船舶适航预警系统及预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种船舶适航预警系统及预警方法，特别是，适用于内河航运的船舶 适航预警系统及预警方法。
【背景技术】
[0002] 天然河道是指能进行水上运输的天然河流，而内河水道是指天然河道、运河、湖 泊、水库等的统称。在水道中，具有一定的深度、宽度、净空尺度、弯曲半径，并且可以给船舶 提供一个安全航行环境的水域称之为航道。
[0003] 在科学提高航运安全与效率方面，当前主要采用基于二维矢量电子航道图辅以一 系列决策分析系统对内河通航情况进行分析与管理，如何利用先进的空间信息技术与航道 水流模型更高效的实现内河航道中船舶的信息查询、定位、监控、预警以及救援，为航运安 全管理提供更高效的信息化管理手段，将内河航运事业向科学化、智能化发展，将是数字化 航运建设的目标和方向。
[0004] 在通航水流条件方面，当前电子航道图的水位数据多来自于沿江水位站点的监测 信息，结合航道地形，通过内插计算的方式提供通航水深等值线。一方面通过监测站点水位 内插的方式存在计算精度与时效性问题，会导致航道水深的时间与空间分辨率较低；另一 方面水深仅仅是影响通航的因素之一，水流流速分布特征（流速大小，横流、涡流等流态特 征）对通航安全与效率同样具有不可忽视的影响。但现有技术中，缺乏流速分布信息的显 示，一般仅用站点的水位信息表示航道的水深状况，使船舶的驾驶者很难了解到水流的流 速大小与流态。对通航水流的模拟研宄集中于航道整治工程评价方面，为通航提供实时流 速水深分布的研宄未见报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种船舶适航预警系统，其特征在于，包括船舶监控与数 据传输模块、航道信息实时查询模块、适航区分布模块。
[0006] 在本发明中，所述船舶监控与数据传输模块包括船载终端、中心服务器、船舶监控 信息管理子系统。
[0007] 在本发明中，所述船载终端包括GPS接收机、通讯模块、天线和电源。
[0008] 在本发明中，所述中心服务器包括无线串口装置与数据库，用于通过所述通讯网 络接收并解析来自所述船舶终端的定位信息，再将所述定位信息存储在数据库中。
[0009] 在本发明中，所述中心服务器还包括用于建立三维航道环境，整合、显示真实航道 的各类航道要素的三维可视化模块，实现船舶基于GPS数据航行的可视化。
[0010] 在本发明中，所述定位信息包括位置信息、航速、航向。
[0011] 在本发明中，所述航道信息实时查询模块将通航相关的信息进行三维综合展示， 同时与水情监测数据与二维水动力学模型相结合，为船舶通航提供实时的流速水深分布。
[0012] 本发明的目的在于还提供一种船舶适航预警方法，所述的预警系统实现适航预 警。
[0013] 通过本发明的预警系统，可以实时监控船舶的航行状态，再将获得的信息反馈至 船舶终端，让船舶操作员了解船舶航行状态，能够及时对可能出现的危险进行有效预判，具 有监控预警与应急处理的效果，从而避免安全事故的发生。同时，通过本发明的预警系统绘 制的适航区域，可以掌控当前水流条件下适合该船航行的区域，帮助船舶确定是否航行在 适航区域内，是否有撞船、搁浅等危险，及时调整航向并采取合理有效的措施减少危险发生 的几率，从而降低船舶事故发生的几率，进而实现船舶预警效果。
【具体实施方式】
[0014] 下面，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，需要说明的是，在本文中， 术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列 要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要 素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0015] 本发明所述的船舶适航预警系统，包括船舶监控与数据传输模块、航道信息实时 查询模块、适航区分布模块。所述船舶监控与数据传输模块包括船载终端、中心服务器、船 舶监控信息管理子系统。所述船载终端包括GPS接收机、通讯模块、天线和电源。所述中心 服务器包括无线串口装置与数据库，用于通过所述通讯网络接收并解析来自所述船舶终端 的定位信息，再将所述定位信息存储在数据库中。所述中心服务器还包括用于建立三维航 道环境，整合、显示真实航道的各类航道要素的三维可视化模块，实现船舶基于GPS数据航 行的可视化。其中，所述定位信息包括位置信息、航速、航向。所述航道信息实时查询模块 将通航相关的信息进行三维综合展示，同时与水情监测数据与二维水动力学模型相结合， 为船舶通航提供实时的流速水深分布。
[0016] 在本发明中，基于实时数据的通航能力分析是船舶预警系统的关键，本发明的发 明人，经潜心研宄，结合航道的水位、流速、流量与跨河建筑物等信息，船舶的属性参数信息 (尺寸、航速、航向角、吃水等）与航道信息（水位、流速、流量等）等，利用三维空间分析与 计算方法，分析确定船舶通航能力的变化，使得船舶在所通航的水域内，在充分的了解航道 信息的情况下，能够更安全的航行在适合的航道上，与此同时，可以避免航道内的船舶由于 缺乏信息盲目行进而导致的船舶搁浅、相撞等安全事故的发生，保证各类船舶航行的安全。
