本发明属于航海驾驶技术领域，尤其涉及一种面向轮渡航行安全驾驶的人工智能驾驶辅助终端。
背景技术
国际上船舶行业目前投入重金用于船舶信息化，且结合工业4.0和智能制造，推动的是整个相关产业的发展，其次，在软件的开发上，用于人工交互的考虑较少，再获取数据后，后台的分析不够到位，目前在做的，大多数能实现的，只是前端数据的采集。在数据监控平台的操作软件比较简单，基本停留在简单的数据获取，然后配备存储系统。所以，目前可能需要解决前端数据分析系统，软件交互的提升和性能拓展，这也是船舶智能信息化的基础。
而我国的船舶智能化技术刚刚起步，近几年，在对船舶智能系统研制在不断的加快；《中国制造2025》提出的战略要求，也已经开始了对船舶智能化的顶层设计和研究工作。因此，我国开始在船舶智能化系统制造领域加大投入和研发力度，以占据这一大市场。
目前，我国水上安全驾驶目前的技术方案已经远远落后于实际需要，目前的汽渡航行驾驶还需要大量的人工和人眼观察，夜间、大雾、大雨等能见度不足的不良天气条件下，轮渡无法保证航行安全，只好停运；且较少能对过往船舶状态实时精确感知，不能有效的预判和预警碰撞或者倾覆的风险，避免事故的发生。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提出一种船载智能驾驶辅助终端，实现航行数据的实时、全面、高精度的采集。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：船载智能驾驶辅助终端，包括分别与智能船舶电控主机相连的信息感知系统、数据传输系统和显示终端。
智能船舶电控主机：包括组合装在一个机柜里的渲染主机、数据处理主机、交换机。
信息感知系统包括环境感知系统、船体自身感知系统，环境感知系统包括雷达、ais、高精度摄像头，环境感知系统实施采集的信息包括过往船舶速度、距离、航向信息；船体自身感知系统包括差分gps、惯导、机舱数据plc采集系统；船体自身感知系统实时采集的信号包括：主机转速、螺旋桨转速、舵角信号、油门信号、船舶当前位置、航向、轨迹信息、主机报警信号和发电机报警信号等。每一部分通过相应传感器，实现航行数据的实时、全面、高精度的采集，通过智能电控主机的信息高度融合，使得在瞬息万变的渡航环境中及时发现险情成为可能。
智能船舶电控主机把得到的船舶航行信息进行融合处理后，通过内置的人工智能系统的分析，以三维的方式在显示终端进行展示；
数据传输系统包括船体内部的数据集中和船岸双端信息互联。
雷达包括海事雷达、激光雷达，环境感知系统还包括流速传感器和/或激光夜视仪。
船舶自身状态感知和自动诊断：智能船舶电控主机可以采集到船舶自身的主机转速、螺旋桨转速、舵角信号和油门信号等信息，同时通过感知系统实时的获取船舶当前位置、航向和轨迹信息，还可以采集到气象与水文信息(流速、流向)。通过这些数据信息，判断船舶的运转是否正常，如果某一个采集的信号不正常，则通过该信号对应设备的内在信息参数对比，发现问题所在并达到诊断的目的；信息的抓取，通过人工智能系统中plc等信息处理以及信息融合技术获得并进行分析。智能船舶电控主机通过分析船舶的轨迹，航向以及主机转速，舵角信号等信息识别主机停转，操舵失灵等故障，并判断船舶是否处于安全可控状态。
数据传输系统包括船体内部的数据集中和船岸双端信息互联，其中数据的内部传输使用有线传输与局部wifi传输相结合的方式，船岸段数据传输则主要通过无线通讯设备传输。通过渡轮无线网桥与岸端进行通讯；在通信链路中断的时候，使用备用数传电台进行通讯。
