一种船舶应急防碰撞系统

摘要

本发明公开了一种船舶应急防碰撞系统，考虑到在碰撞事故中交叉碰撞发生概率最大，采用逆向思维，在撞击船的船艏合理布置防撞气囊，当发生船舶碰撞事故时保护双方船舶不受损害，化被动防撞为主动防撞。其中该系统将基于AIS与雷达信息互补的模糊测距系统与激光测距子系统相结合，并在船艏、船舷处分别布置充气式防撞气囊，在船只相遇交汇前期通过模糊测距系统进行初步预警，同时与激光测距系统配合以提高测距精度，为驾驶员评估船只碰撞的可能性并做出避碰措施提供依据，从而降低船舶碰撞的损伤程度，甚至避免船舶破损。

说明书

技术领域

本发明属于船舶安全保障技术领域，尤其涉及一种船舶应急防碰撞系统。

背景技术

近年来随着江河湖海中的船舶数量日益增多，船舶事故频频发生，船舶碰撞事故不仅给国家和社会造成了巨大的生命财产损失，还严重威胁到了海洋生态环境，阻碍了航运业的发展。针对客船的避碰问题，国内外对船舶应急规避碰撞等方面已有一定研究，研发出了基于AIS的船舶避碰专家系统、基于多元算法的应急避碰系统与船用护舷等避碰系统或设备。

现有的船用智能避碰系统虽然可以在一定程度上降低船舶碰撞事故发生的概率，但由于系统本身的不完善性与船舶操纵性较差的特点并不能有效规避碰撞；在通过外加装置来减轻船舶碰撞损害方面，船用护舷多用于船舶靠港或船舶之间的擦碰，对于交叉碰撞并没有较好的防护作用；船用靠垫虽然可在一定程度上减轻船舶碰撞对两船造成的损害，但需要人工放置，耗时较大且无法有效减轻船舶碰撞的损失。虽然以上系统或装置可在一定程度上规避碰撞或减轻船舶碰撞的损失，但适用范围有限，无法应对复杂多变的水上环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种船舶应急防碰撞系统，该系统将提前避碰与应急防碰撞有机结合，基于AIS与雷达信息互补的模糊测距系统提前规避碰撞，同时联合使用激光测距子系统，为船舶避碰决策进一步提供信息支持；另一方面，在船艏、船舷处布置多个充气式安全防撞气囊，在采取紧急避碰措施无效的情况下，迅速释放防撞气囊可有效降低撞击的损害程度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种船舶应急防碰撞系统，包括应急避碰模块、防撞气囊模块两大部分，其中，应急避碰模块包括模糊测距避碰子系统、激光测距子系统；防撞气囊模块包括船用防撞气囊、气囊释放系统；模糊测距避碰子系统基于船载自动识别系统和自动雷达标绘仪，通过判断最近会遇距离和到达最近会遇点的时间，将这两个因素与参考值进行比较来确定碰撞可能值，并根据碰撞可能值大小判定其危险程度。充分利用避碰系统的数据对船舶航线进行修正规划，可在船只相遇交汇前期使用模糊测距系统进行初步预警。激光测距子系统布置在各防撞气囊的安装位置处，采用环船身布置，激光测距子系统采用激光测距传感器和具有两自由度的云台，利用51单片机控制，实现水平方向和垂直方向全方位的动态扫描，实时自主监测己船与周围船只的距离。

按上述技术方案，船用防撞气囊采用气囊收纳盒式存放方式，布置在船艏及左右船舷处，其中船艏部分采用两个形状相同的“U”形气囊，船舷两侧采用圆柱状气囊。

按上述技术方案，防碰撞气囊模块中的气囊收纳盒装置为在船体表面设计长度为气囊长度，深度为20～30公分的气囊收纳盒，气囊收纳盒采用气囊饰盖覆盖，气囊饰盖表面膜压有浅印。以便气囊充气爆开时撕裂饰盖，并减小冲出饰盖的阻力。未充气时，气囊采用“环向折叠方式”以适配相应的气囊存储装置并迅速展开；在气囊内部，防撞气囊拟采用蜂窝式结构来分担压力；同时，船体各处的气囊分别对应布置相应数量的烟火式气体发生器以保证充气效率。

按上述技术方案，气囊收纳盒的固定装置具有多个固定单元及两个定位板，定位板位于气囊收纳盒的上下侧，固定单元均匀分布于气囊收纳盒的内部，固定单元具有若干个第一固定部及若干个第二固定部，定位板具有一个定位面、一个放置于该定位面的可剥离粘胶层及若干个定位部，定位板具有若干个对位部，先使该定位板的对位部与第一固定部产生对位，再使定位部与第二固定部互相嵌合定位。此外，气囊收纳盒在布置时避开锚孔。

