一种基于大数据分析的船舶超高预警系统及方法与流程

1.本发明属于桥梁防撞的技术领域，具体涉及一种基于大数据分析的船舶超高预警系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着国民经济的高速增长，内河航运交通变得十分繁忙，保护航道上桥梁的基础安全是航运交通的重要主题之一。由于航道桥梁的通航净高有限、船舶驾驶员的操作失误等因素，船舶在航行过程中经常因超过通航净高或者偏航而与桥梁发生碰撞事故。
3.目前，为避免因船舶超高而与桥梁发生碰撞所采用的防撞技术主要分为被动防撞技术和主动防撞技术；其中，被动防撞技术主要是通过提高桥梁的抗撞击能力和增加缓冲装置，从而保证桥梁在与船舶发生碰撞后不发生倒塌事故，但该技术不能避免碰撞的发生，对于大型船舶防撞效果较差，且发生碰撞后桥梁仍需检测和维修。
4.主动防撞技术主要依赖于船舶测高，在船舶距离桥梁的一定范围内提前测出船舶高度，从而实现提前通知超高船舶停船或返航，以避免船舶与桥梁发生碰撞的效果。如基于红外线进行船舶测高，红外线测高主要依赖于热成像，船舶上部分细小或热量低的结构或部件在测高时容易被忽略，从而导致测高准确性较差；另外，红外线测高的距离有限，导致测得船舶较为准确高度时，船舶距离桥梁的距离较近，对于水流湍急的航道或船舶体型较大的情况，船舶难以完成停船或返航操作，主动防撞的有效距离较短、效果较差。中国专利cn207302362u公开的一种基于图像识别技术测量船舶高度的桥梁防碰撞预警装置，该方案中，主机箱根据摄像机采集的船舶像素高度以及激光测距仪采集的摄像头到船舶的距离，从而判断船舶的实际高度，该方案中测高主要依靠对图像的处理和计算分析，对于图像中船舶的清晰度有较高要求，在光照条件较差或雨雾等容易影响摄像机拍摄的天气下，该方案进行船舶测高的可靠性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于大数据分析的船舶超高预警系统及方法，解决目前主动防撞技术的防撞有效距离较短的技术问题，取得提高船舶通行安全性的效果。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，所述船舶超高预警系统位于航道上，并包括中央控制单元和与中央控制单元电连接的ais系统模块、船舶净空高度测量装置、中央控制单元、通航净高探测模块、气象模块、图像识别模块和预警模块，ais系统模块还与船舶净空高度测量装置电连接；ais系统模块用于获取所在航道上各航行船舶的船名和坐标信息，船舶净空高度测量装置用于获取所在航道上航行船舶的净空高度并与船名对应，通航净高探测模块用于获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，气象模块用于获取气象信息，图像识别模块用于
远距离获取所在航道上航行船舶的图像数据，预警模块用于向所在航道上航行船舶发送预警信息。
7.进一步地，所述船舶净空高度测量装置包括中控电脑和与中控电脑电连接的三维激光探测设备和高清跟踪摄像机，ais系统模块与船舶净空高度测量装置中的中控电脑电连接；三维激光探测设备用于获取所在航道上航行船舶的激光雷达点云数据并传输至中控电脑，高清跟踪摄像机用于获取与所述激光雷达点云数据对应的航行船舶的高清图像数据并传输至中控电脑，中控电脑用于根据激光雷达点云数据和高清图像数据测量出航行船舶的净空高度，中控电脑还用于将测量出的各航行船舶的净空高度与ais系统模块获取的船名一一对应。
8.进一步地，所述三维激光探测设备的水平发射角为0.5弧度，三维激光探测设备的探测速率大于每秒10万个点。
9.进一步地，所述船舶净空高度测量装置测高的有效距离为5～1400米，测高精度小于20厘米。
10.进一步地，所述通航净高探测模块包括水位探测设备，气象模块包括气象探测设备。
11.进一步地，所述图像识别模块包括沿所在航道两岸间隔设置的监测设备。
