一种大型船舶自动应急操舵系统及其方法

摘要

本发明公开了一种大型船舶自动应急操舵系统及其方法，包括：信息处理模块，与信息采集模块连接，接收信息采集模块获取的信息进行信息融合，识别需要避免碰撞的船舶；警报模块，与信息处理模块连接，接收信息处理模块发送的报警信息，向船舶驾驶台发出警报；决策模块，分别与信息处理模块和警报模块连接；决策模块接收信息处理模块发送的过滤信息，计算得到操舵的时间节点，并判断是否发出操舵指令并进行相应控制；操舵模块，与决策模块连接，接收决策模块发出的操舵指令，以实现应急操舵。本发明可快速判断操满舵方向并自动执行，实现应急操舵，适用于船舶流量较大的沿海区域，可以有效避免紧急情况下人为失误引起的船舶碰撞。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶自动驾驶领域，特别涉及一种大型船舶自动应急操舵系统及其方法。

背景技术

由于航行环境复杂、船舶流量大、驾驶不规范等原因，沿海地区一直以来都是船舶驾驶的技术难点和事故多发地。事故原因包括船员的疏忽或失误、无法迅速应对突发事件、措施采取不及时等主观因素以及船舶体积大、变向不灵活、操作不便、驾驶难度较高等技术因素。特别是船舶在沿海航行时，由于警报系统受小船(多为渔船)干扰，报警频繁，影响船舶正常驾驶，更有甚者会关闭警报，增加了事故发生的概率。

随着科学技术的发展，全球海上遇险和安全系统、电子海图显示系统、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)等现代先进技术被应用于船舶航行领域，大大提升了船舶航行的安全性和可靠性。但是这些的系统只具有发现潜在威胁的能力，却不能实现自动化处理，需要船员手动操作才能排除威胁。另一方面，虽然近年来自动避碰技术逐步受到关注，由于技术、成本、可靠性、复杂性(算法)等众多因素，依旧尚未全面普及且质量参差不齐。

为避免船舶发生海上事故，尤其是保障大型船舶的沿海航行安全，急需设计一套简单有效的自动应急操舵系统。操满舵作为一种应急措施，利用船舵的反作用力使船舶瞬时偏离操舵方向一段距离，普遍用于最近会遇距离(Distance to Closest Point of Approach，DCPA)和最近会遇时间(Time to ClosestPoint of Approach，TCPA)接近0时，避免两船碰撞或直接碰撞，但操舵时机往往依靠船员经验和直觉。利用这一原理设计自动应急操舵系统，可以降低自动避碰技术的复杂性，提高操作可靠性，同时避免紧急情况下由于船员疏忽或判断不准导致的船舶碰撞事故。

发明内容

本发明的目的提供一种大型船舶自动应急操舵系统及其方法，该船舶自动应急操舵系统包含信息采集模块、信息处理模块、警报模块、决策模块和操舵模块，当在船舶碰撞之前(最近会遇距离DCPA或最近会遇时间TCPA接近0时)，可快速判断操满舵方向并自动执行，适用于船舶流量较大的沿海区域，可以有效避免紧急情况下人为失误引起的船舶碰撞。

为了达到上述目的，本发明提供了一种大型船舶自动应急操舵系统，该系统包含：

信息处理模块，其与信息采集模块连接，接收所述信息采集模块获取的信息进行信息融合，识别需要避免碰撞的船舶；

警报模块，其与所述信息处理模块连接，接收所述信息处理模块发送的报警信息，向船舶驾驶台发出警报；

决策模块，其分别与所述信息处理模块和所述警报模块连接；所述决策模块接收所述信息处理模块发送的过滤信息，计算得到操舵的时间节点，并判断是否发出操舵指令并进行相应控制；

操舵模块，其与所述决策模块连接，接收所述决策模块发出的操舵指令，以实现应急操舵。

优选地，所述信息采集模块获取的信息包含船舶信息和环境信息；

所述环境信息包含ARPA雷达信息、水流信息、风向信息的一种及多种，分别通过ARPA雷达、水流感知系统、风向感知系统进行采集；

所述船舶信息包含船舶类型、船舶尺度、船舶位置、实时航向、航速、船首、船长、船宽的一种或多种，通过GPS设备和AIS系统进行采集。。

优选地，所述警报模块接收来自所述信息处理模块的报警信息，通过与报警器连接，向所述船舶驾驶台发出图像警报或者声音警报或者指示灯警报，以提醒船员注意避让。

优选地，所述决策模块包含：

计算模块，其与所述信息处理模块连接，接收所述信息处理模块过滤得出的船舶信息和环境信息，根据最近会遇距离和最近会遇时间计算软件，结合本船和他船两船的相对位置、航向、航速、舵效、操舵延迟时间及相关环境信息，得出操舵的时间节点；

判断模块，其与所述计算模块连接，判断当本船和他船两船到达交叉点时的预计碰撞距离、预计碰撞时间是否满足预先设置的参数值以及所述警报模块发出的警报是否得到及时反馈，从而判断是否发出操舵指令；

控制模块，其分别与所述操舵模块和所述判断模块连接，接收所述判断模块的操舵指令，并向所述操舵模块传递应急操舵命令。

优选地，当所述警报模块发出的警报未得到及时反馈时，船员未采取避让措施时，所述判断模块向所述控制模块发出操舵指令；

当所述警报模块发出的警报得到及时得到反馈时，船员采取避让措施，所述判断模块取消操舵指令。

优选地，所述信息处理模块将所述信息采集模块获取的船舶信息和环境信息和本船舶的运动信息进行融合，根据初始设定参数，识别需要避碰的船舶及该船舶信息，过滤小船干扰，并通过对采集的船舶信息的连续性滚动存储，对潜在危险进行实时判断，同时将存在威胁的船舶信息传递到所述计算模块，并将警报信息传递到所述警报模块。

