船舶適航預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種船舶適航預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警方法，特別是，適用于內(nèi)河航運(yùn)的船舶 適航預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然河道是指能進(jìn)行水上運(yùn)輸?shù)奶烊缓恿鳎鴥?nèi)河水道是指天然河道、運(yùn)河、湖 泊、水庫等的統(tǒng)稱。在水道中，具有一定的深度、寬度、凈空尺度、彎曲半徑，并且可以給船舶 提供一個(gè)安全航行環(huán)境的水域稱之為航道。
[0003] 在科學(xué)提高航運(yùn)安全與效率方面，當(dāng)前主要采用基于二維矢量電子航道圖輔以一 系列決策分析系統(tǒng)對內(nèi)河通航情況進(jìn)行分析與管理，如何利用先進(jìn)的空間信息技術(shù)與航道 水流模型更高效的實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道中船舶的信息查詢、定位、監(jiān)控、預(yù)警以及救援，為航運(yùn)安 全管理提供更高效的信息化管理手段，將內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)向科學(xué)化、智能化發(fā)展，將是數(shù)字化 航運(yùn)建設(shè)的目標(biāo)和方向。
[0004] 在通航水流條件方面，當(dāng)前電子航道圖的水位數(shù)據(jù)多來自于沿江水位站點(diǎn)的監(jiān)測 信息，結(jié)合航道地形，通過內(nèi)插計(jì)算的方式提供通航水深等值線。一方面通過監(jiān)測站點(diǎn)水位 內(nèi)插的方式存在計(jì)算精度與時(shí)效性問題，會(huì)導(dǎo)致航道水深的時(shí)間與空間分辨率較低；另一 方面水深僅僅是影響通航的因素之一，水流流速分布特征（流速大小，橫流、渦流等流態(tài)特 征）對通航安全與效率同樣具有不可忽視的影響。但現(xiàn)有技術(shù)中，缺乏流速分布信息的顯 示，一般僅用站點(diǎn)的水位信息表示航道的水深狀況，使船舶的駕駛者很難了解到水流的流 速大小與流態(tài)。對通航水流的模擬研宄集中于航道整治工程評價(jià)方面，為通航提供實(shí)時(shí)流 速水深分布的研宄未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種船舶適航預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，包括船舶監(jiān)控與數(shù) 據(jù)傳輸模塊、航道信息實(shí)時(shí)查詢模塊、適航區(qū)分布模塊。
[0006] 在本發(fā)明中，所述船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊包括船載終端、中心服務(wù)器、船舶監(jiān)控 信息管理子系統(tǒng)。
[0007] 在本發(fā)明中，所述船載終端包括GPS接收機(jī)、通訊模塊、天線和電源。
[0008] 在本發(fā)明中，所述中心服務(wù)器包括無線串口裝置與數(shù)據(jù)庫，用于通過所述通訊網(wǎng) 絡(luò)接收并解析來自所述船舶終端的定位信息，再將所述定位信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。
[0009] 在本發(fā)明中，所述中心服務(wù)器還包括用于建立三維航道環(huán)境，整合、顯示真實(shí)航道 的各類航道要素的三維可視化模塊，實(shí)現(xiàn)船舶基于GPS數(shù)據(jù)航行的可視化。
[0010] 在本發(fā)明中，所述定位信息包括位置信息、航速、航向。
[0011] 在本發(fā)明中，所述航道信息實(shí)時(shí)查詢模塊將通航相關(guān)的信息進(jìn)行三維綜合展示， 同時(shí)與水情監(jiān)測數(shù)據(jù)與二維水動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，為船舶通航提供實(shí)時(shí)的流速水深分布。
[0012] 本發(fā)明的目的在于還提供一種船舶適航預(yù)警方法，所述的預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)適航預(yù) 警。
[0013] 通過本發(fā)明的預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的航行狀態(tài)，再將獲得的信息反饋至 船舶終端，讓船舶操作員了解船舶航行狀態(tài)，能夠及時(shí)對可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行有效預(yù)判，具 有監(jiān)控預(yù)警與應(yīng)急處理的效果，從而避免安全事故的發(fā)生。同時(shí)，通過本發(fā)明的預(yù)警系統(tǒng)繪 制的適航區(qū)域，可以掌控當(dāng)前水流條件下適合該船航行的區(qū)域，幫助船舶確定是否航行在 適航區(qū)域內(nèi)，是否有撞船、擱淺等危險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整航向并采取合理有效的措施減少危險(xiǎn)發(fā)生 的幾率，從而降低船舶事故發(fā)生的幾率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶預(yù)警效果。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，需要說明的是，在本文中， 術(shù)語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列 要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要 素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。
