船用智能避碰導航儀的製作方法
2024-02-15 20:09:15
專利名稱：船用智能避碰導航儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種船舶導航設備，特別是涉及一種船用智能避
碰導航儀(Vessel Intelligent Collision Avoidance Navigator, 簡稱VICAN)。
背景技術：
雷達用於船舶導航，至今已有六十多年歷史，成為船舶避碰、定 位和導航的有力工具，其作用尤以船舶避碰為主。但是傳統的船用導 航雷達顯示器，只能顯示目標船的瞬時位置，測出其距離和方位，而 不能直接顯示目標船的航向和航速；另外，它也不能直接得到目標船 的最近會遇距離(CPA)和到達最近會遇距離的時間(TCPA)。而判斷 目標船是否有碰撞危險以及確定本船所應採取的措施，又必須知道對 方的最近會遇距離、到達最近會遇距離的時間以及真實的動態。因此， 在利用雷達進行避碰時，要求駕駛員密切注視雷達螢光屏上的目標， 定時進行雷達標繪，通過作圖計算，取得上述數據。人工標繪一個目 標的過程約需要4至7min,而且在標繪過程中，要求雙方保持航向 航速不變，如有變化，須等雙方航向航速穩定後重新開始標繪。這樣， 往往由於人工標繪耽誤了時間而喪失安全避讓的時機，尤其在發生多 條船舶相遇且機動(改向或改速)頻繁的緊迫局面時，人工標繪往往 是不可能進行的。
由於電子計算機技術的發展和推廣使用，在六十年代末期開始出 現以電子計算才幾為基礎的自動雷達標繪儀(Autuomatic雷達 Plotting Aid,簡稱ARPA),在船用導航雷達技術發展上邁出了較大 的一步。這種自動雷達標繪儀能人工或自動捕捉目標，捕獲(或稱錄 取)後自動跟蹤目標，以矢量形式在顯示器(PPI)屏幕上顯示目標 船的航向和航速。另外，由操作者設定最近會遇距離和到達最近會遇 距離時間的允許界限(或稱報警界限)，當計算機算出目標的最近會 遇距離和到達最近會遇距離時間小於所設定的允許界限時，會自動以 各種方式(視覺或音響)報警，提醒駕駛員採取避讓措施，如有需要， 還可進行試操船(試改向及/或試改速)，以決定所需採取的避讓措施。
但長期以來，船舶間避碰決策的制定主要依賴於航海駕駛人員的 一系列操作來完成的，即首先，駕駛人員通過正規、有效地瞭望， 及時發現目標船；然後，對當前航行條件及目標船的性質、會遇局面、
碰撞危險等進行分析、判斷；最後，依據《國際海上避碰規則》及自
己的航海知識和航海經驗，並綜合當前的判斷結果，經頭腦進行推理， 作出相應的避讓決策。在整個"發現——判斷——避讓"的避讓決策 制定過程中，不僅要求航海駕駛人員要集中精力瞭望，作出正確的判 斷，同時還要熟記^見則中的各項條款，並且對其有正確的理解和靈活
解或其他原因造成的失誤，都將導致避碰決策的失敗和碰撞事故的發 生。而且，在某些特殊條件下，人們能否迅速估計局面並採取正確的 行動，在很大程度上取決於人的個性和心理狀態。如駕駛人員情緒緊
張，就會變得反應遲鈍，造成操作上的失誤；另外，過度疲勞也是造 成失誤的一個原因。
自動雷達標繪儀(ARPA )可以幫助人們解決信息處理的部分問題， 但最終避碰決策的制定仍舊依賴於人，所以ARPA的使用並不能完全 替代自動避碰系統。即使在綜合船橋系統(IBS)出現的今天，諸如 NAC0S這樣的綜合航行系統也只是在接近危險物或會遇來船時發出相 應的危險報警，而避碰決策的制定及避碰操船等均由駕駛員來完成。
如何在船舶避碰決策和操作上逐步減輕駕駛員的負擔，進而從根 本上解決人為因素問題對船舶航行安全的困擾，是業者所追求的目 標。
