一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法与流程

1.本发明涉及水上交通安全领域，特别是一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法。


背景技术：

2.随着水运业务量的逐年增长，内河航运规模日益发展壮大，船舶密度快速增长，船舶数量急剧增加。同时内河桥梁数量也在逐年增加，例如在长江干流(宜宾以下江段)先后建成及在建的跨江大桥数量已逾150座。此外，内河航道弯曲狭窄，通航环境拥挤复杂，受潮汐影响明显，船舶过桥频繁，导致了船桥相撞事故频发，尤其是因船舶超高撞击桥面的事故。内河航道船桥相撞风险居高不下，水上交通安全隐患逐年增多，海事部门与桥梁管理部门面临着极大的困难与挑战。
3.为确保船舶航行安全和桥梁安全，各类船桥防撞技术和防撞装置被学者们广泛研究。从设计思想上可分为主动防撞和被动防撞两类，前者主要通过感知船舶状态对其进行航行管理和航行轨迹干预，对超高的船舶进行及时预警，降低船桥相撞概率，避免船撞桥事故发生，后者通过桥梁自身的加强或防护设施来抵抗船舶的撞击，吸收或消散船舶的撞击能。但是吸能效果好的被动防撞装置建造难度大，且造价及其维护成本高，适用性不强。
4.随着科技的进步发展，感知船舶状态的技术手段日渐丰富，岸基雷达、船舶自动识别系统(automaticidentificationsystem,ais)、相机、激光装置等一系列传感器或系统被广泛应用于船舶交通管理当中。主动防撞技术与装置也随之得到发展与应用，其中有通过岸基相机对水域航行船舶进行抓拍，并对其进行图像处理估算出船舶高度，但这种方法测量距离有限，1km范围外测量精度会急剧下降，夜间及能见度不良时，测量精度差，同时对船舶图像处理时会忽略桅杆等细小部位，导致高度测量不精确。此外也有通过岸基或桥基激光发射器发射多组不同高度的激光，根据船舶对激光的遮挡情况估算出船舶高度。激光发射装置又分为两类，一类是对射型激光装置，安装在航道两岸，一侧发射另一侧接收，但对安装位置要求较高，若航道过宽，收发装置会应距离过远无法对准，产生误报警。另一类是扫射型激光，安装在桥梁上，向过往船舶发射扇形激光，但作用距离有限，一般不超过1km。综上所述，现有方法普遍存在测量精度低，作用范围小，适用性差等问题。
5.与此同时，目前北斗卫星导航系统可以提供全天候、高精度、强安全的导航、定位和授时服务。目前北斗逐渐应用于水上交通运输领域，公务船只、渔船、客船等都已经开始使用北斗船载终端来替代原有的ais设备。相较于ais设备，北斗船载终端可以提供ais设备所没有的船舶高程数据，即船舶海拔高度信息。可以预见，北斗船载终端将会快速普及，逐渐替代ais设备。由此可见，研究基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，对船舶交通管理和桥梁防护等方面具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于北斗系统
的船桥协同防撞预警方法，该基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法使用北斗系统去测量船舶的海拔高度和桥梁通航高度，可以精确测量高程数据，然后基于船舶端、桥梁端和vts端这三方数据的通信，实现船桥协同防撞预警，具有精度高、作用范围大、可靠性强、适用性广等特点。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
8.一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，包括如下步骤。
9.步骤1、船舶端测量与数据广播，具体包括如下步骤。
10.步骤1-1、测量：在船舶上安装船载北斗设备，并测量得到船载北斗设备的信号接收天线到船舶最高处的距离；其中，为船舶编号。
11.步骤1-2、测量船舶实时位置：船载北斗设备对自身的船舶位置进行实时定位测量。
12.步骤1-3、计算：根据步骤1-2测量得到的船舶实时位置，解算出船载北斗设备信号接收天线的实时位置坐标和实时海拔高度。
13.步骤1-4、计算：为船舶最高处的海拔高度，具体计算公式为：。