按上述技术方案，气囊释放系统包括手动释放与自动释放两种方式，紧急情况下驾驶员可以通过判断碰撞可能值提前手动打开气囊释放开关；若未能及时手动释放防撞气囊，此时激光测距子系统实时检测并计算气囊释放时机，联动控制释放船用安全气囊。

按上述技术方案，气囊采用尼龙(聚酞胺)织物作为气囊材料并外加DowLT50低温硅酮涂层。

本发明系统的工作原理为：基于AIS与雷达信息互补的模糊测距系统提前规避碰撞，同时联合使用激光测距子系统，为船舶避碰决策进一步提供信息支持；另一方面，在船艏、船舷处布置多个充气式安全防撞气囊，在采取紧急避碰措施无效的情况下，迅速释放防撞气囊可有效降低撞击的损害程度。同时，如果在驾驶员未能意识到船舶将要发生碰撞危险时，系统根据激光测距子系统的监测数据可联动控制选择船用安全气囊的最佳释放时间；船用安全气囊布置在较易发生碰撞的船艏位置与部分船舷位置，在紧急碰撞事故发生时由激光测距子系统联动释放，吸收船舶碰撞带来的巨大冲击力，可有效降低船舶碰撞损害程度。如果自动控制出现故障则采用手动释放的方式，保证防撞气囊及时投入使用。

本发明产生的有益效果是：1.本发明基于逆向思维设计船艏应急防撞气囊，化被动避碰为主动避碰，可有效降低船首撞击的破坏力，减少碰撞事故造成的损伤，变相保证船舶的安全。

2.本发明从系统设计的角度为船舶提供一种新型防碰撞方式，基于船舶现有的AIS系统与雷达测量装置，为船舶驾驶员提供更可靠的决策支持；同时设计船用防撞气囊，分别布置在船艏与船舷两侧，可在船舶碰撞事故无法避免时有效的降低碰撞事故的损失甚至避免损失。

3.本发明设计出激光测距系统可大大提高船舶间距的测量精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例船舶应急防碰撞系统的系统原理图；

图2是本发明实施例的气囊控制原理图；

图3是本发明实施例的气囊收纳盒布置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，如图1、图3所示，提供一种船舶应急防碰撞系统，包括应急避碰模块、防撞气囊模块两大部分，其中，应急避碰模块包括模糊测距避碰子系统、激光测距子系统；防撞气囊模块包括船用防撞气囊、气囊释放系统；模糊测距避碰子系统基于船载自动识别系统(automatic identification system，AIS)和自动雷达标绘仪(automatic radarplotting aid，ARPA)，通过判断最近会遇距离和到达最近会遇点的时间，将这两个因素与参考值进行比较来确定碰撞可能值，并根据碰撞可能值大小判定其危险程度。充分利用避碰系统的数据对船舶航线进行修正规划，可在船只相遇交汇前期使用模糊测距系统进行初步预警。激光测距子系统布置在各防撞气囊的安装位置处，采用环船身布置，激光测距子系统采用激光测距传感器和具有两自由度的云台，利用51单片机控制，实现水平方向和垂直方向全方位的动态扫描，实时自主监测己船与周围船只的距离。

进一步地，船用防撞气囊采用气囊收纳盒式存放方式，布置在船艏及左右船舷处，其中船艏部分采用两个形状相同的“U”形气囊，船舷两侧采用圆柱状气囊。

进一步地，防碰撞气囊模块中的气囊收纳盒装置为在船体表面设计长度为气囊长度，深度为20～30公分(对船体结构影响小，符合工程安全和技术要求)的气囊收纳盒，气囊收纳盒采用气囊饰盖覆盖，气囊饰盖表面膜压有浅印。以便气囊充气爆开时撕裂饰盖，并减小冲出饰盖的阻力。未充气时，气囊采用“环向折叠方式”以适配相应的气囊存储装置并迅速展开；在气囊内部，防撞气囊拟采用蜂窝式结构来分担压力；同时，船体各处的气囊分别对应布置相应数量的烟火式气体发生器以保证充气效率。

进一步地，气囊收纳盒1的固定装置具有多个固定单元4及两个定位板2，定位板2位于气囊收纳盒的上下侧，固定单元4均匀分布于气囊收纳盒的内部，固定单元具有若干个第一固定部及若干个第二固定部，定位板2具有一个定位面、一个放置于该定位面的可剥离粘胶层及若干个定位部，定位板具有若干个对位部，先使该定位板的对位部与第一固定部产生对位，再使定位部与第二固定部互相嵌合定位。此外，气囊收纳盒在布置时避开锚孔3。