船舶防碰撞以及近距离声光预警：针对汽渡船舶碰撞风险高，事故损失大的特点，本终端在对自身船舶以及周围船舶位置、速度、航向全方位感知的基础上，利用风险分析及评估方法，建立了风险感知与认知模型，该模型可以快速分析航行态势，评估当前的碰撞风险，实现船舶防碰撞以及近距离声光预警。上下游来船数量过多，进行预警：通过雷达感知，设置一个报警阈值，他船数量超过阈值后，声光预警；海巡艇、油轮、海轮等特种船舶预警：指定预警距离，明确告知特种船到了多远开始报警；测量跟随航行船舶之间的距离，达到阈值报警：指定报警阈值，有效距离100米。100米内受限于雷达功能，无效；其他船只离船舶过近产生预警：激光雷达有效距离150米，到指定距离触发报警。
船舶穿越航道辅助与预警：汽渡船舶最常见也是最重要的工况是穿越航道，由于汽渡在穿越航道时需要主动避让过往船舶，且在繁忙的航道，多数情况是从两艘或多艘船舶中间的“空档”穿越通过，因此，获取穿越相关船舶位置、航速、航向以及相互之间的距离信息尤为重要。本系统可以及时自动获取在航船舶周边所有船舶的动态信息，分析提取可穿越“空档”，并通过风险评估，对船舶穿越行为进行风险预警。
避碰的核心问题就是解决相对运动船舶的相互迫近问题，要让运行船舶尽量保持一个安全的距离，避免碰撞。如果是相互背离，那就变得越来越安全。核心在于解决相互迫近时的避让措施。并加以航行规划设计，规避危险。
对于本船周边船舶或物体，探测出其他物体或者船舶对于本船的运动趋势；
对于与本船运动趋势是远离的其他船舶，将其视为安全性在提高，不作为避碰的关注对象；
对于与本船维持距离不变的其他船舶，判断是随行还是平行航行，如果是在前进方向，或者是在后面尾随方向，只要两船之间的间距保持在合理安全范围内，则可以不需要特别关注，如果间距较小，作出安全预警；如果是在平行伴行情况下，测试两船之间的距离，根据距离情况结合船舶航速以及回转半径、水域环境来界定两船状态是否安全；
对于其他船只或者多船在向本船迫近，判定可能发生碰撞的危险，作出安全预警。
本船对周边船舶航行态势的感知以及运动趋势的分析判断：
通过雷达扫描及ais信号的探测，获得周边船舶的态势，感知到周边船舶的存在与状态；通过雷达不间断的扫描，融合gps或北斗的差分定位，获取周边船舶以及本船的位置并据此获得各船的运动轨迹与趋势，获取到各船的相对速度及其与本船之间的相对距离；
以本船为中心，设定好船舶前进方向为船艏向，设定一个测距的参数值，作为测距的辐射半径，以本船为圆心，进入范围内的其他船舶作为观察对象；在船舶前进方向上，以半圆辐射的方式，捕获其他船舶的航行态势以及对应的各船之间的间距。在需要做穿越航道的航行时，通过本船为圆心，通过两船与本船之间的夹角测算出两船之间的空档间距，判定哪一个空档对于本船的穿越更加安全。
不良驾驶行为监管：通过记载驾驶员的驾驶行为以及驾驶时遇到的实际情况来分析评估是否存在不良驾驶行为。当驾驶过程中出现距离过近，危险穿越，或者船舶面临倾斜倾覆风险时，当时的驾驶行为是怎样的，在遇到这类即将出现危险的局面时，调度室可以及时提醒驾驶员船长，及时纠正不良行为，或者在一定时间内对前期驾驶行为进行统计分析。对于不良驾驶行为予以警告和纠正。
分析存储的问题：现阶段是通过服务器存储，还有阿里云存储。