14.步骤1-5、船舶端数据广播：船舶端将步骤1-2测量得到的船舶实时位置和步骤1-4计算得到的，实时向外广播。
15.步骤2、桥梁端测量与数据广播，具体包括如下步骤：
16.步骤2-1、测量桥梁通航高度：利用外置北斗设备对桥梁进行一次性测量，得到桥梁通航高度；其中，为桥梁编号。
17.步骤2-2、设置桥梁预警区域：以桥梁为中心，将桥梁两侧外延akm的两个水面区域划分为一级紧急警报区域；将两个一级紧急警报区域继续外延bkm的两个水面区域划分为二级警报区域；将两个二级警报区域再次外延ckm的两个水面区域划分为三级警告区域；其中，a＞b，a＞c；一级紧急警报区域、二级警报区域和三级警告区域统称为预警区域。
18.步骤2-3、桥梁端数据广播：桥梁端将步骤2-1测量得到的和步骤2-2设置的桥梁预警区域，向外广播。
19.步骤3、船舶端、桥梁端和vts端互通信。
20.步骤4、船桥协同防撞预警：船舶端、桥梁端、vts端接收到广播数据后，通过预警规则判断分析船舶是否会因超高无法安全通过航路上的桥梁，预警规则具体如下：
21.当船舶未进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出提醒；若，则不发出提醒。
22.当船舶进入到三级警告区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出警告，需关注船舶超高撞桥的风险；若，则不发出警告。
23.当船舶进入到二级警报区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出警报；需评估船舶超高撞桥的风险，并采取相应措施；若，则不发出警报。
24.当船舶进入到一级紧急警报区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出紧急警报，各方需立即采取行动，避免船舶超高撞桥事故的发生；若，则不发出紧急警报。
25.步骤2-1中，桥梁具有个通航桥孔，则桥梁通航高度；其中，
26.分别为第1个、第2个和第个通航桥孔顶部的海拔高度。
27.步骤4中，预警规则判断过程中，当桥梁具有2个及以上的允许通航桥孔时，则每一
个允许通航桥孔的桥梁通航高度均需与进行比较判断，若任一个允许通航桥孔的桥梁通航高度小于时，均需发出相应的提醒、警告、警报或紧急警报。
28.步骤2-2中，a＝2km，b＝1km，c＝1km。
29.步骤2-2中，位于水域正上方的桥梁平面为矩形，四个角点分别为；所有预警区域均呈矩形；其中，两个一级紧急警报区域分别为上游一级紧急警报区域和下游一级紧急警报区域；上游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为，下游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为；两个二级警报区域分别为上游二级警报区域
30.和下游二级警报区域；上游二级警报区域的两个外侧角点分别为，下游二级警报区域的两个外侧角点分别为；两个三级警告区域分别为上游三级警告区域和下游三级警告区域；上游三级警告区域的两个外侧角点分别为，下游三级警告区域的两个外侧角点分别为。
31.步骤2-2中，通过对桥梁预警区域的位置点进行测量，得到，，
32.，共16个点的位置坐标；步骤2-3中，桥梁端将步骤2-1测量得到的和步骤2-2设置的桥梁预警区域中16个点的位置坐标，一起向外广播。
33.步骤3中，船舶端、桥梁端和vts端互通信的方法为：
34.在船舶航行过程中，船舶端通过通用ais信道向外广播本船舶的实时位置坐标数据和船舶最高处的海拔高度，同时接收本船舶ais通信范围内所有桥梁端的广播数据。
35.桥梁端通过通用ais信道向外广播本桥梁的通航高度和桥梁预警区域数据，同时接收本桥梁ais通信范围内所有船舶端的广播数据。
36.vts系统接收管理辖区内所有船舶端和桥梁端的广播的数据。
37.本发明具有如下有益效果：
38.1、本发明所提出的方法使用北斗系统对船舶高度和桥梁通航高度进行测量，测量精度可达厘米级，船舶超高预警准确度高，效果好。
39.2、本发明所提出的方法并不涉及对桥梁的改造，只需在桥梁端增加一个数据广播设备，具有较好的适用性和可操作性，成本低。
40.3、本发明所提出的方法使用国际通用的ais信道向外广播数据，在内河航道通信范围可达15海里，作用范围广。
