一种船舶低航速预警检测系统及方法

摘要

一种船舶低航速预警检测系统及方法，该系统包括高精度低速雷达模块、数据采集处理模块、航速预警模块、调度通信模块；所述高精度低速雷达模块与数据采集处理模块连接，高精度低速雷达模块将原始速度值返回给数据采集处理模块，并接收数据采集处理模块的角度指令，启动电动云台，调整高精度低速雷达模块角度。所述数据采集处理模块分别与航速预警模块、调度通信模块连接，调度通信模块连接调度中心。本发明采用高精度低速雷达，实时测量船舶低航速信息，解决了升船机等通航建筑内全航道低航速检测的问题。本发明通过线性拟合算法，判断并修正船员走动时的误测值C，提高了检测系统的准确性。

权利要求

1.一种船舶低航速预警检测方法，其特征在于：调度中心（5）通过安装在升船机上的检测装置给出测量角度，并将测量角度值G传输给调度通信模块（4），由调度通信模块（4）将测量角度值G传输到数据采集处理模块（2），数据采集处理模块（2）将测量角度值G转换为控制指令，控制云台调整测量角度；

调度通信模块（4）自动接收调度中心（5）实时调度指令，当接收到船舶进出升船机的调度指令时，通知数据采集处理模块（2），由数据采集处理模块（2）发送使能信号，使能高精度低速雷达模块（1），同时数据采集处理模块（2）开始实时采集测量的速度信息，并结合记录的角度值G，实时修正船舶在其航向上的速度值S，对每一组实时速度值S进行一系列误测算法判断；如果是误测值，则通过线性拟合算法修正船员行走的误测值C；当接收到船舶进出升船机完成的调度指令时，通知数据采集处理模块（2），由数据采集处理模块（2）控制系统进入等待挂起状态；

航速预警模块（3）实时接收数据采集处理模块（2）计算出的速度值S，并进行判断当前速度值S是否大于调度中心限定的速度值L，如果当前速度值S小于调度中心（5）限定的速度值L，则将其显示在双面显示屏上，告知船舶驾驶员当前船舶航行速度；如果当前速度值S大于等于调度中心（5）限定的速度值L，双面显示屏上实时显示当前速度值S，同时双面显示屏上将显示超速字样，提醒船舶驾驶员当前船舶已超速应减速航行；

调度通信模块（4）实时接收数据采集处理模块（2）计算出的速度值S并上传至调度中心（5），如果当前速度值S大于等于调度中心（5）限定的速度值L，将提醒调度中心（5），由调度中心（5）再次通知，提醒船舶驾驶员需减速行驶。

说明书

一种船舶低航速预警检测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶进出升船机预警检测技术领域，具体是一种船舶低航速预警检测系统及方法。

背景技术

[0002] 随着国民经济的快速发展，内河航运发展迅速，水电站的开发建设大大改善了内河航运条件，航运市场增长迅猛。因水电站通航建筑物如升船机等的规定，对进出升船机等
通航建筑物的船舶航速有着严格的要求，但是现有技术在实际检测航速时因承船厢、船舶
上人员行走等因素，容易出现数据跳动、误测现象，导致测量数据不准确。因此设计一种能
够有效、精确检测船舶低航速的系统，并作为管控船舶进出厢航速的有效手段之一。

发明内容

[0003] 为解决上述技术问题，本发明提供一种船舶低航速预警检测系统及方法，采用高精度低速雷达，实时测量船舶低航速信息，解决了升船机等通航建筑内全航道低航速检测
的问题。本发明通过线性拟合算法，判断并修正船员走动时的误测值C，提高了检测系统的
准确性。

[0004] 本发明采取的技术方案为：

[0005] 一种船舶低航速预警检测系统，包括高精度低速雷达模块、数据采集处理模块、航速预警模块、调度通信模块；

[0006] 所述高精度低速雷达模块与数据采集处理模块连接，高精度低速雷达模块将原始速度值返回给数据采集处理模块，并接收数据采集处理模块的角度指令，启动电动云台，调
整高精度低速雷达模块的测量角度。

[0007] 所述数据采集处理模块分别与航速预警模块、调度通信模块连接，调度通信模块连接至调度中心。

[0008] 航速预警模块用于接收数据采集处理模块修正后的速度值，进行船舶超速判断并实时显示，以提醒船舶驾驶员船舶实时航速；

[0009] 调度通信模块用于接收调度中心的设定角度值和通航指令，传输给数据采集处理模块，以供数据采集处理模块进行整个检测系统的使能和挂起动作。

[0010] 该系统还包括安装在升船机承船厢上、下游位置的第一双面显示屏、第二双面显示屏，所述第一、二双面显示屏均连接数据采集处理模块。

[0011] 一种船舶低航速预警检测方法，

[0012] 调度中心通过安装在升船机上的检测装置给出测量角度，并将测量角度值G传输给调度通信模块，由调度通信模块将测量角度值G传输到数据采集处理模块，数据采集处理
模块将测量角度值G转换为控制指令，控制云台调整测量角度；