12.进一步地，所述预警模块包括与中央控制单元电连接的预警发射装置和安装在船舶上的预警接收装置。
13.本发明还包括一种基于大数据分析的船舶超高预警方法，使用如上所述基于大数据分析的船舶超高预警系统，包括如下步骤：1）利用所述船舶净空高度测量装置获取若干组通行于所在航道船舶的基础数据，基础数据包括船舶的船名、净空高度和高清图像数据；2）中央控制单元根据若干组基础数据建立船舶数据库，船舶数据库包括若干船舶的船名和与船名对应的净空高度范围和高清图像数据；3）利用ais系统模块获取当前通行于所在航道上船舶的船名，利用图像识别模块获取当前通行于所在航道上船舶的图像数据；4）中央控制单元根据船舶的船名从船舶数据库中调取船舶的净空高度范围，中央控制单元根据船舶的图像数据测量出船舶的当前初始净空高度；5）中央控制单元通过气象模块用于获取气象信息，并根据气象信息、船舶的净空高度范围和当前初始净空高度确定当前最大净空高度；6）中央控制单元通过通航净高探测模块获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，判断船舶的当前最大净空高度是否大于跨河建筑物的通航净高，若是，则中央控制单元通过预警模块向对应船舶发送预警信息以避免发生撞桥事故。
14.进一步地，步骤5）包括如下子步骤：51）中央控制单元用船舶的当前初始净空高度减去预设的气象率定值得到当前修正净空高度；52）判断船舶的当前修正净空高度是否属于船舶的净空高度范围，是，则将当前修正净空高度作为船舶的当前最大净空高度，并执行步骤6），否，则执行步骤3）。
15.进一步地，步骤4）中，若当前通行于所在航道上的船舶数量大于1，则中央控制单元还将各船舶的图像数据与ais系统模块所获船名对应的高清图像数据进行比对，使根据图像数据得到的各船舶的当前净空高度与从船舶数据库中调取的各船舶的净空高度范围一一对应。
16.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明所述预警方法与现有主动防撞技术实时测量船舶高度不同，本发明在运行时，只需提前获取船舶的船名，无需对船舶高度进行精确的实时测量，基于现有的无线通讯和ais系统等技术可在船舶距离桥梁几公里外获取船舶的船名，进而作出判断并通过预警模块向对应船舶示警，使本发明所述桥梁主动防撞方法的防撞有效距离远大于现有主动防撞技术，通过预警单元向对应船舶示警时，船舶离桥梁距离较远，留给船舶停船和掉头返航的操作时间更充足，对于水流湍急的航道或船舶吨位较大的情况，船舶也可完成停船或返航操作，主动防撞效果较好，有利于提高船舶通行的安全性。
17.2、本发明所述预警方法基于预警系统进行，用于判断船舶是否能通过的当前最大净空高度主要取决于预设的图像测量误差值以及净空高度范围，而基于图像识别模块得到的当前净空高度仅作为基础值使用，对图像识别模块实时获取的图像数据的清晰度要求较低，使所述预警系统作出的判断在光照条件较差或雨雾等容易影响摄像机拍摄的天气下仍具有较高的可靠性。
附图说明
18.图1为实施例中所述基于大数据分析的船舶超高预警系统的结构图。
19.图2为实施例的基于大数据分析的船舶超高预警方法的流程图；
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水
平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.实施例：请参见图1，一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，所述船舶超高预警系统位于航道上，并包括中央控制单元和与中央控制单元电连接的ais系统模块（船舶自动识别系统）、船舶净空高度测量装置、中央控制单元、通航净高探测模块、气象模块、图像识别模块和预警模块，ais系统模块还与船舶净空高度测量装置电连接。