41.4、本发明所提出的方法定义了三级预警区域及其预警规则，针对不同场景，发出等级不同的预警提醒，便于各方采取相应的处理措施。
42.5、本发明所提出的方法不受天气等因素影响，在夜间及能见度不良的情况下也能正常工作，可靠性强。
附图说明
43.图1是本发明一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法的流程图。
44.图2是测量船舶与桥梁高程数据示意图。
45.图3是有多个通航桥孔的桥梁示意图。
46.图4是桥梁预警区域的定义图。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
48.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
49.如图1所示，一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，包括如下步骤。
50.步骤1、船舶端测量与数据广播，具体包括如下步骤。
51.步骤1-1、测量：在船舶上安装船载北斗设备，并测量得到船载北斗设备的信号接收天线到船舶最高处的距离；其中，为船舶编号。
52.步骤1-2、测量船舶实时位置：船载北斗设备优选使用北斗差分定位模式对自身的船舶位置进行实时定位测量。目前在北斗差分定位模式下，定位测量精度可达到厘米级。
53.步骤1-3、计算：根据步骤1-2测量得到的船舶实时位置，解算出船载北斗设备信号接收天线的实时位置坐标和实时海拔高度。
54.步骤1-4、计算：为船舶最高处的海拔高度，具体计算公式为：；并将计算后的录入到船载北斗设备中，在船舶航行过程中实时更新位置坐标和海拔高度。
55.步骤1-5、船舶端数据广播：船舶端将步骤1-2测量得到的船舶实时位置和步骤1-4计算得到的，实时向外广播。
56.步骤2、桥梁端测量与数据广播，具体包括如下步骤：
57.步骤2-1、测量桥梁通航高度：利用外置北斗设备使用北斗差分定位模式对桥梁进行一次性测量，得到桥梁通航高度；其中，为桥梁编号。
58.设桥梁具有个通航桥孔，则上述桥梁通航高度可以细化为每个通航桥孔顶部的海拔高度，如图3所示，针对有多个通航桥孔的桥梁，使用北斗差分定位模式对每个通航桥孔进行测量，其通航高度，其中，为桥梁编号；分别为第1个、第2个和第个通航桥孔顶部的海拔高度。
59.步骤2-2、设置桥梁预警区域：针对每座桥梁，定义其三级预警区域，分别为：一级紧急警报区域、二级警报区域和三级警告区域；所有预警区域均优选呈矩形。
60.如图4所示，位于水域正上方的桥梁平面为矩形，四个角点分别为。
61.以桥梁为中心，将桥梁两侧外延akm(优选为2km)的两个水面区域划分为一级紧急警报区域。两个一级紧急警报区域分别为上游一级紧急警报区域和下游一级紧急警报区域
62.；上游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形；下游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形。
63.将两个一级紧急警报区域继续外延bkm(优选为1km)的两个水面区域划分为二级警报区域。两个二级警报区域分别为上游二级警报区域和下游二级警报区域；上游二级警报区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形；下游二级警报区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形。
64.将两个二级警报区域再次外延ckm(优选为1km)的两个水面区域划分为三级警告区域；其中，a＞b，a＞c。两个三级警告区域分别为上游三级警告区域和下游三级警告区域；
上游三级警告区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形；下游三级警告区域的两个外侧角点分别为，也即为矩形。
65.优选利用外置北斗设备使用北斗差分定位模式对桥梁预警区域的位置点进行测量，得到
66.，，，共16个点的位置坐标。
67.步骤2-3、桥梁端数据广播：桥梁端将步骤2-1测量得到的和步骤2-2设置的桥梁预警区域(优选为16个点的位置坐标)，一起向外广播。