优选地，所述操舵模块设置在船舶操舵机舱内，所述操舵模块与船舶的舵机连接。

本发明还提供了一种基于如上文所述的大型船舶自动应急操舵系统的自动应急操舵方法，该方法包含以下过程：

信息采集模块采集本船、他船及环境信息；

信息处理模块将所述信息采集模块采集到的各种信息进行融合，识别需要避碰的船舶及该船舶信息，识别需要避免碰撞的船舶；

警报模块接收所述信息处理模块发送的报警信息，向船舶驾驶台发出警报；

决策模块接收所述信息处理模块发送的过滤信息，计算得到操舵的时间节点，并判断是否发出操舵指令并进行相应控制；

控制模块负责接收操舵指令，并向操舵模块传递应急操舵命令，实现应急操舵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的大型船舶自动应急操舵系统包含信息采集模块、信息处理模块、警报模块、决策模块和操舵模块，当在船舶碰撞之前(最近会遇距离DCPA或最近会遇时间TCPA接近0时)，可快速判断操满舵方向并自动执行，可以实现应急操舵，本发明适用于船舶流量较大的沿海区域，可以有效避免紧急情况下人为失误引起的船舶碰撞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的大型船舶自动应急操舵系统模块组成示意图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

以下结合附图以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明的大型船舶自动应急操舵系统包含信息采集模块、信息处理模块、警报模块、决策模块和操舵模块。

信息采集模块通过GPS设备、ARPA雷达、AIS系统、水流感知系统、风向感知系统等来采集本船、他船及环境信息(信息包含船舶类型、船舶尺度、GPS定位、实时航向、航速、船首、船长、船宽、水流、风力风向等)。其中，环境信息包含ARPA雷达信息、水流信息和风向信息，分别通过ARPA雷达、水流感知系统、风向感知系统进行采集；船舶信息包含船舶类型、船舶尺度、船舶位置、实时航向、航速、船首、船长和船宽，通过GPS设备和AIS系统进行采集。

信息处理模块与信息采集模块相连接，用于将采集到的各种信息和本船的运动信息进行融合，根据初始设定参数，识别需要避碰的船舶及其相关信息，即过滤小船干扰，并通过对所采集的船舶信息的连续性滚动存储，对潜在危险进行实时判断，同时将存在威胁的相关船舶信息传递到决策模块中的计算模块，并将警报信息传递到警报模块。

警报模块与报警器相连，警报模块接收来自信息处理模块的报警信息，用于向船舶驾驶台发出警报，即发出图像警报、声音警报、指示灯警报等提醒船员注意避让。

决策模块位于船舶驾驶台计算机内，决策模块与信息处理模块相连接。该决策模块包含计算模块、判断模块和控制模块。

其中，计算模块以DCPA和TCPA计算软件为核心，用于接收信息处理模块过滤得出的相关信息(即船舶信息和环境信息)，根据最近会遇距离(DCPA)和最近会遇时间(TCPA)计算软件，结合他船和本船这两船的相对位置、航向、航速、舵效、操舵延迟时间及环境信息，计算得出会遇的时间和距离，从而得出操舵的时间节点，即何时需要打满舵。其中，最近会遇距离和最近会遇时间这两者是确定船舶是否存在碰撞危险的判断依据，在雷达上标绘，当其为0时，本船和他船有会遇可能，若不采取措施将发生碰撞。

判断模块与计算模块相连，用于判断本船和他船两船到达交叉点的“碰撞”距离及预计“碰撞”时间是否满足预先设置的参数值，以及警报模块发出的警报是否得到及时反馈，从而判断是否发出操舵指令(当警报模块发出的警报没有收到及时反馈，船员没有采取相关避让措施时，判断模块则向控制模块发出操舵指令；若警报及时得到反馈，船员采取了相应避让措施，判断模块则取消操舵指令)。

控制模块与判断模块连接，该控制模块负责接收判断模块的操舵指令，并向操舵模块传递应急操舵命令。

操舵模块位于船舶操舵机舱内，与控制模块相连接，接收到控制模块发出的应急操舵命令。同时操舵模块与船舶的舵机相连，进行应急操舵，从而避让目标，实现应急操舵。

综上所述，本发明的大型船舶自动应急操舵系统设置信息采集模块、信息处理模块、警报模块、决策模块和操舵模块，信息采集模块采集本船、他船及环境信息，信息处理模块将采集到的各种信息进行融合，识别需要避碰的船舶及其相关信息；警报模块接收报警信息，向船舶驾驶台发出警报；决策模块接收信息处理模块过滤得出的相关信息，根据DCPA和TCPA计算软件，结合两船的相对位置、航向、航速、舵效、操舵延迟时间及环境信息，得出操舵的时间节点，判断两船到达交叉点的碰撞距离及时间是否满足预先设置的参数值，以及警报模块发出的警报是否得到及时反馈，从而判断是否发出操舵指令；控制模块负责接收操舵指令，并向操舵模块传递应急操舵命令，实现应急操舵。当在船舶碰撞之前(DCPA或TCPA接近0时)，可快速判断操满舵方向并自动执行，适用于船舶流量较大的沿海区域，可以有效避免紧急情况下人为失误引起的船舶碰撞。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。