的系统船舶数据与自身的船舶数据进行比较，确认船舶数据的准确性；当所述船舶数据不准确时，重新获取系统船舶数据；
36.所述会遇信息计算单元根据船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；所述船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速根据船舶与其它船舶的船舶信息获取；
37.所述碰撞预警单元根据最近会遇距离及最近会遇时间设定会遇报警阈值；所述会遇报警阈值包括：会遇报警距离、会遇报警时间、区域报警距离、区域报警时间、船舶锚泊速度及靠近报警范围。
38.采用本发明的技术方案，提出了一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方案，根据北斗定位系统获取船舶信息；根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息；将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息；根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
39.本发明实施例采用北斗卫星数据定位的信息，结合船舶航向，速度，方位，基础数据等信息，通过历史数据分析商船及渔船的轨迹特征，结合历史碰撞事件，建立碰撞模型。使用北斗卫星定位数据解决了远海定位数据的问题，除此之外，结合轨迹特征很好的筛除了部分航行不规律的渔船点位，加强了分析的准确性和有效性。
40.本发明方案较为准确的做到了商船及渔船间的碰撞预警效果，当超出预警阈值的商船接近作业渔船时，可以为正在作业中的渔船提供了一个预警提示，便于及时规避风险。区别于传统的碰撞预警系统，商渔船防碰撞系统分析了不同类型船舶的轨迹特征，除了设置了较为可靠的预警阈值外，还设立了触发预警区域，筛除了大量的无效预警，提高了系统的效率及可靠性。
41.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
42.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
43.图1为本发明实施例中基于北斗定位的船舶碰撞预警原理流程图；
44.图2为本发明实施例中碰撞原理示意图；
45.图3为本发明实施例中碰撞识别效果图；
46.图4为本发明实施例中基于北斗定位的船舶碰撞预警方案总体框图；
47.图5为本发明实施例中预警流程及预警设定示意图；
48.图6为本发明实施例中基于北斗定位的船舶碰撞预警装置结构示意图。
具体实施方式
49.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
50.本发明实施例采用北斗卫星数据定位的信息，结合船舶航向，速度，方位，基础数据等信息，通过历史数据分析商船及渔船的轨迹特征，结合历史碰撞事件，建立碰撞模型。使用北斗卫星定位数据解决了远海定位数据的问题，除此之外，结合轨迹特征很好的筛除了部分航行不规律的渔船点位，加强了分析的准确性和有效性。
51.图1为本发明实施例中基于北斗定位的船舶碰撞预警流程图。如图1所示，该基于北斗定位的船舶碰撞预警流程包括以下步骤：
52.步骤101、根据北斗定位系统获取船舶信息。
53.本发明实施例中，船舶信息包括船舶位置经纬度、航行速度、航首向及定位时间等。可以设定每五分钟会获取一次北斗卫星定位的点位数据，包括渔船经纬度，速度，航首向，定位时间等。
54.本发明实施例中，船舶根据北斗定位系统周期性的获取自身的北斗定位信息；根据所述北斗定位信息以及北斗定位信息的历史信息，获取相关的船舶信息。
55.步骤102、根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息。
56.本发明实施例中，船舶自动识别系统ais系统，是一种船舶导航设备，通过ais使用能增强船舶间避免碰撞的措施，能加强雷达、船舶交通管理系统、船舶报告的功能，能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、航名等信息，达到改进海事通信的功能和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法，增强了船舶的全局意识。
57.ais采用船舶全球唯一编码体制即mmsi码来作为识别手段。每一船舶从开始建造到船舶使用解体，给予一个全球唯一的mmsi码。每分钟划分为2250个时间段。每个时间段可发布一条不长于256比特的信息，长于256比特的信息需要增加时间段。每条船舶会通过询问选择一个与他船不发生冲突的时间段和对应的时间段来发布本船的信息。