23.本实施例中，船舶净空高度测量装置包括中控电脑和与中控电脑电连接的三维激光探测设备和高清跟踪摄像机，ais系统模块与船舶净空高度测量装置中的中控电脑电连接；通航净高探测模块包括水位探测设备，实施时可采用水位计；气象模块包括气象探测设备，用于获取气象信息，本实施例中，气象信息包括风力和水流速度，图像识别模块包括沿所在航道两岸间隔设置的监测设备，实施时可采用摄像机；预警模块包括与中央控制单元电连接的预警发射装置和安装在船舶上的预警接收装置；所述三维激光探测设备的水平发射角为0.5弧度，三维激光探测设备的探测速率大于每秒10万个点，所述船舶净空高度测量装置测高的有效距离为5～1400米，测高精度小于20厘米。
24.ais系统模块用于获取所在航道上各航行船舶的船名和坐标信息；三维激光探测设备用于获取所在航道上航行船舶的激光雷达点云数据并传输至中控电脑，高清跟踪摄像机用于获取与所述激光雷达点云数据对应的航行船舶的高清图像数据并传输至中控电脑，中控电脑用于根据激光雷达点云数据和高清图像数据测量出航行船舶的净空高度，中控电脑还用于将测量出的各航行船舶的净空高度与ais系统模块获取的船名一一对应；通航净高探测模块用于获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，图像识别模块用于远距离获取所在航道上航行船舶的图像数据，预警模块用于向所在航道上航行船舶发送声、光和电等形式的预警信息。
25.实施时，所述预警系统可安装在所在航道上的桥梁等跨河建筑物上，若跨河建筑物的跨度小于或等于600米，则在跨河建筑物的任何位置安装一套所述预警系统；若跨河建筑物的跨度大于600米，则在跨河建筑物的两端各安装一套所述预警系统；所述预警系统的测量精度不受水位变化限制，可测量区域类的所有船舶。
26.请参见图1和图2，本发明还包括一种基于大数据分析的船舶超高预警方法，使用如上所述基于大数据分析的船舶超高预警系统，包括如下步骤：1）利用所述船舶净空高度测量装置获取若干组通行于所在航道船舶的基础数据，基础数据包括船舶的船名、净空高度和高清图像数据；实施时，三维激光探测设备是将发射的激光打到航行船舶上，对回波信号进行分析后得到航行船舶的距离信息，将所述距离信息与对应束激光的角度信息相结合，则形成三维空间中的一个点，三维激光探测设备在三维空间扫描时，碰到物体会产生很多点，这些点构成的离散点集合，即为激光雷达点云；实施时，三维激光探测设备和高清跟踪摄像机分别获取时空同步的激光雷达点云数据和图像数据，中控电脑收到激光雷达点云数据和图像数据后，先对图像数据中航行船舶的轮廓进
行标注，然后完成图像数据标注到激光雷达点云数据标注的映射，从而根据与航行船舶轮廓对应的激光点云数据测量出各航行船舶的高度；2）中央控制单元进行深度学习，即根据若干组基础数据建立船舶数据库，船舶数据库包括若干船舶的船名和与船名对应的净空高度范围和高清图像数据；实施时，船舶数据库还包括中控电脑基于高清图像数据获取的船舶的长度和宽度信息；3）利用ais系统模块获取当前通行于所在航道上船舶的船名，利用图像识别模块远距离获取当前通行于所在航道上船舶的图像数据；4）中央控制单元根据船舶的船名从船舶数据库中调取船舶的净空高度范围，中央控制单元根据船舶的图像数据测量出船舶的当前初始净空高度；若当前通行于所在航道上的船舶数量大于1，则中央控制单元还将各船舶的图像数据与ais系统模块所获船名对应的高清图像数据进行比对，使根据图像数据得到的各船舶的当前净空高度与从船舶数据库中调取的各船舶的净空高度范围一一对应；5）中央控制单元通过气象模块用于获取气象信息，并根据气象信息、船舶的净空高度范围和当前初始净空高度确定当前最大净空高度；具体地，中央控制单元用船舶的当前初始净空高度减去预设的气象率定值得到当前修正净空高度；然后判断船舶的当前修正净空高度是否属于船舶的净空高度范围，是，则将当前修正净空高度作为船舶的当前最大净空高度，并执行步骤6），否，则执行步骤3）；气象率定值根据气象信息确定，本实施例中，气象信息包括风力和水流速度信息，风力、水流速度和气象率定值的关系表如下：6）中央控制单元通过通航净高探测模块获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，判断船舶的当前最大净空高度是否大于跨河建筑物的通航净高，若是，则中央控制单元通过预警模块向对应船舶发送预警信息以避免发生撞桥事故。
