一种基于AIS的船舶防撞预警系统的制作方法

一种基于ais的船舶防撞预警系统
技术领域
1.本发明涉及船舶避碰领域，尤其涉及一种基于ais的船舶防撞预警系统。


背景技术：

2.cpa(closestpointofapproach)即最近会遇点,是航行中经常计算的一个内容。通常包括dcpa最近会遇点距离，tcpa最近会遇时间,两个参数。通过计算cpa，可判断本船与目标是否有碰撞风险。
3.cpa在雷达，ais，海图等设备上均有显示，经验丰富的船长也可以通过手动测绘来获取cpa。而一些vts（vesseltrafficservice）船舶交通服务站，也会计算各目标之间的cpa，从而判断水域范围内的各目标之间有无碰撞风险，为水域内船只提供预警。但不同场景下的cpa计算基于的方法不同，所能达到的精度会有较大区别。
4.现有的利用ais系统实现船舶避碰或最近会遇点计算的技术和设备，如专利号cn201810822793.3公开的一种基于ais的船舶-航标碰撞危险度估算方法，均未涉及到球面修正以使得计算的cpa结果更加精确和接近真实。
5.而要解决在地球上任意一点，任意航向，任意方位的球面cpa计算，在数学上高度复杂。在实际使用过程中较困难，也没有必要所有基于ais的cpa计算完全做球面处理。基于雷达的cpa计算，以本身为原点，因此在地球上任意位置航行都可同样处理，而基于ais的cpa计算，依赖全球定位系统给出的经纬度坐标、对地航速、对地航向等信息。其关键参数的求解依赖于三角函数arctan，在高纬度的情况下，平面与球面的差异会引入较大误差。在平面内ais的cpa计算在赤道附近有较好的结果，在北纬50度附近，在本船与目标船相距6海里时，一些角度下，平面近似的cpa计算会有超过1海里的误差，在极地附近误差会进一步扩大。


技术实现要素：

6.本发明为使利用ais数据进行防撞预警时更加准确，提出一种基于ais的船舶防撞预警系统：包括：用于连接ais和arpa的串口服务器，所述串口服务器还连接vsat交换机，vsat交换机与主面板、延伸面板连通；主面板和延伸面板均包括：中央处理器、液晶屏、内存、flash存储、电源输入，其中电源输入为通过电源适配器连接交流电源，主面板设于驾驶室，延伸面板设于船长室；主面板和延伸面板还连接有用于发出预警的声光报警装置；所述中央处理器通过如下步骤处理数据：a1.通过ais获取本船和目标船的坐标和运动参数信息；a2.对本船和目标船的坐标和运动参数信息进行球面模拟运算获得dcpa和tcpa；a3.为本船划定安全区域，若在江河中行驶，则安全区域为椭圆，若在海洋中行驶，则安全区域为圆形；a4.将步骤a2计算过程中得到的相对速度向量向两端无限延长得到直线，若该直线与本船的安全区域相交或相切，则发出防撞预警，否则不发出预警。
7.较佳的，所述步骤a1中所述本船和目标船的运动参数信息包括：本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2。
8.较佳的，所述步骤a2中的球面模拟运算，包括以下步骤：s1.通过ais获取本船与目标船的经纬度坐标信息，其中的经纬度均采用弧度制；s2.根据本船与目标船的坐标信息，将地球作为半径6371.0072km的等效圆球体，采用半正矢公式计算连接本船与目标船的最短路径即大圆劣弧的长度，结果记为距离d；s3.采用公式：θ’=atan2(sin(δλ)cos(
ϕ
2),cos(
ϕ
1)sin(
ϕ
2)
−
sin(
ϕ
1)cos(
ϕ
2)cos(δλ))；计算目标船方向角，即目标船与本船的连线与真北方向的夹角，得到目标船方向角θ
′
，式中
ϕ1、
ϕ2是两点的纬度（弧度制）、δλ是两点的经度差（弧度制）；s4. 通过ais获取本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2,采用公式：；计算相对航向向量，式中v1= sog1，v2= sog2，
ϕ1= cog1、
ϕ2= cog2，并通过：；得到相对航向角θ
″
；s5.相对航速vr为向量(v
rx
, v
ry
)的模：；s6.通过θ=θ
″‑
θ
′
求出本船与目标船连线与相对速度的夹角θ，则通过公式：dcpa=d*sinθ；tcpa=d*cosθ/vr；得到精确估算的cpa数据dcpa和tcpa；步骤s2中，距离d的计算公式为：；式中r是球的半径，等于6371.0072km，
ϕ1、
ϕ2是本船与目标船两点的纬度（弧度制），λ1、λ2是两点的经度（弧度制）。