68.由于桥梁本身固定不动，所有这些数据只需测量一次，之后无需实时更新这些数据，只需将这些数据广播出去即可。
69.步骤3、船舶端、桥梁端和vts端互通信，优选通信方法如下。
70.在船舶航行过程中，船舶端设备通过国际通用的ais信道向外广播本船的实时位置坐标数据和船舶最高处的海拔高度数据，同时接收本船通信范围内所有桥梁端广播的通航高度数据和预警区域位置坐标数据。
71.桥梁端设备也通过国际通用的ais信道向外广播本桥的通航高度数据和预警区域位置坐标数据，同时接收本桥通信范围内所有船舶端广播的位置坐标数据和船舶最高处的海拔高度数据。
72.海事管理部门的vts系统接收辖区范围内所有船舶端和桥梁端广播出来的数据，一般在内河航道通信范围可达15海里。
73.步骤4、船桥协同防撞预警：船舶端、桥梁端、vts端接收到广播数据后，通过预警规则判断分析船舶是否会因超高无法安全通过航路上的桥梁，预警规则具体如下：
74.当船舶未进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端向船员、海事交管中心、桥梁管理等部门发出提醒；若，则不发出提醒。
75.当船舶进入到三级警告区域时，也即下游船舶进入到预警区域或上游船舶进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端向船员、海事交管中心、桥梁管理等部门发出警告，需关注船舶超高撞桥的风险；若，则不发出警告。
76.当船舶进入到二级警报区域时，也即当下游船舶进入到预警区域或上游船舶进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端向船员、海事交管中心、桥梁管理等部门发出警报；需评估船舶超高撞桥的风险，并采取相应措施；若，则不发出警报。
77.当船舶进入到一级紧急警报区域时，也即当下游船舶进入到预警区域或上游船舶进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端向船员、海事交管中心、桥梁管理等部门发出紧急警报，各方需立即采取行动，避免船舶超高撞桥事故的发生；若
78.，则不发出紧急警报。
79.进一步，上述预警规则判断过程中，当桥梁具有2个及以上的允许通航桥孔时，则每一个允许通航桥孔的桥梁通航高度均需与进行比较判断，若任一个允许通航桥孔的桥梁通航高度小于时，均需发出相应的提醒、警告、警报或紧急警报。
80.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、船舶端测量与数据广播，具体包括如下步骤：步骤1-1、测量：在船舶上安装船载北斗设备，并测量得到船载北斗设备的信号接收天线到船舶最高处的距离；其中，为船舶编号；步骤1-2、测量船舶实时位置：船载北斗设备对自身的船舶位置进行实时定位测量；步骤1-3、计算：根据步骤1-2测量得到的船舶实时位置，解算出船载北斗设备信号接收天线的实时位置坐标和实时海拔高度；步骤1-4、计算：为船舶最高处的海拔高度，具体计算公式为：；步骤1-5、船舶端数据广播：船舶端将步骤1-2测量得到的船舶实时位置和步骤1-4计算得到的，实时向外广播；步骤2、桥梁端测量与数据广播，具体包括如下步骤：步骤2-1、测量桥梁通航高度：利用外置北斗设备对桥梁进行一次性测量，得到桥梁通航高度；其中，为桥梁编号；步骤2-2、设置桥梁预警区域：以桥梁为中心，将桥梁两侧外延akm的两个水面区域划分为一级紧急警报区域；将两个一级紧急警报区域继续外延bkm的两个水面区域划分为二级警报区域；将两个二级警报区域再次外延ckm的两个水面区域划分为三级警告区域；其中，a＞b，a＞c；一级紧急警报区域、二级警报区域和三级警告区域统称为预警区域；步骤2-3、桥梁端数据广播：桥梁端将步骤2-1测量得到的和步骤2-2设置的桥梁预警区域，向外广播；步骤3、船舶端、桥梁端和vts端互通信；步骤4、船桥协同防撞预警：船舶端、桥梁端、vts端接收到广播数据后，通过预警规则判断分析船舶是否会因超高无法安全通过航路上的桥梁，预警规则具体如下：当船舶未进入到预警区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出提醒；若，则不发出提醒；当船舶进入到三级警告区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出警告，需关注船舶超高撞桥的风险；若，则不发出警告；当船舶进入到二级警报区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出警报；需评估船舶超高撞桥的风险，并采取相应措施；若，则不发出警报；当船舶进入到一级紧急警报区域时，若出现，则船舶端、桥梁端和vts端均发出紧急警报，各方需立即采取行动，避免船舶超高撞桥事故的发生；若，则不发出紧急警报。