本發(fā)明涉及智能航海技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前，港口、航道和水工設(shè)施的相關(guān)建設(shè)工程越來越多，建設(shè)周期越來越短，施工船舶越來越多。如海南某機場建設(shè)項目參與的施工船舶達1000余艘，施工船舶施工期的安全保障成為越來越重要的研究課題。施工船舶在施工作業(yè)期間，其作業(yè)水域應(yīng)不被其它船舶侵入，避免發(fā)生碰撞事故。

長期以來，施工船舶只能通過號燈、號型來標示其作業(yè)性質(zhì)，對于附近航行的其它駕駛?cè)藛T而言存在識別困難的缺點，尤其是在視線不良的時候。而施工船舶的施工區(qū)域是動態(tài)變化的，如通過布設(shè)實物航標來標識施工水域，則存在難度大、費用高，難以實施。通過現(xiàn)有的技術(shù)手段如ais、虛擬警戒標等，來解決施工船舶作業(yè)水域的明確標識，是一個較好的思路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中識別施工水域難度大、費用高的缺陷，提供一種基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標系統(tǒng)，包括虛擬警戒標設(shè)備、云服務(wù)器和移動終端；虛擬警戒標設(shè)備設(shè)置在作業(yè)水域內(nèi)的各個施工船舶上，各臺虛擬警戒標設(shè)備和移動終端均通過無線gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞脚c云服務(wù)器相連；其中：

虛擬警戒標設(shè)備包括主控模塊，以及與主控模塊均相連的gps模塊、ais海圖系統(tǒng)、羅經(jīng)傳感器和gprs數(shù)據(jù)通信模塊；gps模塊用于獲取施工船舶的gps信息，羅經(jīng)傳感器用于獲取施工船舶的船艏向信息；主控模塊通過矩形施工水域坐標解算算法對gps信息和船艏向信息進行計算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，并將其通過gprs數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送給云服務(wù)器；

云服務(wù)器實時接收并存儲施工水域內(nèi)所有施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

移動終端通過gprs數(shù)據(jù)通信的方式向云服務(wù)器發(fā)送待監(jiān)控的施工水域參數(shù)，讀取施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，將其發(fā)送給ais海圖系統(tǒng)，在ais海圖系統(tǒng)上繪制虛擬警戒標，并將施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為ais系統(tǒng)指令，發(fā)送給當(dāng)前施工船舶進行識別。

進一步地，本發(fā)明的移動終端還能讀取并顯示云服務(wù)器中存儲的施工船舶的經(jīng)緯度信息和航向信息。

進一步地，本發(fā)明的主控模塊采用stm32單片機。

本發(fā)明提供一種基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標方法，包括以下步驟：

s1、獲取施工船舶的gps信息和船艏向信息，通過矩形施工水域坐標解算算法對gps信息和船艏向信息進行計算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

s2、實時獲取并更新施工水域內(nèi)的所有施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，將其通過gprs數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送至遠程的云服務(wù)器進行存儲；

s3、設(shè)置待監(jiān)控的施工水域，提取云服務(wù)器中存儲的該施工水域內(nèi)的施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，并在顯示設(shè)備上實時繪制每個矩形水域?qū)?yīng)的虛擬警戒標，每個虛擬警戒標對應(yīng)一艘施工船舶的矩形水域；

s4、用戶通過顯示設(shè)備查看待監(jiān)控的施工水域內(nèi)的所有虛擬警戒標，并結(jié)合施工船舶的ais系統(tǒng)指令，將虛擬警戒標的經(jīng)緯度信息以ais系統(tǒng)指令的形式發(fā)送給施工船舶進行識別。

進一步地，本發(fā)明的步驟s1中通過矩形施工水域坐標解算算法計算矩形水域的經(jīng)緯度信息的方法具體為：

以施工船舶的長和寬建立對應(yīng)的矩形水域，根據(jù)施工船舶的gps信息和船艏向信息將矩形水域的四個頂點表示為笛卡爾坐標系下的坐標；再將坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息。

