基于AIS和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统及方法与流程

基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统及方法
技术领域
1.本发明属于海上风电场海缆保护技术领域，特别涉及一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统及方法。


背景技术：

2.海上风电场的电力外送依靠海缆，运行过程中海缆由于受到海水冲刷、侵蚀等因素影响，海底电缆容易产成绝缘劣化、阻水性能变差，尤其对于离岸较远的风电场海缆还可能接触船舶的锚和渔具等，不可避免的船舶锚害成为引起海缆损伤的重要原因，通过监测海缆附近船只运行情况，对威胁海缆安全的船只进行驱离，可以实现对海缆的有效保护。
3.船只自动识别系统(automatic identification system，简称ais)可以提供船只的实时动态信息和静态信息，采用无线电波传播，工作在甚高频海上频段，作用距离远，并且工作过程几乎不会受到天气限制，能够工作在大雾等恶劣天气，即使海上区域内船只密集时也不会出现误跟踪或漏跟现象，但ais属于被动接收信息方式，无法实现主动探知，而且如果船上没有安装ais装置或ais装置关闭时，就无法获取船只信息。ais提供的船舶位置只是一个坐标点，无法获取目标船只周围的环境信息。
4.岸基雷达可以安装在海上升压站，能够实现主动探知，获取船只与被观测海缆的距离，以及目标船只的航向、航速和方位等动态信息。但岸基雷达无法获取船只的静态信息，同时岸基雷达是通过分析船只的回波信号进行目标探测，存在一定的探测盲区；另外由于岸基雷达工作在微波波段，容易受到环境及天气的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统及方法，以解决因船舶锚害成为引起海缆损伤的问题。本发明实现ais和雷达数据的互补，同时有效避免数据冗余的问题。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护方法，包括以下步骤：
8.利用岸基雷达测量测量范围内的船只的雷达航迹信息；
9.获取船只自动识别系统ais播发的船只的ais航迹信息；
10.将船只的雷达航迹信息和ais航迹信息的时间和空间坐标统一；
11.对时间和空间坐标统一后的雷达航迹信息和ais航迹信息进行关联，获得关联航迹；
12.对关联航迹中ais航迹信息和雷达航迹信息进行融合，获得目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向；
13.根据目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以及距离海缆的距离进行预警。
14.本发明进一步的改进在于：所述岸基雷达安装在海上升压站处。
15.本发明进一步的改进在于：所述利用岸基雷达测量测量范围内的船只的雷达航迹信息的步骤中，所述雷达航迹信息包括船只的距离、方位、航速、航向信息；
16.所述获取船只自动识别系统ais播发的船只的ais航迹信息的步骤中，所述ais航迹信息包括：船只呼号、船名、船型、船长、船宽的静态信息，以及船位、航速、航行的动态信息。
17.本发明进一步的改进在于：所述将船只的雷达航迹信息和ais航迹信息的时间和空间坐标统一的步骤中，具体的通过球体模型变换将ais航迹信息变换到与岸基雷达一致的极坐标系中；
18.采用内插值法或外推法实现岸基雷达和ais时间的同步。
19.本发明进一步的改进在于：所述对时间和空间坐标统一后的雷达航迹信息和ais航迹信息进行关联的步骤具体包括：
20.步骤4.1、岸基雷达航迹r
i
与ais中的所有航迹做关联分析，找到落在设定波门内的所有航迹集a’；
21.步骤4.2、计算a’中各航迹与r
i
的最近邻判据：
[0022][0023]
找到ρ值最小的ais航迹，记为a
j
；
[0024]
步骤4.3、计算a
j
与岸基雷达航迹集合r中所有航迹的最近邻判据，找到值最小的岸基雷达航迹，记为r
p
；
[0025]
步骤4.4、如果i＝p，则a
j
与r
p
相关联；如果i≠p，说明r
i
在a中没有关联航迹；
[0026]
重复步骤4.1
‑
4.4，直至遍历岸基雷达航迹集合r；
[0027]
其中，岸基雷达航迹集合r＝{r1,r2……
r
n
}，ais航迹集合a＝{a1,a2……
a
m
}；特征量d
r
、θ
r
、sog
r
和cog
r
分别为岸基雷达探测目标的距离、方位、航速和航向；d
a
、θ
a
、sog
a
和cog
a
分别为ais报告的目标相对于岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以岸基雷达为中心，分别与ais中的所有航迹做关联分析，当四个特征值之差落在波门内时进行最近邻判断：
[0028][0029]