9.较佳的，当本船与目标船的平均纬度≥50
°
时，将步骤2经计算所得距离d乘以修正系数f，得到修正距离d
′
以取代d，用于步骤s6的计算；修正系数f=0.99945+0.000125*（90
°‑
ϕ3）/10
°
，公式中，
ϕ3为本船与目标船的平均纬度（角度制）。
10.较佳的，所述步骤a3中，所述椭圆的长轴方向与本船的船首方向一致，且其长轴、短轴的长度与本船的长、宽、以及相对航速vr正相关，所述圆的半径只与相对航速vr正相关。
11.较佳的，设本船长度为l1，宽度为l2,自设时间为t，则所述椭圆的长半轴长度为l1/
2+vrt,短半轴长度为l2/2+vrt，所述圆的半径为vrt，t越大时，警戒程度越高，且当本船 sog≤0.5 节时，避碰预警功能会自动停止；当本船 sog＞0.5 节时，避碰预警功能会自动开启，预警功能的设置于主面板或延伸面板任一处进行。
12.较佳的，所述步骤a3、a4是经进行可视化处理的，将所计算得到的椭圆或圆的中心作为原点的平面坐标系，船首方向为y轴，目标船坐标及相对航向均经过等效转化处理后用于本平面坐标系内，通过延长相对速度向量，可直观获知本船与目标船有无碰撞可能，若相对速度向量延长线与安全区域相切或相交，则主面板和延伸面板控制声光报警装置向外界发出防撞预警，并于液晶屏上作醒目的显示效果。
13.较佳的，所述步骤a2后，步骤a3前还包括：a21.确定本船处于江河中还是海洋中，该步骤由操作人员根据实际情况于主面板或延伸面板自选或由ais定位的本船坐标分析得出。
14.较佳的，所述延伸面板通过迷你交换机与vsat交换机连接，所述主面板和延伸面板内置用于断电保护的rtc实时时钟，内置用于提供函数控制发声的蜂鸣器，并装有看门狗管理软件；所述主面板和延伸面板均设有：1路usb 主口；1路usb 从口；2路rs-232接口；1路rs-485接口；1路10/100m网络接口；1对音频喇叭；4路数字量io输入/4路数字量io输出；1路can总线接口；wifi模块。
15.较佳的，还包括用于安装主面板和延伸面板，并将二者固定于平面或墙面上的安装支架，所述安装支架包括用于容纳主面板或延伸面板除液晶屏外五个面的盒体，以及用于连接盒体和平面或盒体和墙面的安装座，所述盒体上开设有让位于主面板或延伸面板上所有端口、接口的让位孔，安装座底部设有安装孔。
16.本发明通过接收ais的本船和目标船的航向、航速、坐标等高精度的信息，不采用平面计算而是对两点距离、目标船方向角、相对航向角采用等效的球面计算，从而算出dcpa和tcpa，并对于高纬度坐标另外使用参数修正距离，以校正计算高纬度时的偏差，提高了cpa计算结果的准确性和精度，并将本船赋予相应的安全区域，通过可视化的转化，分析目标船在相对航速向量的条件下与安全区域的位置关系，可直观地对碰撞发出预警，执行显示和预警的主面板和延伸面板分别设于驾驶室和船长室，当碰撞危险发展到即将形成紧迫危险时，向驾驶员和船长同时发出报警，提醒船长立即上驾驶台采取措施；将船舶航行动态和开船行为数据保存并回传，实现监控和回放，通过软件分析和人为观察对船员进行评估，其性价比高：投入小，辅助决策功效强，易于推广应用，相对于现有技术具有显著的技术进步。
附图说明
17.图1为本发明结构示意图。
18.图2为主面板和安装支架安装示意图。
19.图3为主面板背面接线及接口示意图。
20.图中1、底座；2、连接柱；3、盒体；4、主面板；5、让位孔；6、安装孔。
实施方式实施例
21.如图1所示，本发明所述的基于ais的船舶防撞预警系统包括：用于连接ais和arpa的串口服务器，所述串口服务器还连接vsat交换机，vsat交换机与主面板、延伸面板连通；主面板和延伸面板均包括：中央处理器、液晶屏、内存、flash存储、电源输入，其中电源输入为通过电源适配器连接交流电源，主面板设于驾驶室，延伸面板设于船长室；主面板和延伸面板还连接有用于发出预警的声光报警装置；所述中央处理器通过如下步骤处理数据：a1.通过ais获取本船和目标船的坐标和运动参数信息；a2.对本船和目标船的坐标和运动参数信息进行球面模拟运算获得dcpa和tcpa；a3.为本船划定安全区域，若在江河中行驶，则安全区域为椭圆，若在海洋中行驶，则安全区域为圆形；a4.将步骤a2计算过程中得到的相对速度向量向两端无限延长得到直线，若该直线与本船的安全区域相交或相切，则发出防撞预警，否则不发出预警。