進一步地，本發(fā)明的將矩形水域的四個頂點表示為笛卡爾坐標系下的坐標的方法具體為：

設(shè)施工船舶中心s為坐標系原點，g為gps天線的位置，gps天線距離船艏船艉及左右邊的距離為固定值：a、b、c、d，施工水域長寬為2l、2w；船中心點s位置的坐標(x0,y0),四個頂點x1,x2,x3,x4的坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)；

s的坐標為：

x0＝(d-c)/2

y0＝(a-b)/2

四個頂點的坐標分別為：

x1＝x0+w

y1＝y(tǒng)0+l

x2＝x0+w

y2＝y(tǒng)0-l

x3＝x0-w

y3＝y(tǒng)0-l

x4＝x0-w

y4＝y(tǒng)0+l

施工船舶旋轉(zhuǎn)角度a后，s點的坐標為：

(x0h,y0h)^t＝r*(x0,y0)^t

四個頂點的坐標為：

(x1h,y1h)^t＝r*(x1,y1)^t

(x2h,y2h)^t＝r*(x2,y2)^t

(x3h,y3h)^t＝r*(x3,y3)^t

(x4h,y4h)^t＝r*(x4,y4)^t

其中，

進一步地，本發(fā)明的將笛卡爾坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息的方法具體為：

設(shè)gps天線位置g的經(jīng)度lon0,緯度lat0,天線距離施工船舶中心的距離為dis；

原點s的經(jīng)緯度信息為：

lons＝lon0+dλ

其中，dep＝dis/1852·sinco＝x0h/1852；

四個頂點的經(jīng)緯度信息為：

loni＝lon0+dλi，i取1，2，3，4；

lati＝lat0+dφi，i取1，2，3，4。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標系統(tǒng)及方法，通過實現(xiàn)虛擬警戒標的顯示來標示施工船舶的作業(yè)范圍，過往船舶的電子海圖與顯示系統(tǒng)能顯示該施工水域范圍，以便過往船舶及早發(fā)現(xiàn)和避開施工船作業(yè)水域；依據(jù)gps、羅經(jīng)來獲取施工船舶的地理位置和船艏向，結(jié)合施工船舶施工水域參數(shù)來解算施工水域坐標，轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度，使得施工水域虛擬警戒標位置能隨著施工船舶的移動自動實時調(diào)整，最終結(jié)合ais相應(yīng)指令，以ais的形式發(fā)送相應(yīng)語句；結(jié)合gprs模塊和云服務(wù)器實現(xiàn)遠程控制的方案，施工船舶的工作狀態(tài)信息可通過遠程通訊傳遞至云端，施工方和海事監(jiān)管機構(gòu)均可以隨時知曉船舶位置與工作情況，為內(nèi)河施工船工作期間的安全提供保障。對潛在危險進行預(yù)警預(yù)控。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的軟件流程圖；

圖4是本發(fā)明實施例的正交坐標系下船舶示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)一定角度后的船舶施工水域示意圖；

圖中，1-秉火gprs模塊；2-主控單片機1；3-主控單片機2；4-電源管理模塊；5-秉火gps模塊；6-接口部分。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標系統(tǒng)，包括虛擬警戒標設(shè)備、云服務(wù)器和移動終端；虛擬警戒標設(shè)備設(shè)置在作業(yè)水域內(nèi)的各個施工船舶上，各臺虛擬警戒標設(shè)備和移動終端均通過無線gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞脚c云服務(wù)器相連；其中：

虛擬警戒標設(shè)備包括主控模塊，以及與主控模塊均相連的gps模塊、ais海圖系統(tǒng)、羅經(jīng)傳感器和gprs數(shù)據(jù)通信模塊；gps模塊用于獲取施工船舶的gps信息，羅經(jīng)傳感器用于獲取施工船舶的船艏向信息；主控模塊通過矩形施工水域坐標解算算法對gps信息和船艏向信息進行計算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，并將其通過gprs數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送給云服務(wù)器；

云服務(wù)器實時接收并存儲施工水域內(nèi)所有施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

移動終端通過gprs數(shù)據(jù)通信的方式向云服務(wù)器發(fā)送待監(jiān)控的施工水域參數(shù)，讀取施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，將其發(fā)送給ais海圖系統(tǒng)，在ais海圖系統(tǒng)上繪制虛擬警戒標，并將施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為ais系統(tǒng)指令，發(fā)送給當(dāng)前施工船舶進行識別。

移動終端還能讀取并顯示云服務(wù)器中存儲的施工船舶的經(jīng)緯度信息和航向信息。主控模塊采用stm32單片機。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中：

stm32單片機是系統(tǒng)的控制中心，通過串口采集數(shù)字羅經(jīng)傳感器(hcm365b)得到的船艏向原始數(shù)據(jù)信息和gps傳感器(秉火gprs模塊)得到的地理位置原始數(shù)據(jù)信息之后，進行數(shù)據(jù)的解析處理，得到最終數(shù)據(jù)。