[0017] 在本发明中，按照以下方法获取船舶实时数据，GPS卫星不间断的向外发送星历信 息与时间信息，船舶终端接收到上述信息并经过计算，可以得到船舶的三维坐标、航速与航 向，船载终端通过GPS接收机获取实时定位信息，如经炜度、航速、航向角，将信息发送并存 储至网络数据库。当监控端向网络数据库发送请求时，数据库就可以向监控端返回选中船 舶的实时定位信息。然后，根据获得的位置信息（经炜度），在数值流场网格数据中寻找节 点，若该位置信息没有节点，则寻找离当前位置信息最近的节点信息作为当前位置的节点 信息，该过程实现方式如下：
[0018] 首先，输入流场的网格信息与流速信息，获得流场中每个节点的位置信息与流速 信息。位置信息包括x、y，流速信息包括u、v、h。其中x表示节点的经度，y表示节点的炜 度，u表示沿炜度方向的流速，v表示沿经度方向的流速，h表示水深。
[0019] 其次，根据获得的船舶位置计算船舶与每个节点的距离，取最近节点的水流流速 U、v，作为该船舶所处位置的水流流速u、v。在这里，该船舶所在位置的流速信息（U。）则可 以通过下式（1)进行计算：
[0020] a=VU2 -V- (1)
[0021] 而流向角（0)则是船舶所在位置节点的水流流向与航道中心线之间的夹角，在 这里，可以获得船舶所处位置的水流条件（流速，流向角），根据船舶位置，从数据库中获取 当前位置的水情信息（水位、流量等），水情信息是在不断更新中，因此不同的时间段即使 是同一位置，水情信息也会不同，水情信息的更新频率随水文站点信息的更新频率而变化。
[0022] 最终，获得上述数据之后，就可以判断船舶通航能力，得出在当前条件下船舶所能 通过的最小通航尺度，通常包括水深、净高（跨）、流速、航宽与曲率半径，以此作为后续船 舶安全预警的数据基础。
[0023] 在本发明中，航道信息实时查询模块是船舶适航预警系统的核心模块，主要用于 建立三维航道环境，整合、显示真实航道的所有航道要素，为船舶直观地显示航道的空间信 息。可以在虚拟航道环境内任意变动位置，调节视角与焦距的大小，以查看各个航道的要 素。同时，系统提取二维电子航道图要素，在三维航道环境对其进行显示，实现二维与三维 电子航道图的有机结合。
[0024] 此外，可视化模块根据监测的船舶定位信息对船舶的航行进行模拟，显示船舶附 近水域的交通状况，为船舶提供导航服务。
[0025] 在本发明中，水流模拟模块是航道信息实时查询模块的一个核心模块，主要用于 通航水流条件的模拟。水流模拟模块建立二维水动力学模型，将实测的水情数据（主要是 上下游水文站点的监测数据）输入水动力模型，通过划分非结构性网格的方法求解出每个 网格点的水深与流速，再进行插值计算，绘制三维水流模型，模拟真实水流条件，最后通过 等深线与流场可视化等方式显示航道的实时水深与流速分布情况。此外，为了保证模拟水 流条件具有较好的实时性，水流模拟模块分别使用了基于OpenMP的并行计算法和建立水 流模拟方案库法，加快数值模型的计算求解。
[0026] 在本发明中，河道水流模拟不仅可以为船舶提供水位水深信息，而且还提供了影 响船舶航行的另一个重要因素，即水流流态。基于河流二维水动力学模型计算，首先需使用 合适的离散方式对研宄区域进行划分，分解成多边形网格；然后，基于水动力学的河流数值 模型进行河道水流模拟，模拟结果包括整个研宄区域内各个多边形节点处的水流流速场、 水深；最后，根据河流模拟采用的多边形网格与计算的各个节点的水流流速与水深信息，通 过等深线、纹理流场和粒子系统的方式实时的进行绘制和展现，具体内容如下：
[0027] (1)等深线或者等深面：在现有数据的基础之上，对结果进行各类的模拟科学可 视化，等深线或者等深面就是其中具有代表性的一类，它不仅可以显示地形的高低起伏，而 且还能根据其疏密等判断地形地貌的类型以及坡降陡缓等。等深线或者等深面的显示主要 是通过多个固定水深值的面去切割已有的网格地形，通常将四边形网格分成四个三角形网 格，以便于计算，再根据不同的水流方案计算对其进行矢量化显示，不同的水深值可以切割 出不同的等深线，颜色梯度采用标准的航道等深线标准进行显示。与传统的二维等深线不 同的是，该等深线是一个具有三维效果的等深线，依据实际的水面高程进行显示，在滩地等 无水地区将滩地裸露，更逼真的展示了等深线的三维效果。
[0028] (2)基于纹理图像的流场可视化：无论是水面高精度影像贴图还是水深分布图， 都只能表达河流的形态，但是河流的水流流态却没有得到体现，在水流流动的模拟方面显 得生硬，因此，水流流态的模拟成为提高水流可视化方面的重点研宄对象，通过基于纹理图 像的流场可视化方式模拟动态水流，与以往的以流场网格离散数据点为研宄对象的可视化 方法不同，其将整个流场作为研宄对象并以图像的变形流动替代质点的平流，核心思想是 基于流场中质点的运动，以背景图像的运动变形替代以往的质点运动来展示流场状态，是 一种宏观图形表现微观粒子运动的方法。绘制步骤如下：
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