进一步地，气囊释放系统包括手动释放与自动释放两种方式，紧急情况下驾驶员可以通过判断碰撞可能值提前手动打开气囊释放开关；若未能及时手动释放防撞气囊，此时激光测距子系统实时检测并计算气囊释放时机，联动控制释放船用安全气囊。

按上述技术方案，气囊采用尼龙(聚酞胺)织物作为气囊材料并外加DowLT50低温硅酮涂层。

本发明的较佳实施例中，船舶应急防碰撞系统由应急避碰模块、防撞气囊模块两大部分组成。应急避碰模块是由模糊测距避碰子系统与激光测距子系统组成的联合系统。模糊测距避碰子系统采用AIS系统与雷达装置相结合的方式来获取会遇船舶的通行信息，其中AIS系统获取船舶类型、航向及航程数据等，雷达装置获取对方船舶的具体位置、航速及障碍物大小等信息；激光测距子系统采用激光测距传感器和具有两自由度的云台，利用高性能的51单片机控制，实现水平方向和垂直方向全方位的动态扫描，实时自主的监测目标船与周围船只的距离。为保证采集信息的准确性，激光测距装置采用环船身布置，合理分布在各个气囊的安装位置处。防撞气囊模块采用环船艏拼接布置多块从上到下依次增大的弧形气囊的方式，在客船紧急碰撞情况下迅速充气成形可对船艏形成一个较为严密的防护；船舷两侧采用圆柱形大型气囊以加强船舷侧的防护并降低船舷侧擦碰事故的损害。气囊设置位置均在在船舶最大吃水线以上。气囊释放方式包括手动释放与自动释放两种方式，在紧急情况下值班驾驶员可以通过判断碰撞事故发生的可能性提前打开手动开关释放气囊；若未能及时手动释放防撞气囊，此时激光测距模块可检测气囊释放最佳时机，迅速控制释放船用安全气囊。该系统中的AIS系统、雷达装置以及激光测距子系统联合成一个可以在碰撞事故发生前为船舶驾驶员提供决策支持的避碰模块，其中激光测距子系统包括激光测距传感器和具有两自由度的云台，利用高性能的51单片机控制，实现水平方向和垂直方向全方位的动态扫描，实时自主的监测目标船与周围船只的距离。

本发明设计了一种可以在船舶遇到碰撞事故且采取紧急避让措施无效的情况下降低碰撞损失的船舶应急防碰撞系统，基于激光测距子系统获得释放气囊的最佳时机并由激光测距模块联动释放防撞气囊。防撞气囊布置在船艏及船舷两侧，气囊采取贴合船体的内嵌式设计，在船舶正常行驶状态下不影响船舶正常航行及其他船上其他装置的使用。

在图2中判断气囊的最佳释放时间时，通过己船M测量目标船J的相对航行参数，则可将航船看作是直线运动，设M船在t₁、t₂时刻的位置、航向及分速度分别为x_m1，y_m1，x_m2，y_m1，F_m，u_mx，u_my。利用激光测距设备测得J船的相对位置及相对方位分别为r_jm1，r_jm2和h_jm1，h_jm2，由几何关系得J船在Δt＝t₁-t₂时间间隔内的相对位移为：

Δr_jm＝r_jm1+r_jm2-2r_jm1r_jm2cos(h_jm1-h_jm2)>

相对速度ujm与直线M′J′的夹角为：

于是得到目标船J对己船M的相对速度：

所以己船M在t1、t2时刻相继测得目标船的位置分别为：

x_j1＝x_m1+r_jm1sin[h_jm1+F_m]y_j1＝y_m1+r_jm1cos[h_jm1+F_m](4)

x_j2＝x_m2+r_jm2sin[h_jm2+F_m]y_j2＝y_m2+r_jm2cos[h_jm2+F_m](5)

如径向距离rjm1与大地坐标x轴的夹角为T，则目标船J的真实速度为：

u_jx＝u_mx+u_jmcos[Δh_jm+T]u_jy＝u_my+u_jmsin[Δh_jm+T](6)

T＝arctan{[y_j1-y_m1]/[x_j1-x_m1]}>

若h_jm1＜0，即J船在M船的左舷，方程中的u_jm取正号，否则取负号。J船的航向也可由右式计算：

F_j＝arctan[u_jx/u_jy]>

以上各式中所有角度的符号规定为：顺时针旋转的角度为正，反之为负。

通过以上方式测得两船在会遇过程中的实时相距距离，对于复杂的水域航行情况本系统采用激光测距与电子海图相结合的模式共同测量，由于它们都在运动，预测危险区必须不断地进行。在所有相遇船只都沿直线航行时(通常条件下如此)，这时目标船与己船的最近距离为：

其中：

依靠上述原理求得目标船与己船的最近距离C，根据船舶防撞气囊的充气速率所需的最大时间，计算得出船用安全气囊释放的最佳时刻。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。