單片機控制gprs模塊向云服務(wù)器發(fā)射本船的船艏向信息和地理信息，而移動終端則收到云服務(wù)器的相應(yīng)信息，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)向云服務(wù)器發(fā)送施工船的施工水域參數(shù)信息指令，云服務(wù)器通過基站收發(fā)信臺向工程船控制中心stm32發(fā)送相應(yīng)指令，完成一系列的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。終端與云服務(wù)器的通信：終端(移動終端和虛擬警戒標終端)與云服務(wù)器的通信依賴于gprs通信網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)既定通信ip和端口，當(dāng)虛擬警戒標終端通過云服務(wù)器向移動終端提供施工船舶相應(yīng)狀態(tài)量信息時，移動終端便能知道施工船舶經(jīng)緯度，航向等信息，并且返回施工水域參數(shù)。

單片機通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自手機終端返回的數(shù)據(jù)信息(施工水域參數(shù))后，綜合本船的gps信息進行數(shù)據(jù)的分析和位置信息解算：首先根據(jù)本項目的需求設(shè)計出一種虛擬警戒標的顯示模型，即根據(jù)參數(shù)中的長寬顯示相應(yīng)的矩形區(qū)域，以笛卡爾坐標系(cartesiancoordinates)為基礎(chǔ)，結(jié)合矩陣變化及航跡繪算原理建立相應(yīng)位置的解算算法。實現(xiàn)根據(jù)用戶提供的相關(guān)參數(shù)及gps模塊采集的位置信息進行解算，推算出四個頂點的位置信息。之后通過單片機的串口輸出ais報文，讓ais發(fā)射機發(fā)射，ais接收機則負責(zé)接受相應(yīng)的ais指令，用于施工矩形區(qū)域四點的警戒標的顯示，讓其他的船只識別，

除此之外，考慮到設(shè)計方案的完整性和功能實現(xiàn)的全面性，作為通訊中轉(zhuǎn)的云服務(wù)器具有數(shù)據(jù)存儲功能，移動終端向云服務(wù)器發(fā)出指令后，可以隨時查閱船舶的歷史運動與工作信息。

本發(fā)明實施例的基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標方法，包括以下步驟：

s1、獲取施工船舶的gps信息和船艏向信息，通過矩形施工水域坐標解算算法對gps信息和船艏向信息進行計算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

s2、實時獲取并更新施工水域內(nèi)的所有施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，將其通過gprs數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送至遠程的云服務(wù)器進行存儲；

s3、設(shè)置待監(jiān)控的施工水域，提取云服務(wù)器中存儲的該施工水域內(nèi)的施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息，并在顯示設(shè)備上實時繪制每個矩形水域?qū)?yīng)的虛擬警戒標，每個虛擬警戒標對應(yīng)一艘施工船舶的矩形水域；

s4、用戶通過顯示設(shè)備查看待監(jiān)控的施工水域內(nèi)的所有虛擬警戒標，并結(jié)合施工船舶的ais系統(tǒng)指令，將虛擬警戒標的經(jīng)緯度信息以ais系統(tǒng)指令的形式發(fā)送給施工船舶進行識別。

步驟s1中通過矩形施工水域坐標解算算法計算矩形水域的經(jīng)緯度信息的方法具體為：

以施工船舶的長和寬建立對應(yīng)的矩形水域，根據(jù)施工船舶的gps信息和船艏向信息將矩形水域的四個頂點表示為笛卡爾坐標系下的坐標；再將坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息。

將矩形水域的四個頂點表示為笛卡爾坐標系下的坐標的方法具體為：

船舶中心s為原點(坐標系向上向右為正),g為gps天線位置，天線距船艏船艉及左右的距離(a,b,c,d)對于一艘船舶來說是固定的,設(shè)定施工水域長寬(2l,2w),求船中心點s位置的坐標(x0,y0),并求四個角點x1,x2,x3,x4的坐標(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)。

s的坐標為：

x0＝(d-c)/2

y0＝(a-b)/2(1)

四個頂點的坐標分別為：

x1＝x0+w

y1＝y(tǒng)0+l(2)