分析：系统自动记录驾驶人员的操舵行为等驾驶方式，在通过积累大量数据后，提取出现窘迫局面时候驾驶员的操作，以及对比系统智能决策应对的驾驶方式；分析驾驶员有没误操作，或者频繁操舵，或者转舵角度过大等问题，抑或延迟操舵等行为，我们可以提取出来良好的安全应对策略和操作方式。
作为优选，本终端把船舶的驾驶场景使用三维场景实时显示技术，我们采用的unity3d虚拟现实技术，就是游戏的仿真平台数字化显示，这个技术首次用在搭建船舶驾驶场景。在电子海图的基础上，通过智能船舶电控主机里船舶专用的plc信息采集模块采集雷达或ais等多传感器的信息，生成船舶驾驶电子信息数据库，实地拍摄视景预处理建模，通过数据处理主机里信息处理显示模块进行信息处理和融合，使用3d建模工具对融合后的数据库进行数字化仿真并渲染，生成unity3d平行仿真画面。
作为优选，人工智能系统还包括客户信息管理模块，根据汽渡渡运的需求，模块包括报警、监控、检测、交通指挥等。
作为优选，显示终端位于船舶的驾驶台，智能船舶电控主机位于驾驶室，雷达天线和高精度摄像头放置于船舶顶部。
本发明具有以下有益效果：本发明以实时航道船舶状态数据为基础，三维立体显示界面为载体，以汽渡渡运风险模型为依据，给出了提高汽渡渡运安全性的新思路；解决了能见度不足无法保障航行安全的问题，船舶状态实时精确感知，对碰撞、倾覆风险能够有效预判、预警，为船舶的驾驶提供更多的智能服务，提升驾驶安全性以及航运管理的能效。与现有的汽渡安全辅助系统解决方案(大港汽渡)相比，本发明具有明显优势：
(1)增强了汽渡船舶感知能力。给出了自身与环境一体的感知体系解决方案，避免了驾驶员以及监管人员对航行状态观测的不足；
(2)给出了渡运风险计算模型。该风险计算模型可以辅助驾驶员防止船舶发生碰撞事故，同时为人工智能决策打下了基础；
(3)提供了三维立体化数据显示方法。三维立体可视化显示，避免了各数据的分离显示，提高了数据的易读性和时效性，降低了驾驶员的劳动强度；
(4)实现了实时防碰撞预警功能。基于信息感知系统与风险计算模型，设计了实时防碰撞预警功能，可以降低汽渡船舶碰撞概率。
附图说明
图1为本发明实施例的船载智能驾驶辅助终端信号流程分布框图。
图2为本发明实施例的船载智能驾驶辅助终端结构图。
图3为本发明实施例的船载智能驾驶辅助终端辅助穿越示意图。
图4为本发明实施例的船载智能驾驶辅助终端穿越航道辅助与预警示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
船舶安全涉及的问题较为复杂，其中不仅包括对船舶自身的感知问题，还包括对过往船舶的感知与碰撞风险预警，同时还涉及到各种气候环境下船舶穿越航道的问题以及对船舶驾驶行为和通航环境的监管问题。要切实解决汽渡安全问题，的船载智能辅助终端需要解决以下问题：
(1)汽渡船舶自身状态感知和自动诊断：需要及时主动获取汽渡船舶位置、舵角、航迹、主机转速以及通航环境等信息，实现船舶航行状态感知与监控、主机故障诊断以及船舶大漂移提醒警示灯。
(2)过往船舶速度、距离获取：获取过往船舶速度、距离、航向等信息，为驾驶员避让过往船舶以及穿越航道提供参考。
(3)汽渡“穿档”智能规划与防碰撞预警：根据当前航行状态，以及对周边航行环境的感知，自动求解最优的“穿档”规划，对碰撞危险提前预警，补充人工判断的不足，避免碰撞的发生。
(4)不良驾驶行为监管：获取、记录驾驶员驾驶行为，辅助监管部门发现不良驾驶行为，及时纠正，避免发生事故。