[0013] 调度通信模块自动接收调度中心实时调度指令，当接收到船舶进出升船机的调度指令时，通知数据采集处理模块，由数据采集处理模块发送使能信号，使能高精度低速雷达
模块，同时数据采集处理模块开始实时采集测量的速度信息，并结合记录的角度值G，实时
修正船舶在其航向上的速度值S，对每一组实时速度值S进行一系列误测算法判断；如果是
误测值，则通过线性拟合算法修正船员行走的误测值C；当接收到船舶进出升船机完成的调
度指令时，通知数据采集处理模块，由数据采集处理模块控制系统进入等待挂起状态；

[0014] 航速预警模块实时接收数据采集处理模块计算出的速度值S，并进行判断当前速度值S是否大于调度中心限定的速度值L，如果当前速度值S小于调度中心限定的速度值L，
则将其显示在双面显示屏上，告知船舶驾驶员当前船舶航行速度；如果当前速度值S大于等
于调度中心限定的速度值L，双面显示屏上实时显示当前速度值S，同时双面显示屏上将显
示超速字样，提醒船舶驾驶员当前船舶已超速应减速航行。

[0015] 调度通信模块实时接收数据采集处理模块计算出的速度值S并上传至调度中心，如果当前速度值S大于等于调度中心限定的速度值L，将提醒调度中心，由调度中心再次通
知，提醒船舶驾驶员需减速行驶。

[0016] 本发明一种船舶低航速预警检测系统及方法，技术效果如下：

[0017] 1：具备宽范围测速系统：通过电动云台和高精度测速雷达组合，解决了固定式安装测量范围有限的问题，提高了系统适用性。

[0018] 2：采用高精度低速雷达，实时测量船舶低航速信息，解决了升船机等通航建筑内全航道低航速检测的问题。

[0019] 3：本发明通过线性拟合算法，判断并修正船员走动时的误测值C，提高了检测系统的准确性。

附图说明

[0020] 图1为一种船舶低航速检测预警系统的安装示意图。

[0021] 图2为一种船舶低航速检测预警系统的结构示意图。

[0022] 图3为一种船舶低航速检测预警系统的工作流程图。

[0023] 图4为一种船舶低航速检测预警系统的数据处理流程图。

[0024] 其中：1-高精度低速雷达模块，2-数据采集处理模块，3-航速预警模块，4-调度通信模块，5-调度中心，6-被测船舶，7-升船机承船厢，8-第一双面显示屏、8’-第二双面显示
屏。

具体实施方式

[0025] 一种船舶低航速预警检测系统，包括高精度低速雷达模块1、数据采集处理模块2、航速预警模块3、调度通信模块4。

[0026] 所述高精度低速雷达模块1与数据采集处理模块2连接，高精度低速雷达模块1将原始速度值返回给数据采集处理模块2，并接收数据采集处理模块2的角度指令，启动电动
云台，调整高精度低速雷达模块1角度；

[0027] 所述数据采集处理模块2分别与航速预警模块3、调度通信模块4连接，调度通信模块4连接调度中心5；

[0028] 航速预警模块3用于接收数据采集处理模块2修正后的速度值，进行船舶超速判断并实时显示，以提醒船舶驾驶员船舶实时航速；

[0029] 调度通信模块4用于接收调度中心5的设定角度值和通航指令，传输给数据采集处理模块2，以供数据采集处理模块2进行整个检测系统的使能和挂起动作。

[0030] 该系统还包括安装在升船机承船厢7上、下游位置的第一双面显示屏8、第二双面显示屏8’，所述第一、二双面显示屏均连接数据采集处理模块2。

[0031] 所述数据采集处理模块2连接云台控制模块。

[0032] 高精度低速雷达模块1安装在电动云台上，采用的是一体化的雷达机，它是以基于连续波的测速测距为基本原理,以一定的角度向航道发射超声波，对回波信号进行放大、滤
波、整形、阈值判断、频率计算后得到回波的频率信息，根据超声波的多普勒效应计算出船
舶的航速和距离。一体化的雷达测速测距装置大量采用MMIC(Monolithic Microwave 
Integrated Circuit，单片微波集成电路)集成芯片，并选用低功耗芯片来实现系统的小型
化、低功耗；同时雷达天线采用微带平面天线，实现大幅度减小雷达体积。

[0033] 数据采集处理模块2采用基于ARM系列的高性能处理器进行数据采集、处理与远程传输。它可以实现将测量角度值G转换为控制指令，控制云台调整测量角度；可以实时采集
测量的速度信息，并结合角度值G，实时修正船舶在其航向上的速度值S，对每一组实时速度
值S进行一系列误测算法判断；并通过线性拟合算法修正船员行走的误测值。

[0034] 航速预警模块3通过实时接收船舶速度值S，并经过错误数据剔除，数据阈值判断、数据曲线拟合与绘制等一系列软件处理算法实现对船舶速度值S是否超限进行预警。

[0035] 调度通信模块4采用支持TCP/IP协议，Modbus协议等诸多传输协议，支持RS232/RS422/RS485等多种传输方式的工业级通信设备，实现各模块之间的数据交互。