[0015] 本發(fā)明所述的船舶適航預(yù)警系統(tǒng)，包括船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊、航道信息實(shí)時(shí) 查詢模塊、適航區(qū)分布模塊。所述船舶監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸模塊包括船載終端、中心服務(wù)器、船 舶監(jiān)控信息管理子系統(tǒng)。所述船載終端包括GPS接收機(jī)、通訊模塊、天線和電源。所述中心 服務(wù)器包括無線串口裝置與數(shù)據(jù)庫，用于通過所述通訊網(wǎng)絡(luò)接收并解析來自所述船舶終端 的定位信息，再將所述定位信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。所述中心服務(wù)器還包括用于建立三維航 道環(huán)境，整合、顯示真實(shí)航道的各類航道要素的三維可視化模塊，實(shí)現(xiàn)船舶基于GPS數(shù)據(jù)航 行的可視化。其中，所述定位信息包括位置信息、航速、航向。所述航道信息實(shí)時(shí)查詢模塊 將通航相關(guān)的信息進(jìn)行三維綜合展示，同時(shí)與水情監(jiān)測數(shù)據(jù)與二維水動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合， 為船舶通航提供實(shí)時(shí)的流速水深分布。
[0016] 在本發(fā)明中，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通航能力分析是船舶預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵，本發(fā)明的發(fā) 明人，經(jīng)潛心研宄，結(jié)合航道的水位、流速、流量與跨河建筑物等信息，船舶的屬性參數(shù)信息 (尺寸、航速、航向角、吃水等）與航道信息（水位、流速、流量等）等，利用三維空間分析與 計(jì)算方法，分析確定船舶通航能力的變化，使得船舶在所通航的水域內(nèi)，在充分的了解航道 信息的情況下，能夠更安全的航行在適合的航道上，與此同時(shí)，可以避免航道內(nèi)的船舶由于 缺乏信息盲目行進(jìn)而導(dǎo)致的船舶擱淺、相撞等安全事故的發(fā)生，保證各類船舶航行的安全。
[0017] 在本發(fā)明中，按照以下方法獲取船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，GPS衛(wèi)星不間斷的向外發(fā)送星歷信 息與時(shí)間信息，船舶終端接收到上述信息并經(jīng)過計(jì)算，可以得到船舶的三維坐標(biāo)、航速與航 向，船載終端通過GPS接收機(jī)獲取實(shí)時(shí)定位信息，如經(jīng)煒度、航速、航向角，將信息發(fā)送并存 儲(chǔ)至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)監(jiān)控端向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求時(shí)，數(shù)據(jù)庫就可以向監(jiān)控端返回選中船 舶的實(shí)時(shí)定位信息。然后，根據(jù)獲得的位置信息（經(jīng)煒度），在數(shù)值流場網(wǎng)格數(shù)據(jù)中尋找節(jié) 點(diǎn)，若該位置信息沒有節(jié)點(diǎn)，則尋找離當(dāng)前位置信息最近的節(jié)點(diǎn)信息作為當(dāng)前位置的節(jié)點(diǎn) 信息，該過程實(shí)現(xiàn)方式如下：
[0018] 首先，輸入流場的網(wǎng)格信息與流速信息，獲得流場中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息與流速 信息。位置信息包括x、y，流速信息包括u、v、h。其中x表示節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度，y表示節(jié)點(diǎn)的煒 度，u表示沿?zé)樁确较虻牧魉伲瑅表示沿經(jīng)度方向的流速，h表示水深。
[0019] 其次，根據(jù)獲得的船舶位置計(jì)算船舶與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，取最近節(jié)點(diǎn)的水流流速 U、v，作為該船舶所處位置的水流流速u、v。在這里，該船舶所在位置的流速信息（U。）則可 以通過下式（1)進(jìn)行計(jì)算：
[0020] a=VU2 -V- (1)
[0021] 而流向角（0)則是船舶所在位置節(jié)點(diǎn)的水流流向與航道中心線之間的夾角，在 這里，可以獲得船舶所處位置的水流條件（流速，流向角），根據(jù)船舶位置，從數(shù)據(jù)庫中獲取 當(dāng)前位置的水情信息（水位、流量等），水情信息是在不斷更新中，因此不同的時(shí)間段即使 是同一位置，水情信息也會(huì)不同，水情信息的更新頻率隨水文站點(diǎn)信息的更新頻率而變化。