穿越航道辅助：获取穿越航道过程中相关会遇船舶信息，辅助驾驶员进行穿越以及避让决策。
船载智能驾驶辅助终端的硬件部分主要由智能船舶电控主机、雷达天线、高精度摄像头以及两个显示器构成。其中两个显示器位于船舶的驾驶台，智能船舶电控主机位于驾驶室，雷达天线和高精度摄像头放置于船舶顶部。
船载智能辅助终端的处理核心为智能船舶电控主机，其通过模拟量、开关量采集模块来获取船舶的主机转速、螺旋桨转速、舵角信号、油门信号、主机报警信号和发电机报警信号；通过导航系统(ais、gps、罗经、雷达)来获取航行船舶的外部环境信息；通过渡轮无线网桥与岸端进行通讯；在通讯链路中断的时候，使用备用数传电台进行通讯。智能船舶电控主机把得到的船舶航行信息进行融合处理后，再通过内置的人工智能系统的分析，以三维的方式在船端进行展示。人工智能系统的分析中包含的算法有：船用信息及底层控制plc技术、雷达视频识别核心算法、雷达、ais等信息融合技术、三维场景实时显示技术及客户管理信息技术等。船舶自身状态感知和自动诊断：通过抓取船舶自身设备的运转信号，提取相关运行的信息，感知到船舶本身的运行参数和技术状态，并通过这些数据信息，判断船舶的运转是否正常。如果某一个设备传送过来的信息不正常，则通过设备以及系统的内在信息参数对比，发现问题所在并达到诊断的目的。这些信号信息的抓取，通过plc等信息处理以及信息融合技术获得并进行分析。
如图1所示，船舶自身状态感知与诊断：采集主机转速，舵角信息；获取船舶当前位置、航向、轨迹信息；主机停转、操舵失灵等故障诊断。本船航行轨迹，误差范围不超过5％。
船舶外部环境感知：获取过往船只船速、航向；获取各船舶离本船距离，以及船舶之间的距离；获取汽渡船舶当前位置水流流速、流向。
当前视角方位信息，误差范围不超过3°；
船舶碰撞、近距离声光预警，提供不少于5个等级。
“空档”距离、趋势判断，误差范围在20米以内；
智能船舶电控主机可以采集到船舶自身的主机转速、螺旋桨转速、舵角信号和油门信号等信息，同时本终端可以通过信息感知系统实时的获取船舶当前位置、航向和轨迹信息，还可以采集到气象与水文信息(流速、流向)。驾驶人员可以通过显示器实时监控上述信息，及时的发现安全隐患，防范未然。智能船舶电控主机通过对船舶的轨迹，航向以及主机转速，舵角信号等信息的分析可以对主机停转，操舵失灵等故障进行分析，也可以判断船舶是否处于安全可控状态。
终端的硬件主要由信息感知系统、数据传输系统和显示终端组成。其中由各类传感器有机结合形成的信息感知系统是主要的硬件组成单元，包括由海事雷达、ais、激光雷达、高精度摄像头和流速传感器组成的环境感知系统及由差分gps、惯导、机舱数据plc采集系统组成的船体自身感知系统两部分。每一部分通过相应传感器，实现航行数据的实时、全面、高精度的采集，使得在瞬息万变的渡航环境中及时发现险情成为可能。数据传输系统包括船体内部的数据集中和船岸双端信息互联两部分，其中数据的内部传输使用有线传输与局部wifi传输相结合的方式，船岸段数据传输则主要通过4g无线通讯设备传输。助航显示终端由多块高清晰度触控显示屏组成，用于实时展示当前的船舶航行状态并对当前的碰撞风险和辅助决策指令与驾驶人员进行交互式展示。激光测距雷达或激光夜视仪则可以在雾霾、夜间等视觉不良条件下提供视觉增强辅助。主要的硬件系统结构图如图2所示。
