船舶适航预警系统及预警方法 |
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| 申请号 | CN201510291109.X | 申请日 | 2015-05-29 | 公开(公告)号 | CN104933899A | 公开(公告)日 | 2015-09-23 |
| 申请人 | 华北电力大学; | 发明人 | 张尚弘; 吴昱; 张天翔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 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。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载终端，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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一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。 |
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| 说明书全文 | 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究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究未见报道。 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，经潜心研究，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，如经纬度、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(经纬度)，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表示节点的纬度，u表示沿纬度方向的流速，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(Uc)则可以通过下式(1)进行计算： [0020] [0021] 而流向角(β)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。 [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究区域进行划分，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究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究对象，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究对象的可视化方法不同，其将整个流场作为研究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： [0029] 1)根据当前的流速值计算网格节点的移动量，绘制变形后的流场网格，通过纹理映射使背景图像随网格的变形而变形； [0031] 3)将新生产的图像作为背景图像进行新一轮的循环，并采用不同的颜色表现不同的流速大小分布，实现流场的动态显示效果。 [0032] (3)基于粒子系统的流场可视化：粒子系统是一种应用较多的模拟不规则模糊物体的方法，能模拟物体随着时间变化的动态性与随机性。其基本思想是将许多简单的微小粒子作为基本元素来表示不规则物体。因此，可以将流体质点看做粒子，那么整个流场的变化过程就可以看做是粒子的出生、运动与消亡的过程，其运动规律可以由数学模型计算结果控制，而其出生与消亡的规律可以按照模拟效果的需求进行定制，所以其对流场的模拟具有良好的适应性。 [0033] 另外，在需要表现粒子的流动特性的情况下，需要涉及空间位置、矢量大小、方向等参数，并采用链表结构进行存储以减少循环的判断，通常采用移动的箭头表示，箭头的长短代表流速的大小，其中，红色箭头表示流速较大，绿色箭头表示流速较小，而箭头的指向代表流速方向，不但从视觉上表现力独特，而且可以与物体的受力运动等物理机制相结合，逼真的模拟出水流的运动状态。 [0034] 水流模拟模块主要用于建立水动力数值模型，根据水文站监测的水情信息，对河道水流运动进行模拟，获取通航所需的各种水流条件。水流模拟模块采用河道二维模型，建立浅水方程，用有限体积法求解航道水流条件。平面二维浅水方程组守恒形式为： [0035] [0036] [0038] 在水动力模型数值模拟时，一般采用缓流边界条件，给定上游流量边界或单宽流量边界，下游给定水位边界或水位流量边界。 [0039] 由于航道具有不规则的复杂外形，选用非结构网格划分对航道进行离散化，以求解平面二维浅水方程组。非结构网格的划分方式能尽可能的保持计算区域与实际流动区域的一致，以保证计算精度。此外，综合考虑模型的计算速度与计算精度，采用30m与100m精度的四边形网格对航道进行划分。其中，30m精度网格的网格数量为131855，100m精度网格的网格数量为9700。在本发明中精度网格的网格数，可以选自20m～200m的任意范围，优选为30m～100m的任意范围，最优选为30m左右。 [0040] 以30m网格为例，采用上述串行计算模型，流量发生变化后稳定计算所需时间约30分钟，对实时预警系统而言计算时间过长。因此，为了确保水流模型的计算结果具有更好的实时性，采用如下两种方法加快模型的计算速度： [0041] (1)基于共享内存的数学模型，采用在源程序无相关性的循环和计算块中添加OpenMP并行指令的方式实现模型在多核处理器上的并行计算。在16核工作站上，获得8.68的加速比，使得计算时间缩短为3分钟。 [0042] (2)建立水流模拟方案库，预先存储上游水文站在不同水位下的水流条件模拟结果。船舶适航预警系统只需要输入上游水文站的当前水位，就可以从方案库直接调用相似水位的计算结果。虽然调用的方案库结果不如直接计算的结果精确，但是所耗时间非常短，一般只需要数秒。 [0043] 在航道外，系统需要显示道路、地名、行政边界等矢量要素。因此，加载二维图层作为纹理，建立细节层次模型(LOD)，根据视点高度显示不同精度的二维地图，确保二维要素的大小适合屏幕。这样，通过图层的切换就可以实现二维与三维航道信息的显示。此外，系统对二维模式的视角进行了限制，避免二维要素发生变形，从而影响用户辨识。 [0044] 在航道内，系统需要显示水流等深面、禁航区、适航区等矢量要素。这些矢量要素属于动态要素，会随着水流条件的变化而发生改变。静态的纹理贴图无法表现要素随时间的变化过程。因此，在航道内建立三维水流模型，通过不同的颜色表示不同的矢量要素，最终将这些要素从二维转化为三维。对于一般情况，系统用红色表示禁航区，用绿色表示适航区，用蓝色表示水流等深面，而蓝色的深浅则说明了水深的大小，蓝色越深水深也越大。 [0045] 随着内河通航环境的日益复杂，航运部门管理的难度渐渐增大。数字航道系统作为一种信息化、智能化的工具，对提高航道通航效率与维护船舶航行安全有着重要的作用。船舶适航预警系统提高了航运管理的效率，保障了船舶航行的安全。 [0046] 适航区分布模块基于船舶定位信息与水流模拟模块的水动力模型计算结果，按照内河通航标准，通过可视化系统绘制船舶的适航区，对船舶可能发生的相撞、搁浅、触礁等各种水上交通事故进行风险分析，为船舶提供及时、准确的预警服务。所得到的信息添加至船舶导航窗口，绘制推荐航线，进而提高船舶适航预警系统的导航能力。 [0047] 船舶适航预警系统的实施方法主要包括下面几个步骤，如下： [0048] (1)根据航道影像与航道高程数据，建立三维航道地形模型。 [0049] (2)在模型中载入航道地物模型(包括桥梁、码头、沿岸建筑物、航标)，构建虚拟的三维航道环境，实现三维航道可视化。 [0050] (3)对二、三维电子航道图进行集成，在三维航道环境中显示二维电子航道图内容。 [0051] (4)根据水情数据，建立水动力模型，对水流条件进行计算，模拟航道水流，预测航道的水深与流速分布情况。 |
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