[0022] 最終，獲得上述數(shù)據(jù)之后，就可以判斷船舶通航能力，得出在當(dāng)前條件下船舶所能 通過的最小通航尺度，通常包括水深、凈高（跨）、流速、航寬與曲率半徑，以此作為后續(xù)船 舶安全預(yù)警的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0023] 在本發(fā)明中，航道信息實(shí)時(shí)查詢模塊是船舶適航預(yù)警系統(tǒng)的核心模塊，主要用于 建立三維航道環(huán)境，整合、顯示真實(shí)航道的所有航道要素，為船舶直觀地顯示航道的空間信 息。可以在虛擬航道環(huán)境內(nèi)任意變動(dòng)位置，調(diào)節(jié)視角與焦距的大小，以查看各個(gè)航道的要 素。同時(shí)，系統(tǒng)提取二維電子航道圖要素，在三維航道環(huán)境對其進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)二維與三維 電子航道圖的有機(jī)結(jié)合。
[0024] 此外，可視化模塊根據(jù)監(jiān)測的船舶定位信息對船舶的航行進(jìn)行模擬，顯示船舶附 近水域的交通狀況，為船舶提供導(dǎo)航服務(wù)。
[0025] 在本發(fā)明中，水流模擬模塊是航道信息實(shí)時(shí)查詢模塊的一個(gè)核心模塊，主要用于 通航水流條件的模擬。水流模擬模塊建立二維水動(dòng)力學(xué)模型，將實(shí)測的水情數(shù)據(jù)（主要是 上下游水文站點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)）輸入水動(dòng)力模型，通過劃分非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的方法求解出每個(gè) 網(wǎng)格點(diǎn)的水深與流速，再進(jìn)行插值計(jì)算，繪制三維水流模型，模擬真實(shí)水流條件，最后通過 等深線與流場可視化等方式顯示航道的實(shí)時(shí)水深與流速分布情況。此外，為了保證模擬水 流條件具有較好的實(shí)時(shí)性，水流模擬模塊分別使用了基于OpenMP的并行計(jì)算法和建立水 流模擬方案庫法，加快數(shù)值模型的計(jì)算求解。
[0026] 在本發(fā)明中，河道水流模擬不僅可以為船舶提供水位水深信息，而且還提供了影 響船舶航行的另一個(gè)重要因素，即水流流態(tài)。基于河流二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，首先需使用 合適的離散方式對研宄區(qū)域進(jìn)行劃分，分解成多邊形網(wǎng)格；然后，基于水動(dòng)力學(xué)的河流數(shù)值 模型進(jìn)行河道水流模擬，模擬結(jié)果包括整個(gè)研宄區(qū)域內(nèi)各個(gè)多邊形節(jié)點(diǎn)處的水流流速場、 水深；最后，根據(jù)河流模擬采用的多邊形網(wǎng)格與計(jì)算的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水流流速與水深信息，通 過等深線、紋理流場和粒子系統(tǒng)的方式實(shí)時(shí)的進(jìn)行繪制和展現(xiàn)，具體內(nèi)容如下：
[0027] (1)等深線或者等深面：在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，對結(jié)果進(jìn)行各類的模擬科學(xué)可 視化，等深線或者等深面就是其中具有代表性的一類，它不僅可以顯示地形的高低起伏，而 且還能根據(jù)其疏密等判斷地形地貌的類型以及坡降陡緩等。等深線或者等深面的顯示主要 是通過多個(gè)固定水深值的面去切割已有的網(wǎng)格地形，通常將四邊形網(wǎng)格分成四個(gè)三角形網(wǎng) 格，以便于計(jì)算，再根據(jù)不同的水流方案計(jì)算對其進(jìn)行矢量化顯示，不同的水深值可以切割 出不同的等深線，顏色梯度采用標(biāo)準(zhǔn)的航道等深線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯示。與傳統(tǒng)的二維等深線不 同的是，該等深線是一個(gè)具有三維效果的等深線，依據(jù)實(shí)際的水面高程進(jìn)行顯示，在灘地等 無水地區(qū)將灘地裸露，更逼真的展示了等深線的三維效果。
[0028] (2)基于紋理圖像的流場可視化：無論是水面高精度影像貼圖還是水深分布圖， 都只能表達(dá)河流的形態(tài)，但是河流的水流流態(tài)卻沒有得到體現(xiàn)，在水流流動(dòng)的模擬方面顯 得生硬，因此，水流流態(tài)的模擬成為提高水流可視化方面的重點(diǎn)研宄對象，通過基于紋理圖 像的流場可視化方式模擬動(dòng)態(tài)水流，與以往的以流場網(wǎng)格離散數(shù)據(jù)點(diǎn)為研宄對象的可視化 方法不同，其將整個(gè)流場作為研宄對象并以圖像的變形流動(dòng)替代質(zhì)點(diǎn)的平流，核心思想是 基于流場中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，以背景圖像的運(yùn)動(dòng)變形替代以往的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來展示流場狀態(tài)，是 一種宏觀圖形表現(xiàn)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的方法。繪制步驟如下：
[0