27.本发明所述预警方法基于预警系统进行，由于相同船舶每次通过桥梁时受载货量等因素的影响，其高度有所变化，又由于受桥梁的通行净高、船舶吨位和载货种类的约束，其高度的变化范围较小，因此，本发明先通过船舶净空高度测量装置重复获取通行于所在桥梁船舶的高度，将中央控制单元作为数据处理中心并构建包括若干船舶的船名和与船名对应的净空高度范围和高清图像数据的船舶数据库；运行时，通过ais系统模块提前获取将要经过桥梁的船舶名称，从船舶数据库中提取船舶的净空高度范围，根据图像识别模块获取的船舶图像数据测出当前初始净空高度，再根据当前初始净空高度和气象率定值确定当前最大净空高度，最后基于跨河建筑物的通航净高和船舶的当前最大净空高度判断船舶是否可以通过桥梁；
其中，当前初始净空高度仅作为基础值使用，当前最大净空高度主要取决于预设的气象率定值以及净空高度范围，对图像识别模块实时获取的图像数据的清晰度要求较低，使所述预警系统作出的判断在光照条件较差或雨雾等容易影响摄像机拍摄的天气下仍具有较高的可靠性；实施时，可将预警系统安装在跨河建筑物上，将图像识别模块独立于预警系统安装在距离跨河建筑物较远的位置，实施时，还可增加气象模块获取的信息类型，比如增加光照强度信息的获取，再根据风力、水流速度和光照强度对气象率定值进行调整，以使最大净空高度更接近真实值；本发明所述预警方法与现有主动防撞技术实时测量船舶高度不同，本发明在运行时，只需提前获取船舶的船名，无需对船舶高度进行精确的实时测量，基于现有的无线通讯和ais系统等技术可在船舶距离桥梁几公里外获取船舶的船名，进而做出判断并通过预警模块向对应船舶示警，使本发明所述桥梁主动防撞方法的防撞有效距离远大于现有主动防撞技术，通过预警单元向对应船舶示警时，船舶离桥梁距离较远，留给船舶停船和掉头返航的操作时间更充足，对于水流湍急的航道或船舶吨位较大的情况，船舶也可完成停船或返航操作，主动防撞效果较好，有利于提高船舶通行的安全性。
28.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述船舶超高预警系统位于航道上，并包括中央控制单元和与中央控制单元电连接的ais系统模块、船舶净空高度测量装置、中央控制单元、通航净高探测模块、气象模块、图像识别模块和预警模块，ais系统模块还与船舶净空高度测量装置电连接；ais系统模块用于获取所在航道上各航行船舶的船名和坐标信息，船舶净空高度测量装置用于获取所在航道上航行船舶的净空高度并与船名对应，通航净高探测模块用于获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，气象模块用于获取气象信息，图像识别模块用于远距离获取所在航道上航行船舶的图像数据，预警模块用于向所在航道上航行船舶发送预警信息。2.根据权利要求1所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述船舶净空高度测量装置包括中控电脑和与中控电脑电连接的三维激光探测设备和高清跟踪摄像机，ais系统模块与船舶净空高度测量装置中的中控电脑电连接；三维激光探测设备用于获取所在航道上航行船舶的激光雷达点云数据并传输至中控电脑，高清跟踪摄像机用于获取与所述激光雷达点云数据对应的航行船舶的高清图像数据并传输至中控电脑，中控电脑用于根据激光雷达点云数据和高清图像数据测量出航行船舶的净空高度，中控电脑还用于将测量出的各航行船舶的净空高度与ais系统模块获取的船名一一对应。3.