[0036] 调度中心5采用高性能的工业级操控系统，具有多种调度，操控的功能。

[0037] 第一、二双面显示屏采用大型的液晶彩色显示屏，并在升船机承船厢上、下游位置各安装一块。

[0038] 云台是安装固定雷达的支撑设备，而云台控制模块是由两个交流电机或直流电机组成的安装平台，可以水平和垂直的运动，它通过两台执行电动机接受来自外部控制器的
信号精确地进行运转定位，以此提高高精度低速雷达模块的数据测量精度。

[0039] 一种船舶低航速预警检测方法，具体工作流程为：

[0040] 步骤A、调节角度覆盖所需测量范围：

[0041] 调度中心5根据通过安装在升船机上的检测装置给出测量角度，并将测量角度值G传输给调度通信模块4，由调度通信模块4将测量角度值G传输到云台控制模块，云台控制模
块将测量角度值G转换为控制指令，控制云台调整测量角度。

[0042] 步骤B、航速信息采集与处理：

[0043] 调度通信模块4自动接收调度中心5实时调度指令，当接收到船舶进出升船机的调度指令时，通知云台控制模块，由云台控制模块发送使能信号，使能高精度低速雷达模块1，
同时数据采集处理模块2开始实时采集测量的速度信息，并结合步骤A中记录的角度值G，实
时修正船舶在其航向上的速度值S，对每一组实时速度值S进行一系列误测算法判断，如果
是误测值，则通过线性拟合算法修正船员行走的误测值C；当接收到船舶进出升船机完成的
调度指令时，通知云台控制模块，由云台控制模块控制系统进入等待挂起状态。

[0044] C、预警显示：

[0045] 航速预警模块3实时接收数据采集处理模块2计算出的速度值S，并进行判断当前速度值S是否大于调度中心5限定的速度值L，如果当前速度值S小于调度中心5限定的速度
值L，则将其显示在双面显示屏上，告知船舶驾驶员当前船舶航行速度；如果当前速度值S大
于等于调度中心5限定的速度值L，双面显示屏上实时显示当前速度值S，同时双面显示屏上
将显示超速字样，提醒船舶驾驶员当前船舶已超速应减速航行。调度通信模块4实时接收数
据采集处理模块2计算出的速度值S并上传至调度中心5，如果当前速度值S大于等于调度中
心5限定的速度值L将提醒调度中心5，由调度中心5再次通知，提醒船舶驾驶员需减速行驶。

[0046] 如图3、图4所示，一种船舶低航速检测预警系统，工作流程如下：

[0047] 1、首先整个系统除了调度通信模块4外，其他模块均处于挂起等待状态，调度通信模块4一旦接收到调度中心5传输的指令，立即进入指令判断环节；

[0048] 2、共对三种指令进行判断：角度值、船舶进出船厢指令、动作完成指令；

[0049] 2.1、如果判断接收到调度中心5下达的调整角度指令，将角度值G传输至云台控制模块，由云台控制模块将角度值G存储并转换为控制指令，控制电动云台转动到指定位置；

[0050] 2.2、如果判断接收到调度中心5下达的船舶进出厢指令，云台控制模块将发送使能信号，通知高精度低速雷达模块1开始工作，同时数据采集处理模块2开始采集低速雷达
返回的原始数据值，根据存储的角度值G计算出当前船舶航向上的实际速度分量S，通过前N
组(N为拟合算法中的数据样本)数据进行阈值判断，是否符合误测值C的判断条件，如果不
符合直接传输给预警显示模块和调度中心5；如果符合则进入算法拟合任务，通过算法拟合
出近似值，剔除误测值，然后将数据传输给预警显示模块和调度中心5。完成一次误测值判
断后进行系统是否进入挂起等待状态判断。

[0051] 2.3、如果判断接收到调度中心5下达的船舶进出厢完成指令，云台控制模块将系统提至挂起模式。

[0052] 其中拟合算法系统提出了选择型最小二乘直线回归预测算法，选择型最小二乘直线回归预测算法具体建立过程以及运算流程如下所示：

[0053] 建立选择型最小二乘直线回归模型：

[0054]

[0055] 其中， 是最小二乘直线拟合函数，a和b为任意实数，x为需要进行拟合的数据值。

[0056] 残差平方和Q为：

[0057]

[0058] 其中，Q表征对应于n个实测的数据值xi的幅值fi与最小二乘法拟合的函数值的误差(即总残差)的总和。通常根据最小的Q值即可选择最佳拟合曲线。

[0059] 对残差和Q求最小值，对参数a和b求偏导有：

[0060]

[0061]

[0062] 联立上面两式，计算后有：

[0063]

[0064]

[0065] 设

[0066] 其预测数列的大小为n，对公式进行a、b求解后得到：

[0067]

[0068]

[0069] 由此即得最小二乘直线回归方程的参数a和b的值。

[0070] 根据选择型最小二乘直线回归模型计算 设△h为测量数据与预测数据允许的最大偏差。

[0071] 如果 即实测值与最小二乘理论拟合值的绝对值之差大于限定的误差，则说明此数据点是船员走动产生的的异常数据，应该用预测数值替换它；如果
则说明此数据点符合船速变化趋势，将数据加入预测数列中，再进行下
一个数据的预测。