實用新型內容
本實用新型的目的在於提供一種智能化程度高、可靠性高、功能 齊全的船用智能避碰導航儀(VICAN ),以替代傳統的自動雷達標繪儀 (ARPA)及隨後的IBS系統。
為實現上述目的和功能，本實用新型的技術解決方案是 本實用新型是一種船用智能避碰導航儀，它主要由主計算機、信 號採集和信號處理模塊、VICAN控制臺、終端設備組成；所述的信號 採集和信號處理模塊、VICAN控制臺、終端設備分別連接主計算機的 串行接口；所述的信號採集和信號處理模塊由雷達、AIS設備、GPS 接收機、羅經、計程儀、測深儀組成，雷達數據輸出接口與主計算機 串行接口連接，AIS設備數據輸出接口與主計算機串行接口連接，GPS 接收機數據輸出接口與主計算機串行接口連接，羅經數據輸出接口與 主計算機串行接口連接，計程儀數據輸出接口與主計算機串行接口連
接，測深儀數據輸出接口與主計算機串行接口連接。
所述的終端設備包括圖形顯示器和音箱設備，主計算機輸出接口 與圖形顯示器輸入接口連接，主計算機輸出接口與音箱設備輸入接口 連接。
所述的VICAN控制臺包括操縱杆或跟蹤球、多個控制鍵、多個控 制鈕，VICAN控制臺數據1/0接口與主計算機串行接口連接。 所述的主計算機設有預留擴展接口 。 所述的主計算機是嵌入式計算機。
採用上述方案後，本實用新型VICAN是一種全新概念的船用導航 設備，它不同於將雷達、GPS、 ECDIS、 AIS、計程儀、測深儀、操舵 儀、車鍾等船舶儀器設備組合在一起構成的IBS操控平臺，而是一臺 能夠集成來自雷達、AIS、 GPS、計程儀和測深儀的動態信息與來自電 子海圖的靜態信息，具備避讓水上或水下靜態與動態目標的自動決策 功能以及動靜態航行環境信息綜合顯示功能的船用導航設備。它綜合 運用了決策支持技術、人工智慧技術、模糊數學、資料庫技術、多媒 體技術、信息融合技術以及傳統雷達技術，在船舶接近危險物或會遇 來船時，通過聲光、圖形、符號等方式發出擱淺、觸礁或碰撞危險報 警，並自動給出安全避讓決策，輔助船舶駕駛員搡縱船舶，從而減輕 船舶駕駛員的負擔，提高船舶航行安全。
圖1是本實用新型的系統框圖2是本實用新型的智能避碰模型的框圖。
具體實施方式
如圖l所示，本實用新型是一種船用智能避碰導航儀(VICAN), 它主要由主計算機l、信號採集和信號處理模塊2、 VICAN控制臺3、 終端設備4、預留擴展接口5組成。除了上述的硬體部分，本實用新 型還包括安裝在主計算機1內的ECDIS、船舶智能避碰決策支持系統、 航行控制系統等軟體。
所述的信號採集和信號處理模塊2、 VICAN控制臺3、終端設備4 分別連接主計算機1的串行接口 。
所述的信號採集和信號處理模塊2由雷達21、 AIS設備22、 GPS 接收機23、羅經24、計程儀25、測深儀26組成。雷達21數據輸出 接口通過動態物標信息融合模塊221與主計算機1串行接口連接，AIS 設備22數據輸出接口通過動態物標信息融合模塊221與主計算機1 串行接口連接，GPS接收機23數據輸出接口通過GPS信息採集模塊 231與主計算機1串行接口連接，羅經24數據輸出接口通過羅經信 息採集模塊241與主計算機1串行接口連接，計程儀25數據輸出接 口通過計程儀信息採集模塊251與主計算機1串行接口連接，測深儀
26數據輸出接口通過測深儀信息採集模塊261與主計算機1串行接 口連接。