相比汽渡船舶现有感知系统，本系统通过信息融合技术，增强了船舶感知能力。同时，本实施例的终端把船舶的驾驶场景全部通过雷达视频识别核心算法、底层控制plc技术、以及雷达、ais等信息融合技术，实现三维场景的平行仿真。相比传统二维、分离式数据显示方式，本系统提供了平行三维环境作为感知信息和辅助信息显示的载体，实现了各种信息统一无缝显示，避免了信息坐标系不统一，减轻了船舶驾驶员的工作强度。另外，系统提供了人机交互功能，可以通过自定义设置，实现个性化数据显示模式。
船舶防碰撞以及近距离声光预警：针对汽渡船舶碰撞风险高，事故损失大的特点，本系统在对自身船舶以及周围船舶位置、速度、航向全方位感知的基础上，利用风险分析及评估方法，建立了风险感知与认知模型，该模型可以快速分析航行态势，评估当前的碰撞风险，实现船舶防碰撞以及近距离声光预警。近距离声光报警：上下游来船数量过多，进行预警：通过雷达感知，设置一个报警阈值，他船数量超过阈值后，声光预警；海巡艇、油轮、海轮等特种船舶预警：指定预警距离，明确告知特种船到了多远开始报警；测量跟随航行船舶之间的距离，达到阈值报警：指定报警阈值，有效距离100米。100米内受限于雷达功能，无效；其他船只离渡轮过近产生预警：激光雷达有效距离150米，到指定距离触发报警。
如图3所示，船舶穿越航道辅助与预警：汽渡船舶最常见也是最重要的工况是穿越航道，由于汽渡在穿越航道时需要主动避让过往船舶，且在繁忙的航道，多数情况是从两艘或多艘船舶中间的“空档”穿越通过，因此，获取穿越相关船舶位置、航速、航向以及相互之间的距离信息尤为重要。本系统可以及时自动获取在航船舶周边所有船舶的动态信息，分析提取可穿越“空档”，并通过风险评估，对汽渡船舶穿越行为进行风险预警。
避碰的核心问题就是解决相对运动船舶的相互迫近问题，要让运行船舶尽量保持一个安全的距离，避免碰撞。如果是相互背离，那就变得越来越安全。核心在于解决相互迫近时的避让措施。并加以航行规划设计，规避危险。
如图4所示，船舶在水上(包括内河或者海上)航行时，可以简化模型、取其平面，暂不考虑水下因素，可以看到船舶在水上所处的环境主要就是水面、其他物体以及其他船舶，按照本船与其他物体或船舶的交汇情况，可以分成以下三类态势：
1.与其他水上物体或船舶迫近的关系；
2.与其他水上物体或船舶远离的关系；
3.与其他水上物体或船舶等距维持的关系。
根据船载雷达的工作探测，对于本船周边船舶或物体，可以探测出其他物体或者船舶对于本船的运动趋势。运动趋势使可以初步判断其他船舶或物体(以下统一简称“其他船舶”)对本船相碰的危险性。
对于与本船运动趋势是远离的其他船舶，会发现，其交会碰撞的可能性是越来越小，对于这类态势，可以将其视为安全性在提高，不作为避碰的关注对象。
对于与本船维持距离不变的其他船舶，视该船是在随行或者平行航行，在这两种情况下，就需要分别对待，做出精细的判断，以避免碰撞风险。
判断是随行还是平行航行，可以通过雷达显示，查看该船的方位，如果是在前进方向，或者是在后面尾随方向，只要两船之间的间距保持在合理安全范围内，则可以不需要特别关注，但如果间距较小，则需要提醒注意或者做安全预警、警示了；合理安全的间距范围需要根据各个船舶类型以及航速的情况设定不同的参数；如果是在平行伴行情况下，则需要通过雷达以及其他辅助设备测试两船之间的距离，根据距离情况结合船舶航速以及回转半径、水域环境(例如水流、风速)等外界因素来界定两船状态是否安全。