58.本发明实施例中，根据船舶自动识别系统的近海基站获取系统提供的系统船舶信息；或根据船舶自动识别系统中其它船舶提供的系统船舶信息；所述系统船舶信息包括：系统中设定范围内的所有船舶的船舶信息。
59.步骤103，将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息。
60.本发明实施例中，将获取的系统船舶数据与自身的船舶数据进行比较，确认船舶数据的准确性；当所述船舶数据不准确时，重新获取系统船舶数据。
61.步骤104，根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间。
62.本发明实施例中，根据船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；所述船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速根据船舶与其它船舶的船舶信息获取。
63.最近会遇距离及最近会遇时间根据如下方式获取：
64.参见图2，为碰撞计算原理示意图，o为本船船舶，t为其它船舶，p为坐标原点；最近会遇距离为从o到相对运动线tp的垂直距离op，最近会遇时间是相对目标以相对速度vr运动到p点所花费的时间。
65.步骤105，根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
66.本发明实施例中，根据最近会遇距离及最近会遇时间设定会遇报警阈值；所述会遇报警阈值包括：会遇报警距离、会遇报警时间、区域报警距离、区域报警时间、船舶锚泊速度及靠近报警范围。
67.本发明实施例中，会遇报警阈值根据船舶历史碰撞数据库中的碰撞预警数据设定。
68.图2中，示出了本发明实施例中碰撞原理示意，其中，o为本船船舶，t为其它船舶，p为坐标原点；最近会遇距离为从o到相对运动线tp的垂直距离op，最近会遇时间是相对目标以相对速度vr运动到p点所花费的时间。
69.最近会遇距离dcpa(distance of close point of approaching)是从圆心到其它船舶的相对运动线的垂直距离。反映两船在最危险时刻保持的距离，能见度不良时，dcpa<2海里认为会有碰撞危险。
70.最近会遇时间tcpa(time to close point of approaching)是两船会遇时达到最近会遇点的时间。衡量船舶会遇的紧迫程度，在相同dcpa下，dcpa的大小决定了船舶最近会遇时刻到来的快与慢。
71.如图2，o为本船，t为目标船，两船以不同的航向和航速行驶，vo为本船速度，vt为目标船速度，vr为相对运动速度。dcpa计算的是从o到相对运动线tp的垂直距离op，tcpa是相对目标以vr运动到p点所花费的时间。
72.根据余弦定理，得到相对速度的计算公式：
[0073][0074]
其中，θ
t
为目标船到原点的连线与x轴的角度；θ
o
为本船到原点的连线与x轴的角度。
[0075]
令t点坐标为(xt,yt)，o点坐标为(0,0)，根据上式可得直线tp跟x轴夹角，又因为直线tp过点t，可以得到直线tp的直线方程。
[0076]
根据点到直线的距离公式计算得到点o到直线tp的距离op为
[0077][0078]
得到了dcpa(d
cpa
)的值以后，tcpa(t
cpa
)的值很容易得出：
[0079][0080]
船舶碰撞的识别效果图如图3所示。
[0081]
如图4所示，为本发明实施例提供的基于北斗定位的船舶碰撞预警方案总体框图，其中，包括了前端展示、数据存储和预警处理部分。
[0082]
前端展示主要用于获取预警船只信息进行预警信息的展示，还用于预警结果的展示，是用户与系统交互的主要方式。
[0083]
数据存储为各种类型的数据库，根据需要选择，可以包括reddis、mysql、kafka等多种类型的数据存储结构。
[0084]
预警处理过程主要包括：
[0085]
从数据库中获取任务区域，对任务区域进行外扩形成缓冲区。
[0086]
从数据库中获取船只实时数据，结合数据库中获取的船只运行白名单，获取白名单外的船只数据。
[0087]
根据白名单外的船只数据，获取在缓冲区内且不在白名单内的船只信息，作为重点监控预警船只。
[0088]
根据船只的行驶朝向以及平均速度等，计算其轨迹向量，判断轨迹向量与任务区域的交集。
[0089]
如果存在交集，则判断是否有闯入任务区域的风险，并将结果发送前端展示，显示相应的预警信息。
[0090]
系统每五分钟会获取一次北斗卫星定位的点位数据，包括渔船经纬度，速度，航首
