本发明涉及船体测绘、气象水文监测、桥坝区船舶安全检测等技术领域，特别是一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施及工作方式。
背景技术：
随着内河航运业务日益繁茂、船舶大型化趋势明显，桥坝区水域通航安全受到越来越多的关注。船舶在桥坝区水域航行时，常发生船舶碰撞桥坝区水面建筑的情况，如船舶撞击桥墩和过闸闸室侧壁、船舶顶部触碰桥梁等，严重威胁船舶自身及桥坝区建筑安全。发生此类通航安全事故的主要原因有：1)因大风、大雾等恶劣气象因素影响，导致船舶驾驶员通过桥坝区建筑时无法正常操控或视野受限，造成撞击事故；2)因水流流速过快，导致船舶操控性降低，造成事故；3)因水域内水位落差较大，导致船舶高度超过桥坝区建筑可通行高度，造成撞击事故；4)因船舶尺寸过大，导致船舶剐蹭水面建筑的；5)因船舶驾驶员操作不当，导致船舶偏航，在通过水面建筑时来不及调整船舶航线，造成撞击事故。所以，为保障桥坝区通航安全和效率，必须进行桥坝区通航船舶安全检测及前置预警。
现有的桥坝区船舶安全检测设施均是将检测设备安装桥坝区固定平台上或是安装在水面建筑物两侧进行检测，这种型式具有如下缺点：1)检测设备安装在固定平台或是水面建筑物两侧，耗资巨大，且维护不易；2)船舶安全检测结果发布过于滞后，在检测到船舶安全存在问题时，由于船舶已经临近桥坝区建筑，船舶无法及时掉头或停车；3)船舶安全检测设施功能较少且单一、集成度低、需要其他系统配合才能使用。
技术实现要素：
为解决现有桥坝区通航船舶安全检测设施及技术存在的弊端，本发明设计了有效解决上述问题的一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施及工作方式。
为了实现上述目的，本发明的方案如下：
水上安装架、水下安装架、浮体，三者通过焊接或者螺栓连接固定共同构成设施主体结构；
所述水上安装架分设多层平台，各层平台平行浮体表面，顶层安装vhf天线、gps天线、5g通信模块、超声波风速仪，中间层安装船体扫描仪、能见度仪、航标灯；
所述水下安装架安装在浮体一侧，安装有单波束测深仪和水流计并底部浸入水中，单波束测深仪声波发射方向和水流计探针垂直浮体表面；
所述浮体表面水平，表面安装有太阳能电池板和姿态仪，姿态仪基准面平行浮体表面，浮体舱体内布置锂电池组、ais收发器和主控处理计算机；
所述vhf天线和gps天线通过数据线缆连接到ais收发器，配合ais收发器共同工作；
所述的5g通信模块、超声波风速仪、船体扫描仪和能见度仪通过数据线缆连接到主控处理计算机；
所述的单波束测深仪和水流计通过数据线缆连接到主控处理计算机；
所述太阳能电池板和锂电池组共同为整套设施供电，并且太阳能电池板和锂电池组功率满足设施用电需要。
所述的船体扫描仪包括防护外壳、毫米波雷达、激光雷达阵列、工业相机；
所述的毫米波雷达测量获取船舶航速和航向数据，并负责判断船舶是否入场；
优选地，所述激光雷达阵列通过多个激光雷达获得大于等于90°的垂直视场角，从而同时测量获取船舶外形轮廓三维点云数据和水面点云数据；
优选地，所述激光雷达阵列的探测量程需达到100m@20％反射率；
所述工业相机为激光雷达阵列提供辅助语义分割基准；
所述防护外壳为毫米波雷达、激光雷达阵列、工业相机提供安装固定平台，并提供ip65级及ip65级以上防护；
所述船体扫描仪实时获取船舶进出场信号、船舶外形轮廓数据、船舶航速航向数据发送给主控处理计算机。
所述ais收发器用于接收设施布置区域内船舶发送的ais信息数据，并发送给主控处理计算机；
所述5g通信模块能对外进行双向通信，发布船舶航行预警信息，并可接受控制信息进行设施设置；
所述超声波风速仪实时采集设施布置区域附近风速数据，并发送给主控处理计算机；
所述能见度仪实时采集设施布置区域附近能见度数据，并发送给主控处理计算机；
所述航标灯按布置水域规定的照射角度和能见距离进行工作，为船舶夜间通航提供导航和警告；
所述单波束测深仪实时采集设施布置区域水位数据，并发送给主控处理计算机；
所述水流计实时采集设施布置区域附近流速数据，并发送给主控处理计算机；
所述姿态仪实时测量设施主体结构横倾和纵倾姿态数据，并发送给主控处理计算机用于修正水位、流速数据、船体测量数据；
所述主控处理计算机内置船舶通航前置预警模型，实时接受船舶外形轮廓数据、船舶航速航向数据、ais信息数据、风速数据、能见度数据、水位数据、流速数据、设施主体结构横倾和纵倾姿态数据并进行前置预警结果运算，根据结果判断船舶是否违反桥坝区船舶通航安全准则，并发送预警信息。
一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施的工作方式，包括以下步骤：
设施布置在远离桥坝区水域3公里～15公里水域处，在船舶进入桥坝区水域前进行船舶通航安全检测，同时在船舶进入桥坝区水域后实时追踪船舶的航行安全情况；
目标船舶入场检测，设施通过毫米波雷达探测到有船舶进入测量视野，主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，从中得到目标船舶的船舶名称和mmsi号码；
根据计算出的目标船舶尺寸判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不能通过时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机控制船体扫描仪采集从目标船舶进入检测场到离开的激光数据和图像数据，令激光点云数据投射到二图像平面进行语义分割，配合设施姿态数据进行激光点云数据几何校准，后进行前后帧特征匹配和拼接，得到完整的目标船体激光点云数据，并计算出目标船舶的净空高度和船宽；