第三种态势就是其他船只或者多船在向本船迫近，也就是距离间距越来越小，在这样的态势下，其他船舶就会给本船带来危险，本船即将面临窘迫的局面，也就是会有可能发生碰撞的危险。
通过上述三种态势情况的分析，可以看出，本船对周边其他船舶的态势感知与运动趋势的分析判断是解决避碰问题的关键和核心。
如何解决本船对周边船舶航行态势的感知以及运动趋势的分析判断呢？
通过雷达扫描及ais信号的探测，可以获得周边船舶的态势，感知到周边船舶的存在与状态；通过雷达不间断的扫描，融合gps或北斗的差分定位，可以获取周边船舶以及本船的位置并据此获得各船的运动轨迹与趋势，经过计算，获取到各船的相对速度及其与本船之间的相对距离。
通过测距，可以看到距离的变化：是在远离，等距随行，还是在迫近？
以本船为中心，设定好船舶前进方向为船艏向，设定一个测距的参数值，作为测距的辐射半径，以本船为圆心，进入范围内的她船作为观察对象。
船舶在穿越河道航行时，航行在复杂的工况下，可以看到，本船会面临上水船舶以及下水船舶。
通过上述同心圆的平面设定，在船舶前进方向上，以半圆辐射的方式，可以轻易捕获上水和下水船舶的航行态势以及对应的各船之间的间距。在需要做穿越航道的航行时，通过本船为圆心，可以通过两船与本船之间的夹角测算出两船之间的空档间距。通过查看空档间距，可以看出哪一个空档更适合本船进行穿越航行，判定哪一个空档对于本船的穿越更加安全。
在穿越航道时，一旦本船与她船的间距低于安全距离时，系统会设定为预警模式，采取对应的分级报警模式进行声光电的报警，以提醒船长或驾驶者。这时，船长或者驾驶者可以采取减速、转向等方式来迂回，或者s型绕行，规避碰撞危险。
不良驾驶行为监管：通过记载驾驶员的驾驶行为以及驾驶时遇到的实际情况来分析评估是否存在不良驾驶行为。当驾驶过程中出现距离过近，危险穿越，或者船舶面临倾斜倾覆风险时，当时的驾驶行为是怎样的，在遇到这类即将出现危险的局面时，调度室可以及时提醒驾驶员船长，及时纠正不良行为，或者在一定时间内对前期驾驶行为进行统计分析。对于不良驾驶行为予以警告和纠正。
船载智能驾驶辅助终端是软硬件相结合的一套完整的船载航行安全智能辅助系统，整体功能主要包括利用地理、环境和自身三套信息感知系统实时全方位收集船舶的航行信息，随后利用信息融合技术，通过“航行脑”系统动态分析船舶当前的风险态势和运行环境，预测事故风险，及时对驾驶人员做出险情预警与安全驾驶建议，实现驾驶人员的内外部感知增强、险情预知、他船行为预判和决策提前的功能需求。
航行脑统称“轮渡安全驾驶智能辅助系统”，由岸基部分与船载部分(船载智能驾驶辅助终端)共同组成。船上驾驶室与岸上监控调度室互相联合，岸基全天候，三维动态的实时在线监管，对航区航行船舶的动态感知全覆盖，以辅助船舶的驾驶，是一个船岸协同的方案。
参照标准
1)imomsc.232(82)
2)imoa.694(17)
3)iec61162-1ed.4
4)iec61162-2ed.1
5)iec61162-450ed.1
6)iec61174ed.4
7)iec62288ed.2
8)imomsc.191(79)
9)iec60945.由于本设备无法归类到任何现有船舶导航设备之中，系统的船载设备制造标准，参照船舶导航设备型式认可要求iec60945执行。
10)中华人民共合国船舶行业标准cb/t4146-2011<船用计算机及外设船用环境适用基本准则，
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。