向，定位时间等。首先会基于从近海船舶自动识别系统(automatic identification system，ais)基站获取的渔船数据，与北斗终端数据相比对，判断数据的准确性，分析判定商船及渔船的位置。然后划定商船高速由外圈驶向渔船时才会触发预警分析流程，筛除了部分无效预警，如渔船正在进行编组作业，商渔船卸货等。最后通过设定会遇时间，会遇距离，会遇速度来设定预警算法的阈值，实时进行数据分析，在满足阈值的情况下触发预警。如图5所示，具体的预警包括了会遇报警距离、会遇报警时间、区域报警距离、区域报警时间、船舶锚泊速度及靠近报警范围。分别针对不同的预警设定不同的阈值。如图5中所示，相遇时间可以设定为10
‑
30分钟，系统默认可以是20分钟。航速大于1.5节会遇报警，航速小于1.5节区域报警等。通常的，会遇报警距离设置为0.2海里；会遇报警时间设置为20分钟；区域报警距离设置为0.2海里；区域报警事件设置为20分钟；船舶锚定速度设置为1.5节；靠近报警范围为6海里。
[0091]
为了实现上述流程，本发明技术方案还提供基于北斗定位的船舶碰撞预警装置，如图6所示，该基于北斗定位的船舶碰撞预警装置包括：
[0092]
北斗定位单元21，用于根据北斗定位系统获取船舶信息；所述船舶信息包括：船舶位置经纬度、航行速度、航首向及定位时间；
[0093]
ais单元22，用于根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息；
[0094]
比较单元23，用于将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息；
[0095]
会遇信息计算单元24，用于根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；
[0096]
碰撞预警单元25，用于根据所述最近会遇距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
[0097]
所述装置还包括：
[0098]
所述北斗定位单元21根据北斗定位系统周期性的获取自身的北斗定位信息；根据所述北斗定位信息以及北斗定位信息的历史信息，获取相关的船舶信息；
[0099]
所述ais单元22根据船舶自动识别系统的近海基站获取系统提供的系统船舶信息；或根据船舶自动识别系统中其它船舶提供的系统船舶信息；所述系统船舶信息包括：系统中设定范围内的所有船舶的船舶信息；
[0100]
所述比较单元23将获取的系统船舶数据与自身的船舶数据进行比较，确认船舶数据的准确性；当所述船舶数据不准确时，重新获取系统船舶数据；
[0101]
所述会遇信息计算单元24根据船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；所述船舶与其它船舶的相对位置、航向、航速根据船舶与其它船舶的船舶信息获取；
[0102]
所述碰撞预警单元25根据最近会遇距离及最近会遇时间设定会遇报警阈值；所述会遇报警阈值包括：会遇报警距离、会遇报警时间、区域报警距离、区域报警时间、船舶锚泊速度及靠近报警范围。
[0103]
综上所述，本发明的技术方案，提出了一种基于北斗定位的船舶碰撞预警方案，根据北斗定位系统获取船舶信息；根据船舶自动识别系统获取系统船舶信息；将所述系统船舶数据与船舶数据比较，获取船舶周边设定范围内的其它船舶的船舶信息；根据船舶信息与其它船舶的船舶信息，确定船舶间的最近会遇距离及最近会遇时间；根据所述最近会遇
距离及最近会遇时间进行碰撞预警。
[0104]
本发明实施例采用北斗卫星数据定位的信息，结合船舶航向，速度，方位，基础数据等信息，通过历史数据分析商船及渔船的轨迹特征，结合历史碰撞事件，建立碰撞模型。使用北斗卫星定位数据解决了远海定位数据的问题，除此之外，结合轨迹特征很好的筛除了部分航行不规律的渔船点位，加强了分析的准确性和有效性。
[0105]
本发明方案较为准确的做到了商船及渔船间的碰撞预警效果，当超出预警阈值的商船接近作业渔船时，可以为正在作业中的渔船提供了一个预警提示，便于及时规避风险。区别于传统的碰撞预警系统，商渔船防碰撞系统分析了不同类型船舶的轨迹特征，除了设置了较为可靠的预警阈值外，还设立了触发预警区域，筛除了大量的无效预警，提高了系统的效率及可靠性。
[0106]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0107]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0108]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0109]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0110]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。