22.较佳的，所述步骤a1中所述本船和目标船的运动参数信息包括：本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2。
23.较佳的，所述步骤a2中的球面模拟运算，包括以下步骤：s1.通过ais获取本船与目标船的经纬度坐标信息，其中的经纬度均采用弧度制；s2.根据本船与目标船的坐标信息，将地球作为半径6371.0072km的等效圆球体，采用半正矢公式计算连接本船与目标船的最短路径即大圆劣弧的长度，结果记为距离d；s3.采用公式：θ’=atan2(sin(δλ)cos(
ϕ
2),cos(
ϕ
1)sin(
ϕ
2)
−
sin(
ϕ
1)cos(
ϕ
2)cos(δλ))；计算目标船方向角，即目标船与本船的连线与真北方向的夹角，得到目标船方向角θ
′
，式中
ϕ1、
ϕ2是两点的纬度（弧度制）、δλ是两点的经度差（弧度制）；s4. 通过ais获取本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2,采用公式：；计算相对航向向量，式中v1= sog1，v2= sog2，
ϕ1= cog1、
ϕ2= cog2，并通过：；
得到相对航向角θ
″
；s5.相对航速vr为向量(v
rx
, v
ry
)的模：；s6.通过θ=θ
″‑
θ
′
求出本船与目标船连线与相对速度的夹角θ，则通过公式：dcpa=d*sinθ；tcpa=d*cosθ/vr；得到精确估算的cpa数据dcpa和tcpa；步骤s2中，距离d的计算公式为：；式中r是球的半径，等于6371.0072km，
ϕ1、
ϕ2是本船与目标船两点的纬度（弧度制），λ1、λ2是两点的经度（弧度制）。
24.较佳的，当本船与目标船的平均纬度≥50
°
时，将步骤2经计算所得距离d乘以修正系数f，得到修正距离d
′
以取代d，用于步骤s6的计算；修正系数f=0.99945+0.000125*（90
°‑
ϕ3）/10
°
，公式中，
ϕ3为本船与目标船的平均纬度（角度制）。
25.较佳的，所述步骤a3中，所述椭圆的长轴方向与本船的船首方向一致，且其长轴、短轴的长度与本船的长、宽、以及相对航速vr正相关，所述圆的半径只与相对航速vr正相关。
26.较佳的，设本船长度为l1，宽度为l2,自设时间为t，则所述椭圆的长半轴长度为l1/2+vrt,短半轴长度为l2/2+vrt，所述圆的半径为vrt，t越大时，警戒程度越高，且当本船 sog≤0.5 节时，避碰预警功能会自动停止；当本船 sog＞0.5 节时，避碰预警功能会自动开启，预警功能的设置于主面板或延伸面板任一处进行。
27.较佳的，所述步骤a3、a4是经进行可视化处理的，将所计算得到的椭圆或圆的中心作为原点的平面坐标系，船首方向为y轴，目标船坐标及相对航向均经过等效转化处理后用于本平面坐标系内，通过延长相对速度向量，可直观获知本船与目标船有无碰撞可能，若相对速度向量延长线与安全区域相切或相交，则主面板和延伸面板控制声光报警装置向外界发出防撞预警，并于液晶屏上作醒目的显示效果。
28.较佳的，所述步骤a2后，步骤a3前还包括：a21.确定本船处于江河中还是海洋中，该步骤由操作人员根据实际情况于主面板或延伸面板自选或由ais定位的本船坐标分析得出。
29.较佳的，所述延伸面板通过迷你交换机与vsat交换机连接，所述主面板和延伸面板内置用于断电保护的rtc实时时钟，内置用于提供函数控制发声的蜂鸣器，并装有看门狗管理软件；所述主面板和延伸面板均设有：1路usb 主口；1路usb 从口；2路rs-232接口；1路rs-485接口；1路10/100m网络接口；
1对音频喇叭；4路数字量io输入/4路数字量io输出；1路can总线接口；wifi模块。
实施例
30.如图2所示，本防撞预警系统的硬件还包括用于安装主面板4和延伸面板，并将二者固定于平面或墙面上的安装支架，所述安装支架包括用于容纳主面板4或延伸面板除液晶屏外五个面的盒体3，以及用于连接盒体3和平面或盒体和墙面的安装座，安装座包括底座1和连接柱2，连接柱2与盒体3底部固定，所述盒体3上开设有让位于主面板4或延伸面板上所有端口、接口的让位孔5，安装座底部设有安装孔6。
31.主面板采用的硬件型号如下：液晶屏：5"tft真彩液晶屏(16：9比例)，分辨率800
×
480；触摸规格: 100万次以上(笔尖0.8m
㎡