dd、dθ、dsog和dcog分别是距离、方位、航速和航向的波门设定值。
[0030]
本发明进一步的改进在于：所述对关联航迹中ais航迹信息和雷达航迹信息进行融合，获得目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向的步骤，具体包括：
[0031]
t时刻航迹真值为x，岸基雷达测量值是x1，测量误差的方差值为加权系数为w1，ais测量值为x2，测量误差的方差值为加权系数为w2，融合后的真值是x；
[0032]
[0033]
总体计算方差σ2计算公式为：
[0034][0035]
使得协方差最小时，加权系数的计算公式分别为：
[0036][0037]
得到融合后目标k距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向：
[0038][0039]
本发明进一步的改进在于：所述根据目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以及距离海缆的距离进行预警的步骤中，通过甚高频设备或者高音喇叭对船只进行预警驱离。
[0040]
第二方面，本发明提供一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统，包括：
[0041]
第一数据获取模块，用于获取岸基雷达测量测量范围内的船只的雷达航迹信息；
[0042]
第二数据获取模块，用于获取船只自动识别系统ais播发的船只的ais航迹信息；
[0043]
统一模块，用于将船只的雷达航迹信息和ais航迹信息的时间和空间坐标统一；
[0044]
关联模块，用于对时间和空间坐标统一后的雷达航迹信息和ais航迹信息进行关联，获得关联航迹；
[0045]
融合模块，用于对关联航迹中ais航迹信息和雷达航迹信息进行融合，获得目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向；
[0046]
预警模块，用于根据目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以及距离海缆的距离进行预警。
[0047]
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
[0048]
1、本发明实现基于雷达和ais航迹信息的海缆锚害保护，降低了海缆因船锚出现的损失；
[0049]
2、采用最近邻方法实现了雷达和ais航迹的关联，实现两者信息的互补，方法简单高效，准确性高，易于工程实际应用；
[0050]
3、采用了自适应加权航迹融合算法实现雷达和ais航迹信息的融合，对船只定位、航向航速的分析更加准确。
[0051]
4、通过融合ais与岸基雷达的监测信息，实现两种传感器信息的互补，从而可以达到对海缆锚泊危害的全面监测。
附图说明
[0052]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0053]
图1为本发明基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护方法的流程图；
[0054]
图2为航迹信息关联算法原理图；
[0055]
图3为本发明基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统的结构框图。
具体实施方式
[0056]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0057]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0058]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0059]
下面结合附图对本发明做详细叙述。
[0060]
实施例1
[0061]
请参阅图1和图2所示，本发明提供一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤1：利用安装在海上升压站处的岸基雷达测量测量范围内的船只雷达航迹信息：距离、方位、航速、航向信息；
[0063]
步骤2：船只自动识别系统ais按照设定的时间间隔播发船只的ais航迹信息；包括：船只呼号、船名、船型、船长、船宽的静态信息，以及船位、航速、航行的动态信息；
[0064]
步骤:3：将船只的雷达航迹信息和ais航迹信息的时间和空间坐标统一：
[0065]
将ais航迹信息通过球体模型变换到与岸基雷达一致的极坐标系中，再通过投影变换得到ais相对于岸基雷达的径向速度；
[0066]
采用内插值法或外推法实现岸基雷达和ais时间的同步：因为岸基雷达扫描周期固定，为减小计算量以岸基雷达扫描时间为中心，固定时间间隔t，当ais播报时间间隔大于t时采用内插值法；当ais播报时间间隔小于t时采用外推法，具体公式为：