所述的終端設備4包括圖形(圖像)顯示器41和音箱設備42， 主計算機l輸出接口與圖形(圖像)顯示器21輸入接口連接，主計 算機1輸出接口與音箱設備42輸入接口連接。VICAN控制臺3包括 操縱杆或跟蹤球及其他控制鍵、鈕，VICAN控制臺3數據I/0接口與 主計算機1串行接口連接，它為VICAN提供了 一個較好人機互動媒介， 可以將操作者的各種操作信息送入主計算機1,也可以接受來自主計 算機1的各種報警信息及操船指令。同時，VICAN為今後產品升級和 開發船舶自動航行儀預留了系統擴展串行接口 5,從該接口可以讀取 船舶避碰決策支持系統給出的避碰決策參數，送給自動操舵儀和車鍾 儀等設備。
所述的主計算機l是嵌入式計算機，是VICAN的主處理單元，它 根據信號採集和信號處理模塊2所輸出的動態數據和ECDIS系統的靜 態數據，調用船舶智能避碰決策支持系統和航行控制系統進行相關運 算，最終通過終端設備4以聲光、圖形、符號等方式發出擱淺、觸礁 或碰撞危險報警，並自動給出安全的、合理的和科學的避讓決策建議。 因此，VICAN是將船舶智能避碰決策支持系統與雷達、AIS、 GPS、計 程儀、測深儀等設備相結合，利用人工智慧技術提升了傳統ARPA的 智能特性，克服了傳統ARPA試操船功能的局限性。
如圖2所示，所述船舶智能避碰決策支持系統通過機器學習識別 和利用動靜態物標的信息以及現有知識，在線獲取新知識和新技能， 由計算機自動實現和完成船舶駕駛員在避碰活動中的環境分析、信息 融合、目標識別、局面判斷、決策形成、及決策執行中的避碰效果檢 驗等認知過程，並因系統的智能學習能力和計算機強大的計算和信息 處理能力可獲得更科學、更合理的避碰決策，從而實現超越駕駛員智 能的"擬人"智能避碰。船舶智能避碰決策支持系統的核心技術是智 能避碰模型，利用Visual 0++編制船舶智能避碰決策自動化程序實 現決策的自動生成與優化，具體採用正向推理控制策略、啟發式搜索 方法，將構成智能避碰模型的機器學習模塊、動態避碰知識模塊、推 理機和決策分析評價體系有機的融為 一體，獲得問題的求解。
所述航行控制系統包括航線設計模塊、航路監視模塊和航跡記錄 模塊，航線設計模塊實現用光標直接在電子海圖上繪製轉向點，或通 過手工輸入轉向點的坐標來設計航線，可以由速度計算預計到達時 間，或由預計到達時間計算航行速度，可以計算任意兩點的距離和方 位，標繪船位、航跡等；航路監視模塊實現自動計算船舶當前狀態與 計劃航向或航線的偏離量，並調用自適應自動舵算法糾正偏離量；航 跡記錄模塊則實現以一定的時間間隔記錄時間、本船位置、本船航向
和本船航速等數據，用於航行過程的回放、分析和列印等。
所述ECDIS為能讀取IH0 S-57標準電子海圖數據，以IH0 S-52 顯示標準顯示的電子海圖顯示與信息系統，它為VICAN提供了靜態物 標的信息源，同時也為VICAN提供了一個綜合信息顯示的平臺。
本實用新型的工作原理
所述的動態物標信息融合模塊221通過模糊綜合評判的算法將 雷達21視頻回波信號與AIS設備22的物標動靜態信息進行融合處 理，然後輸入給主計算機l;羅經信息採集模塊241採集本船航向數 據、計程儀信息採集模塊251採集本船航速數據、測深儀信息採集模 塊261採集本船龍骨下水深數據以及GPS信息採集模塊2 31採集本船 船位數據輸入給主計算機1;最後主計算機1根據上述提供的各種數 據，配合VICAN控制臺3實現航行信息綜合顯示、自動雷達標繪(即 ARPA功能)以及航線設計、航跡監控、自動避船決策、自動避淺避 礁決策和航跡記錄等智能化功能。
本實用新型的主要功能
1 )航行信息綜合顯示功能