類似的，可以得到x1，x2，x3的坐標：

x2＝x0+w

y2＝y(tǒng)0-l

x3＝x0-w

y3＝y(tǒng)0-l

x4＝x0-w

y4＝y(tǒng)0+l

在上面的情況下，船轉(zhuǎn)動一定角度hea后,四個頂點x1,x2,x3,x4的坐標為：(x1h,y1h)，(x2h,y2h)，(x3h,y3h)，(x4h,y4h)。

設(shè)a＝hea，旋轉(zhuǎn)矩陣公式為：

x’＝xcosα+y(-sinα)

y’＝xsinα+y(cosα)

令

施工船舶旋轉(zhuǎn)角度a后，s點的坐標為：

(x0h,y0h)^t＝r*(x0,y0)^t

四個頂點的坐標為：

(x1h,y1h)^t＝r*(x1,y1)^t

(x2h,y2h)^t＝r*(x2,y2)^t

(x3h,y3h)^t＝r*(x3,y3)^t

(x4h,y4h)^t＝r*(x4,y4)^t(4)

將笛卡爾坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息的方法具體為：

由于上面兩種情況下的數(shù)據(jù)是以笛卡爾坐標系(cartesiancoordinates)為基準，其數(shù)據(jù)不由ais識別并發(fā)送，因此要轉(zhuǎn)化為wgs-84上的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，才能識別，因此由gps天線位置g的經(jīng)度lon0,緯度lat0,天線于船中距離dis，施工水域長寬(2l,2w)。解算船中心點s及四個角點x1,x2,x3,x4的經(jīng)緯度為lons,lats；lonx1,latx1；lonx2,latx2；lonx3,latx3；lonx4,latx4。

由g點確定s的經(jīng)緯度，對于一艘特定船舶，其gps位置相對于船中的位置已知，即x0,y0已知，則有：

dep＝dis/1852·sinco＝x0h/1852(5)

λ2＝λ1+dλ(8)

則以船中心點s為例，其與原點距離為：

另有：

cosco＝y(tǒng)0h/dis(10)

sinco＝x0h/dis(11)

dep＝dis/1852·sinco＝dis*x0h/(1852·dis)＝x0h/1852(13)

dλ＝dep·sec(lat0)＝dep/cos(lat0)(15)

lons＝lon0+dλ(16)

其中，c0為船艏向dis為船舶中心和天線位置的距離，dλ為船舶中心和天線的橫向經(jīng)度差，dφ為緯度差，φ1為g點緯度，λ1為g點經(jīng)度。

其余4個點的求解類似。

loni＝lon0+dλi，i取1，2，3，4；

lati＝lat0+dφi，i取1，2，3，4。

本發(fā)明的有益效果為：

1、提出一種ais技術(shù)與施工船舶需求相結(jié)合的虛擬警戒標解決方案，通過實現(xiàn)虛擬警戒標的顯示來標示施工船舶的作業(yè)范圍，過往船舶的電子海圖與顯示系統(tǒng)(ecdis)能顯示該施工水域范圍，以便過往船舶及早發(fā)現(xiàn)和避開施工船作業(yè)水域。

2、提出一種施工船舶的矩形施工水域坐標解算方法，依據(jù)gps、羅經(jīng)來獲取施工船舶的地理位置和船艏向，結(jié)合施工船舶施工水域參數(shù)來解算施工水域坐標，轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度，使得施工水域虛擬警戒標位置能隨著施工船舶的移動自動實時調(diào)整，最終結(jié)合ais相應(yīng)指令，以ais的形式發(fā)送相應(yīng)語句。

3、提出了一種新型的虛擬警戒標的通訊方式本專利結(jié)合gprs模塊和云服務(wù)器實現(xiàn)遠程控制的方案，施工船舶的工作狀態(tài)信息可通過遠程通訊傳遞至云端，施工方和海事監(jiān)管機構(gòu)均可以隨時知曉船舶位置與工作情況，為內(nèi)河施工船工作期間的安全提供保障。對潛在危險進行預(yù)警預(yù)控。

4、提出了一種遠程改變施工水域參數(shù)的方式在現(xiàn)代社會，隨著智能手機和ipad等移動終端設(shè)備的普及，人們逐漸習(xí)慣了使用app客戶端上網(wǎng)的方式，本專利采用了直接登陸對應(yīng)app的方式來遠程實時改變施工水域的參數(shù)，將現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ais有效的融合在一起。當(dāng)然，也可以實現(xiàn)對于施工船舶動態(tài)的跟蹤和管理。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。