[0067][0068]
其中λ
ai
(t)和φ
ai
(t)分别是中心时刻t的经度和纬度信息；
[0069]
λ
ai
(k
ai
)和φ
ai
(k
ai
)分别是时刻k
ai
的经度和纬度信息；
[0070]
λ
ai
(k)和φ
ai
(k)分别是时刻k的经度和纬度信息；
[0071]
sog
ai
(k
ai
)和cog
ai
(kai)分别是时刻k
ai
的航速和航向信息。
[0072]
步骤4：对时间和空间坐标统一后的雷达航迹信息和ais航迹信息进行关联：岸基雷达航迹集合r＝{r1,r2……
r
n
}，ais航迹集合a＝{a1,a2……
a
m
}，选取特征信息作为关联的
依据，特征量d
r
、θ
r
、sog
r
和cog
r
分别为岸基雷达探测目标的距离、方位、航速和航向；d
a
、θ
a
、sog
a
和cog
a
分别为ais报告的目标相对于岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以岸基雷达为中心，分别与ais中的所有航迹做关联分析，当四个特征值之差落在波门内时才进行最近邻判断：
[0073][0074]
dd、dθ、dsog和dcog分别是距离、方位、航速和航向的波门设定值；
[0075]
步骤4.1、岸基雷达航迹r
i
与ais中的所有航迹做关联分析，找到落在设定波门内的所有航迹集a’；
[0076]
步骤4.2、计算a’中各航迹与r
i
的最近邻判据：
[0077][0078]
找到ρ值最小的ais航迹，记为a
j
；
[0079]
步骤4.3、计算a
j
与岸基雷达航迹集合r中所有航迹的最近邻判据，找到值最小的岸基雷达航迹，记为r
p
；
[0080]
步骤4.4、如果i＝p，则a
j
与r
p
相关联；如果i≠p，说明r
i
在a中没有关联航迹；
[0081]
重复步骤4.1
‑
4.4，直至遍历岸基雷达航迹集合r。如果有关联航迹，则进入步骤5，否则结束。
[0082]
步骤5：对关联航迹中ais航迹信息和雷达航迹信息进行融合：t时刻航迹真值为x，岸基雷达测量值是x1，测量误差的方差值为加权系数为w1，ais测量值为x2，测量误差的方差值为加权系数为w2，融合后的真值是x。x1和x2相互独立，且是真值的无偏估计。采用加权协方差方法确定加权系数w1和w2：
[0083][0084]
总体计算方差σ2计算公式为：
[0085][0086]
使得协方差最小时，加权系数的计算公式分别为：
[0087][0088]
得到融合后目标k距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向：
[0089][0090]
步骤6：设定海缆保护的电子围栏，根据融合后的船只k航向、航速，以及距离海缆的距离进行分级报警，对于威胁海缆运行安全的船只采用甚高频设备示警驱离，对于未安装甚高频设备的船只采用定向高音喇叭进行喊话示警驱离。
[0091]
实施例2
[0092]
请参阅图3所示，本发明提供一种基于ais和雷达信息融合的海上风电场海缆保护系统，包括：
[0093]
第一数据获取模块11，用于获取岸基雷达测量测量范围内的船只的雷达航迹信息；
[0094]
第二数据获取模块12，用于获取船只自动识别系统ais播发的船只的ais航迹信息；
[0095]
统一模块13，用于将船只的雷达航迹信息和ais航迹信息的时间和空间坐标统一；
[0096]
关联模块14，用于对时间和空间坐标统一后的雷达航迹信息和ais航迹信息进行关联，获得关联航迹；
[0097]
融合模块15，用于对关联航迹中ais航迹信息和雷达航迹信息进行融合，获得目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向；
[0098]
预警模块16，用于根据目标距离岸基雷达的距离、方位、航速和航向，以及距离海缆的距离进行预警。
[0099]
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、装置、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、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0100]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置、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。
[0101]
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。
[0102]
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。
[0103]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。