打键荷重250克力,打键速度2次/秒)；中央处理器：cortex a8 嵌入式arm低功耗cpu，主频800mhz； 内存ram： 512m bytes ddr3 sdram；flash存储：8g emmc；扩展存储： sd卡存储最大支持扩展到32g； 实测功耗： 2.9w；电源输入： dc 9v-24v宽压输入，建议dc 12v或者24v输入；主面板背面的端口及接线如图3所示，图中j1、j2、j3区域的注释如下表：
32.本例中安装支架通过螺栓旋入安装孔将安装座固定于平面上的螺孔内，当然也可以使用魔术贴将安装支架粘于平面或墙面上实现固定。
33.本发明针对避碰预警的方案的逻辑，做了大量的研究和调整，目标旨在形成一个对船舶安全航行和管理比较适用的工具，最大限度地降低安全事故发生概率，开发了市场上首创的避碰预警系统和驾驶行为分析系统，并建立船舶航行案例库，提升船舶的航行安全性，同时为全球所有船舶航行安全输出经验和标准。
34.系统的主要功能是当碰撞危险发展到即将形成紧迫危险时，向驾驶员和船长同时
发出报警，提醒船长立即上驾驶台采取措施；将船舶航行动态和开船行为数据保存并回传，实现监控和回放，通过软件分析和人为观察对船员进行评估。
35.系统具有以下特性：创新性：汇聚资深船长多年航海经验和思想，创新性地提出预警逻辑和避碰策略，形成了基于该创新的算法逻辑模型和预警方案；安全性：系统预警按威胁程度分级，以声光报警提醒驾驶人员和船长，便于及时发现威胁，研判威胁程度，通过操作消除威胁；实用性：操作简便，自动预警，人机交互符合常用习惯；适用性：可按不同船舶类型进行配置，适用于各种类型和不同大小的船舶；灵活性：部署灵活，可提供台式和嵌入式安装；可靠性：系统不提供原始数据更改功能，数据具唯一性，向岸传递进行备份；稳定性：使用24v直流适配器供电，系统可长时间稳定运行；拓展性：系统可按用户要求定制，可在需要的地方增加预警装置，提升预警覆盖范围；性价比高：投入小，辅助决策功效强，易于推广应用。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：包括：用于连接ais和arpa的串口服务器，所述串口服务器还连接vsat交换机，vsat交换机与主面板、延伸面板连通；主面板和延伸面板均包括：中央处理器、液晶屏、内存、flash存储、电源输入，其中电源输入为通过电源适配器连接交流电源，主面板设于驾驶室，延伸面板设于船长室；主面板和延伸面板还连接有用于发出预警的声光报警装置；所述中央处理器通过如下步骤处理数据：a1.通过ais获取本船和目标船的坐标和运动参数信息；a2.对本船和目标船的坐标和运动参数信息进行球面模拟运算获得dcpa和tcpa；a3.为本船划定安全区域，若在江河中行驶，则安全区域为椭圆，若在海洋中行驶，则安全区域为圆形；a4.将步骤a2计算过程中得到的相对速度向量向两端无限延长得到直线，若该直线与本船的安全区域相交或相切，则发出防撞预警，否则不发出预警。2.根据权利要求1所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述步骤a1中所述本船和目标船的运动参数信息包括：本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2。3.根据权利要求2所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述步骤a2中的球面模拟运算，包括以下步骤：s1.通过ais获取本船与目标船的经纬度坐标信息，其中的经纬度均采用弧度制；s2.根据本船与目标船的坐标信息，将地球作为半径6371.0072km的等效圆球体，采用半正矢公式计算连接本船与目标船的最短路径即大圆劣弧的长度，结果记为距离d；s3.采用公式：θ’=atan2(sin(δλ)cos(
ϕ
2),cos(
ϕ
1)sin(
ϕ
2)
−
sin(
ϕ
1)cos(
ϕ
2)cos(δλ))；计算目标船方向角，即目标船与本船的连线与真北方向的夹角，得到目标船方向角θ
′
，式中
ϕ1、
ϕ2是两点的纬度（弧度制）、δλ是两点的经度差（弧度制）；s4. 通过ais获取本船航速sog1，航向cog1，目标船航速sog2，航向cog2,采用公式：；计算相对航向向量，式中v1= sog1，v2= sog2，
ϕ1= cog1、
ϕ2= cog2，并通过：；得到相对航向角θ
″
；s5.相对航速v
r
为向量(v
rx
, v
ry
)的模：；s6.通过θ=θ
″‑
θ
′
求出本船与目标船连线与相对速度的夹角θ，则通过公式：dcpa=d*sinθ；tcpa=d*cosθ/v