所述VICAN以電子海圖顯示與信息系統(ECDIS)為基本顯示平 臺，綜合對雷達、AIS、 GPS、羅經、計程儀和測深儀等設備輸出信息 的處理，給出與本船航行有關的周圍交通動態和海圖環境信息，實現 雷達回波圖像與電子海圖疊加顯示，並對雷達目標回波信息與AIS信 息進行融合與關聯處理，實現兩者的——對應。
2) 具備ARPA的功能
所述VICAN繼承了傳統ARPA的所有功能，滿足IM0關於ARPA性 能標準的頭見定(IM01995年11月23日通過的A. 823 (19)號決議)。所 述VICAN可以手動捕捉/自動跟蹤30個以上的目標；有對警戒區設 置、解除等功能；有目標參數讀取功能；可設置最小DCPA、 TCPA值， 系統自動進行危險判斷和報警；有試操船功能等。
3) 智能化功能
所述VICAN可進行合理的航線設計、航跡監控、自動避船決策、 自動避淺避礁決策和航跡記錄。在船舶航行過程中，可自動計算船舶 當前狀態與計劃航向或航線的偏離量，當偏離量超過設定值時自動給 出聲光報警，提醒船舶駕駛員；當船舶會遇到動態目標船或靜態礙航 物時，VICAN能夠實時監測目標，自動進行目標分類和危險判斷，自 動以聲音、文字顯示等方式給出合理、科學的船舶避碰決策建議，供 船舶駕駛員參考，以減輕駕駛員的負擔，有利於安全航行。
權利要求1、一種船用智能避碰導航儀，它主要由主計算機、信號採集和信號處理模塊、VICAN控制臺、終端設備組成；所述的信號採集和信號處理模塊、VICAN控制臺、終端設備分別連接主計算機的串行接口；其特徵在於所述的信號採集和信號處理模塊由雷達、AIS設備、GPS接收機、羅經、計程儀、測深儀組成，雷達數據輸出接口與主計算機串行接口連接，AIS設備數據輸出接口與主計算機串行接口連接，GPS接收機數據輸出接口與主計算機串行接口連接，羅經數據輸出接口與主計算機串行接口連接，計程儀數據輸出接口與主計算機串行接口連接，測深儀數據輸出接口與主計算機串行接口連接。
2、根據權利要求1所述的船用智能避碰導航儀，其特徵在於 所述的終端設備包括圖形顯示器和音箱設備，主計算機輸出接口與圖 形顯示器輸入接口連接，主計算機輸出接口與音箱設備輸入接口連 接。
3、 根據權利要求1所述的船用智能避碰導航儀，其特徵在於 所述的VICAN控制臺包括操縱杆或跟蹤球、多個控制鍵、多個控制鈕， VICAN控制臺數據I/0接口與主計算機串行接口連接。
4、 根據權利要求1所述的船用智能避碰導航儀，其特徵在於 所述的主計算機設有預留擴展接口 。
5、 根據權利要求1所述的船用智能避碰導航儀，其特徵在於 所述的主計算機是嵌入式計算機。
專利摘要一種船用智能避碰導航儀(VICAN)，它包括主計算機、信號採集和信號處理模塊、VICAN控制臺、終端設備。所述的信號採集和信號處理模塊由雷達、AIS設備、GPS接收機、羅經、計程儀、測深儀組成，所述的雷達、AIS設備、GPS接收機等數據輸出接口與主計算機串行接口連接。由於本實用新型是可集成來自雷達、AIS、GPS、計程儀和測深儀的動態信息與來自電子海圖的靜態信息，具備避讓水上或水下靜態與動態目標的自動決策功能以及動靜態航行環境信息綜合顯示功能的船用導航設備，在船舶接近危險物或會遇來船時，本實用新型可通過聲光、圖形、符號等方式發出報警信號，並自動給出安全避讓決策，輔助船舶駕駛員操縱船舶，減輕船舶駕駛員的負擔，提高船舶航行安全。
文檔編號G01S13/93GK201063059SQ20072000731
公開日2008年5月21日 申請日期2007年6月8日 優先權日2007年6月8日
發明者李麗娜, 楊神化, 索永峰 申請人:集美大學