2.根据权利要求1所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤2-1中，桥梁具有个通航桥孔，则桥梁通航高度；其中，分别为第1个、第2个和第个通航桥孔顶部的海拔高度。3.根据权利要求2所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤4中，预警规则判断过程中，当桥梁具有2个及以上的允许通航桥孔时，则每一个允许通航桥孔的桥梁通航高度均需与进行比较判断，若任一个允许通航桥孔的桥梁通航高度小于时，均需发出相应的提醒、警告、警报或紧急警报。4.根据权利要求1所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤2-2中，a＝2km，b＝1km，c＝1km。
5.根据权利要求1所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤2-2中，位于水域正上方的桥梁平面为矩形，四个角点分别为；所有预警区域均呈矩形；其中，两个一级紧急警报区域分别为上游一级紧急警报区域和下游一级紧急警报区域；上游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为，下游一级紧急警报区域的两个外侧角点分别为；两个二级警报区域分别为上游二级警报区域和下游二级警报区域；上游二级警报区域的两个外侧角点分别为，下游二级警报区域的两个外侧角点分别为；两个三级警告区域分别为上游三级警告区域和下游三级警告区域；上游三级警告区域的两个外侧角点分别为，下游三级警告区域的两个外侧角点分别为。6.根据权利要求5所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤2-2中，通过对桥梁预警区域的位置点进行测量，得到，，，共16个点的位置坐标；步骤2-3中，桥梁端将步骤2-1测量得到的和步骤2-2设置的桥梁预警区域中16个点的位置坐标，一起向外广播。7.根据权利要求1所述的基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，其特征在于：步骤3中，船舶端、桥梁端和vts端互通信的方法为：在船舶航行过程中，船舶端通过通用ais信道向外广播本船舶的实时位置坐标数据和船舶最高处的海拔高度，同时接收本船舶ais通信范围内所有桥梁端的广播数据；桥梁端通过通用ais信道向外广播本桥梁的通航高度和桥梁预警区域数据，同时接收本桥梁ais通信范围内所有船舶端的广播数据；vts系统接收管理辖区内所有船舶端和桥梁端的广播的数据。

技术总结
本发明公开了一种基于北斗系统的船桥协同防撞预警方法，使用北斗设备的差分定位模式测量船舶的海拔高度和桥梁通航高度，可以精确测量高程数据，然后基于船舶端、桥梁端和VTS端这三方数据的通信，实现船桥协同防撞预警，本发明所提出的方法与现有方法相比，具有精度高、作用范围大、可靠性强、适用性广等特点。本发明不涉及对桥梁的改造，只需在桥梁端增加一个数据广播设备，具有较好的适用性和可操作性，成本低。另外，本发明定义了三级预警区域及其预警规则，针对不同场景，发出等级不同的预警提醒，便于各方采取相应的处理措施。同时，本发明不受天气等因素影响，在夜间及能见度不良的情况下也能正常工作，可靠性强。可靠性强。可靠性强。


技术研发人员：田池 夏金锋 孙雪涛 陈杨 夏亮 朱庆智 唐尧 于淼 李薇薇
受保护的技术使用者：中船鹏力（南京）大气海洋信息系统有限公司
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/6/27