r
；得到精确估算的cpa数据dcpa和tcpa；步骤s2中，距离d的计算公式为：
；式中r是球的半径，等于6371.0072km，
ϕ1、
ϕ2是本船与目标船两点的纬度（弧度制），λ1、λ2是两点的经度（弧度制）。4.根据权利要求3所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：当本船与目标船的平均纬度≥50
°
时，将步骤2经计算所得距离d乘以修正系数f，得到修正距离d
′
以取代d，用于步骤s6的计算；修正系数f=0.99945+0.000125*（90
°‑ꢀ
ϕ3）/10
°
，公式中，
ϕ3为本船与目标船的平均纬度（角度制）。5.根据权利要求4所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述步骤a3中，所述椭圆的长轴方向与本船的船首方向一致，且其长轴、短轴的长度与本船的长、宽、以及相对航速v
r
正相关，所述圆的半径只与相对航速v
r
正相关。6.根据权利要求5所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：设本船长度为l1，宽度为l2,自设时间为t，则所述椭圆的长半轴长度为l1/2+v
r
t,短半轴长度为l2/2+v
r
t，所述圆的半径为v
r
t，t越大时，警戒程度越高，且当本船 sog≤0.5 节时，避碰预警功能会自动停止；当本船 sog＞0.5 节时，避碰预警功能会自动开启，预警功能的设置于主面板或延伸面板任一处进行。7.根据权利要求6所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述步骤a3、a4是经进行可视化处理的，将所计算得到的椭圆或圆的中心作为原点的平面坐标系，船首方向为y轴，目标船坐标及相对航向均经过等效转化处理后用于本平面坐标系内，通过延长相对速度向量，可直观获知本船与目标船有无碰撞可能，若相对速度向量延长线与安全区域相切或相交，则主面板和延伸面板控制声光报警装置向外界发出防撞预警，并于液晶屏上作醒目的显示效果。8.根据权利要求7所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述步骤a2后，步骤a3前还包括：a21.确定本船处于江河中还是海洋中，该步骤由操作人员根据实际情况于主面板或延伸面板自选或由ais定位的本船坐标分析得出。9.根据权利要求8所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：所述延伸面板通过迷你交换机与vsat交换机连接，所述主面板和延伸面板内置用于断电保护的rtc实时时钟，内置用于提供函数控制发声的蜂鸣器，并装有看门狗管理软件；所述主面板和延伸面板均设有：1路usb 主口；1路usb 从口；2路rs-232接口；1路rs-485接口；1路10/100m网络接口；1对音频喇叭；
4路数字量io输入/4路数字量io输出；1路can总线接口；wifi模块。10.根据权利要求9所述基于ais的船舶防撞预警系统，其特征在于：还包括用于安装主面板和延伸面板，并将二者固定于平面或墙面上的安装支架，所述安装支架包括用于容纳主面板或延伸面板除液晶屏外五个面的盒体，以及用于连接盒体和平面或盒体和墙面的安装座，所述盒体上开设有让位于主面板或延伸面板上所有端口、接口的让位孔，安装座底部设有安装孔。

技术总结
本发明公开了一种基于AIS的船舶防撞预警系统，包括：用于连接AIS和ARPA的串口服务器，所述串口服务器还连接VSAT交换机，VSAT交换机与主面板、延伸面板连通；主面板和延伸面板均包括：中央处理器、液晶屏、内存、flash存储、电源输入，其中电源输入为通过电源适配器连接交流电源，主面板设于驾驶室，延伸面板设于船长室；主面板和延伸面板还连接有用于发出预警的声光报警装置；本发明通过接收AIS信息通过球面模拟计算和变化的安全区域计算，提高了CPA计算结果的准确性和精度，并通过可视化的转化，分析目标船在相对航速向量的条件下与安全区域的位置关系，可直观地于两处面板安装地同时对碰撞发出预警，相对于现有技术具有显著的技术进步。技术进步。技术进步。


技术研发人员：翁羿 丁亚明 胡巨胜 张雪锋
受保护的技术使用者：中海电信有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/14