根据权利要求2所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述三维激光探测设备的水平发射角为0.5弧度，三维激光探测设备的探测速率大于每秒10万个点。4.根据权利要求2所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述船舶净空高度测量装置测高的有效距离为5～1400米，测高精度小于20厘米。5.根据权利要求2所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述通航净高探测模块包括水位探测设备，气象模块包括气象探测设备。6.根据权利要求2所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述图像识别模块包括沿所在航道两岸间隔设置的监测设备。7.根据权利要求2所述一种基于大数据分析的船舶超高预警系统，其特征在于：所述预警模块包括与中央控制单元电连接的预警发射装置和安装在船舶上的预警接收装置。8.一种基于大数据分析的船舶超高预警方法，其特征在于：使用如权利要求2-7任一项所述基于大数据分析的船舶超高预警系统，包括如下步骤：1）利用所述船舶净空高度测量装置获取若干组通行于所在航道船舶的基础数据，基础数据包括船舶的船名、净空高度和高清图像数据；2）中央控制单元根据若干组基础数据建立船舶数据库，船舶数据库包括若干船舶的船名和与船名对应的净空高度范围和高清图像数据；3）利用ais系统模块获取当前通行于所在航道上船舶的船名，利用图像识别模块获取当前通行于所在航道上船舶的图像数据；4）中央控制单元根据船舶的船名从船舶数据库中调取船舶的净空高度范围，中央控制单元根据船舶的图像数据测量出船舶的当前初始净空高度；5）中央控制单元通过气象模块用于获取气象信息，并根据气象信息、船舶的净空高度
范围和当前初始净空高度确定当前最大净空高度；6）中央控制单元通过通航净高探测模块获取所在航道上跨河建筑物的通航净高，判断船舶的当前最大净空高度是否大于跨河建筑物的通航净高，若是，则中央控制单元通过预警模块向对应船舶发送预警信息以避免发生撞桥事故。9.根据权利要求6所述一种基于大数据分析的船舶超高预警方法，其特征在于：步骤5）包括如下子步骤：51）中央控制单元用船舶的当前初始净空高度减去预设的气象率定值得到当前修正净空高度；52）判断船舶的当前修正净空高度是否属于船舶的净空高度范围，是，则将当前修正净空高度作为船舶的当前最大净空高度，并执行步骤6），否，则执行步骤3）。10.根据权利要求6所述一种基于大数据分析的船舶超高预警方法，其特征在于：步骤4）中，若当前通行于所在航道上的船舶数量大于1，则中央控制单元还将各船舶的图像数据与ais系统模块所获船名对应的高清图像数据进行比对，使根据图像数据得到的各船舶的当前净空高度与从船舶数据库中调取的各船舶的净空高度范围一一对应。

技术总结
本发明公开了一种基于大数据分析的船舶超高预警系统及方法，与现有主动防撞技术实时测量船舶高度不同，本发明在运行时，只需提前获取船舶的船名，无需对船舶高度进行精确的实时测量，基于现有的无线通讯和AIS系统等技术可在船舶距离桥梁几公里外获取船舶的船名，进而作出判断并通过预警模块向对应船舶示警，使本发明所述桥梁主动防撞方法的防撞有效距离远大于现有主动防撞技术，通过预警单元向对应船舶示警时，船舶离桥梁距离较远，留给船舶停船和掉头返航的操作时间更充足，对于水流湍急的航道或船舶吨位较大的情况，船舶也可完成停船或返航操作，主动防撞效果较好，有利于提高船舶通行的安全性。船舶通行的安全性。船舶通行的安全性。


技术研发人员：肖晨 夏天 朱国宏 金晓龙 张红 刘勇 蔡兴勇 许津玲 彭宗奎 陈智伟 吴博竞 杨彬 朱代臣 张顺 刘思凯 熊林 曾亚东
受保护的技术使用者：武汉城市公共设施运营管理集团有限公司 长江航道工程局有限责任公司
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/6/28