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(biāo)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(jī)場建設(shè)項(xiàng)目參與的施工船舶達(dá)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(hào)燈、號(hào)型來標(biāo)示其作業(yè)性質(zhì)，對(duì)于附近航行的其它駕駛?cè)藛T而言存在識(shí)別困難的缺點(diǎn)，尤其是在視線不良的時(shí)候。而施工船舶的施工區(qū)域是動(dòng)態(tài)變化的，如通過布設(shè)實(shí)物航標(biāo)來標(biāo)識(shí)施工水域，則存在難度大、費(fèi)用高，難以實(shí)施。通過現(xiàn)有的技術(shù)手段如ais、虛擬警戒標(biāo)等，來解決施工船舶作業(yè)水域的明確標(biāo)識(shí)，是一個(gè)較好的思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中識(shí)別施工水域難度大、費(fèi)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(biāo)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(biāo)系統(tǒng)，包括虛擬警戒標(biāo)設(shè)備、云服務(wù)器和移動(dòng)終端；虛擬警戒標(biāo)設(shè)備設(shè)置在作業(yè)水域內(nèi)的各個(gè)施工船舶上，各臺(tái)虛擬警戒標(biāo)設(shè)備和移動(dòng)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(biāo)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(biāo)解算算法對(duì)gps信息和船艏向信息進(jìn)行計(jì)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(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)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(dòng)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(biāo)，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(jìn)行識(shí)別。

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

進(jìn)一步地，本發(fā)明的主控模塊采用stm32單片機(jī)。

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(biāo)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(biāo)解算算法對(duì)gps信息和船艏向信息進(jìn)行計(jì)算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

s2、實(shí)時(shí)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(yuǎn)程的云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)；

s3、設(shè)置待監(jiān)控的施工水域，提取云服務(wù)器中存儲(chǔ)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(shí)時(shí)繪制每個(gè)矩形水域?qū)?yīng)的虛擬警戒標(biāo)，每個(gè)虛擬警戒標(biāo)對(duì)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(biāo)，并結(jié)合施工船舶的ais系統(tǒng)指令，將虛擬警戒標(biāo)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(jìn)行識(shí)別。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟s1中通過矩形施工水域坐標(biāo)解算算法計(jì)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(duì)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(gè)頂點(diǎn)表示為笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；再將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的將矩形水域的四個(gè)頂點(diǎn)表示為笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)的方法具體為：

設(shè)施工船舶中心s為坐標(biāo)系原點(diǎn)，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(diǎn)s位置的坐標(biāo)(x0,y0),四個(gè)頂點(diǎn)x1,x2,x3,x4的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)；

s的坐標(biāo)為：

x0＝(d-c)/2

y0＝(a-b)/2

四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(diǎn)的坐標(biāo)為：

(x0h,y0h)^t＝r*(x0,y0)^t

四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(jìn)一步地，本發(fā)明的將笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)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(diǎn)s的經(jīng)緯度信息為：

lons＝lon0+dλ

其中，dep＝dis/1852·sinco＝x0h/1852；

四個(gè)頂點(diǎn)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(biāo)系統(tǒng)及方法，通過實(shí)現(xiàn)虛擬警戒標(biāo)的顯示來標(biāo)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(biāo)，轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度，使得施工水域虛擬警戒標(biāo)位置能隨著施工船舶的移動(dòng)自動(dòng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方案，施工船舶的工作狀態(tài)信息可通過遠(yuǎn)程通訊傳遞至云端，施工方和海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)均可以隨時(shí)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(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)控。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

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

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的軟件流程圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的正交坐標(biāo)系下船舶示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)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(jī)1；3-主控單片機(jī)2；4-電源管理模塊；5-秉火gps模塊；6-接口部分。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(shí)施例的基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標(biāo)系統(tǒng)，包括虛擬警戒標(biāo)設(shè)備、云服務(wù)器和移動(dòng)終端；虛擬警戒標(biāo)設(shè)備設(shè)置在作業(yè)水域內(nèi)的各個(gè)施工船舶上，各臺(tái)虛擬警戒標(biāo)設(shè)備和移動(dòng)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(biāo)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(biāo)解算算法對(duì)gps信息和船艏向信息進(jìn)行計(jì)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(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)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(dòng)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(biāo)，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(jìn)行識(shí)別。

移動(dòng)終端還能讀取并顯示云服務(wù)器中存儲(chǔ)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(jī)。

在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中：

stm32單片機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)的解析處理，得到最終數(shù)據(jù)。

單片機(jī)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(dòng)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(tái)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(dòng)終端和虛擬警戒標(biāo)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(biāo)終端通過云服務(wù)器向移動(dòng)終端提供施工船舶相應(yīng)狀態(tài)量信息時(shí)，移動(dòng)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(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自手機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和位置信息解算：首先根據(jù)本項(xiàng)目的需求設(shè)計(jì)出一種虛擬警戒標(biāo)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(biāo)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(shí)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(jìn)行解算，推算出四個(gè)頂點(diǎn)的位置信息。之后通過單片機(jī)的串口輸出ais報(bào)文，讓ais發(fā)射機(jī)發(fā)射，ais接收機(jī)則負(fù)責(zé)接受相應(yīng)的ais指令，用于施工矩形區(qū)域四點(diǎn)的警戒標(biāo)的顯示，讓其他的船只識(shí)別，

除此之外，考慮到設(shè)計(jì)方案的完整性和功能實(shí)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(chǔ)功能，移動(dòng)終端向云服務(wù)器發(fā)出指令后，可以隨時(shí)查閱船舶的歷史運(yùn)動(dòng)與工作信息。

本發(fā)明實(shí)施例的基于ais/gprs的施工船舶作業(yè)區(qū)虛擬警戒標(biāo)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(biāo)解算算法對(duì)gps信息和船艏向信息進(jìn)行計(jì)算，得到施工船舶的矩形水域的經(jīng)緯度信息；

s2、實(shí)時(shí)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(yuǎn)程的云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)；

s3、設(shè)置待監(jiān)控的施工水域，提取云服務(wù)器中存儲(chǔ)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(shí)時(shí)繪制每個(gè)矩形水域?qū)?yīng)的虛擬警戒標(biāo)，每個(gè)虛擬警戒標(biāo)對(duì)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(biāo)，并結(jié)合施工船舶的ais系統(tǒng)指令，將虛擬警戒標(biāo)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(jìn)行識(shí)別。

步驟s1中通過矩形施工水域坐標(biāo)解算算法計(jì)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(duì)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(gè)頂點(diǎn)表示為笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；再將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息。

將矩形水域的四個(gè)頂點(diǎn)表示為笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)的方法具體為：

船舶中心s為原點(diǎn)(坐標(biāo)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(duì)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(diǎn)s位置的坐標(biāo)(x0,y0),并求四個(gè)角點(diǎn)x1,x2,x3,x4的坐標(biāo)(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)。

s的坐標(biāo)為：

x0＝(d-c)/2

y0＝(a-b)/2(1)

四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(biāo)：

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(dòng)一定角度hea后,四個(gè)頂點(diǎn)x1,x2,x3,x4的坐標(biāo)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(diǎn)的坐標(biāo)為：

(x0h,y0h)^t＝r*(x0,y0)^t

四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(biāo)系下的坐標(biāo)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(biāo)系(cartesiancoordinates)為基準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)不由ais識(shí)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(shí)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(diǎn)s及四個(gè)角點(diǎn)x1,x2,x3,x4的經(jīng)緯度為lons,lats；lonx1,latx1；lonx2,latx2；lonx3,latx3；lonx4,latx4。

由g點(diǎn)確定s的經(jīng)緯度，對(duì)于一艘特定船舶，其gps位置相對(duì)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(diǎn)s為例，其與原點(diǎn)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(diǎn)緯度，λ1為g點(diǎn)經(jīng)度。

其余4個(gè)點(diǎn)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(biāo)解決方案，通過實(shí)現(xiàn)虛擬警戒標(biāo)的顯示來標(biāo)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(biāo)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(biāo)，轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度，使得施工水域虛擬警戒標(biāo)位置能隨著施工船舶的移動(dòng)自動(dòng)實(shí)時(shí)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(biāo)的通訊方式本專利結(jié)合gprs模塊和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方案，施工船舶的工作狀態(tài)信息可通過遠(yuǎn)程通訊傳遞至云端，施工方和海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)均可以隨時(shí)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(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)控。

4、提出了一種遠(yuǎn)程改變施工水域參數(shù)的方式在現(xiàn)代社會(huì)，隨著智能手機(jī)和ipad等移動(dòng)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(duì)應(yīng)app的方式來遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)于施工船舶動(dòng)態(tài)的跟蹤和管理。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)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(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。