主控处理计算机实时采集桥坝区水域的水位数据，并根据设施姿态数据进行修正，得到准确的水位数据；
依据桥坝区建筑可通行高度和水位关系、船舶净空高度、实时水位数据判断船舶是否超高，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息；
依据桥坝区建筑可通行宽度和船舶船宽判断船舶是否超宽，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
采集桥坝区气象水文数据判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机实时采集桥坝区水域的风速、能见度、流速数据，并根据设施姿态数据修正流速数据，得到准确的桥坝区气象水文数据，判断风速是否大于等于3级风、能见度是否小于等于100米、流速是否大于等于5米/秒，若三个判定条件满足一个，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
根据船舶在桥坝区航行期间轨迹预判船舶是否航行安全，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，筛选得到桥坝区水域内正在驶向桥坝区的目标船舶位置信息、实时航向信息、速度信息，依据目标船舶位置、航向、速度信息，预测生成目标船舶航行轨迹，并根据ais报文更新预测航行轨迹，判断目标船舶预测轨迹位置是否会触碰桥坝区水面建筑位置，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
本发明所用技术方案及工作方式与现有设施及技术相比较，主要有如下有益效果：
1、本发明结构设计小巧、不需外部供电、支持无线通信、可移动式部署在桥坝区任意水域，安装方便、耗资小、易于维护检修。
2、需要对船舶进行安全检测时，船舶只需通过固定区域即可，不停靠、不登船、检测效率高、杜绝通航安全隐患。
3、由于可移动式布置在远离桥坝区位置，在检测到桥坝区船舶存在航行安全问题时，能够提前预警船舶和桥坝区管理单位采取相应措施。
4、本发明专利提供了一套完整的船舶安全检测设施方案和技术方案，功能丰富、集成度高，专利方案实施后可直接进行桥坝区船舶安全检测使用。
附图说明
图1是本发明的设施结构示意图。
图2是本发明的船体扫描仪结构示意图。
图3是本发明的设施原理示意图。
图4是本发明的船体扫描仪测量船舶尺寸示意图。
图5是本发明的工作方式的流程图。
图1中：1、vhf天线；2、gps天线；3、5g通信模块；4、超声波风速仪；5、船体扫描仪；6、能见度仪；7、航标灯；8、水上安装架；9、太阳能电池板；10、姿态仪；11、锂电池组；12、单波束测试仪；13、水流计；14、水下安装架；15、主控处理计算机；16、ais收发器；17、浮体。
图2中：501、防护外壳；502、毫米波雷达；503、激光雷达阵列；504、工业相机。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、解决问题思路等更加清晰，以下结合使用实例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体使用实例仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出了一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施，其包括vhf天线(1)、gps天线(2)、5g通信模块(3)、超声波风速仪(4)，船体扫描仪(5)、能见度仪(6)、航标灯(7)、水上安装架(8)、太阳能电池板(9)、姿态仪(10)、锂电池组(11)、单波束测深仪(12)、水流计(13)、水下安装架(14)、主控处理计算机(15)、ais收发器(16)、浮体(17)。
其中水上安装架、水下安装架、浮体，三者通过焊接或者螺栓连接固定共同构成设施主体结构。
进一步的，浮体及水上安装架结构参考gb5864外形尺寸设计，综合考虑外观尺寸、结构强度、稳性等因素。水上安装架和水下安装架优选地采用强度高的合金钢材料，并涂装防腐油漆。
水上安装架分设多层平台，各层平台平行浮体表面，顶层安装vhf天线、gps天线、5g通信模块、超声波风速仪，优选地安装采用304不锈钢螺栓连接，中间层安装船体扫描仪、能见度仪、航标灯，优选地安装采用304不锈钢螺栓连接。
水下安装架安装在浮体一侧，底部浸入水中，安装有单波束测深仪和水流计，优选地安装采用304不锈钢螺栓连接，单波束测深仪声波发射方向和水流计探针垂直浮体表面。
浮体表面水平，表面安装有太阳能电池板和姿态仪，姿态仪基准面平行浮体表面，浮体舱体内布置锂电池组、ais收发器和主控处理计算机，优选地浮体舱体提供ip67级及ip67级以上防护等级，确保浮体舱体内设备正常工作。
所有安装在安装架和浮体表面的设备，其供电线缆和数据线缆套好防护软管后，捆扎固定在安装架上，线缆另一端进入浮体舱体，同时线缆入舱体孔做好水密封堵。
vhf天线和gps天线通过数据线缆连接到ais收发器，配合ais收发器共同工作；
5g通信模块、超声波风速仪、船体扫描仪和能见度仪通过数据线缆连接到主控处理计算机；
单波束测深仪和水流计通过数据线缆连接到主控处理计算机；
太阳能电池板和锂电池组相连共同为整套设施供电，并且太阳能电池板和锂电池组功率满足设施用电需要。
进一步地，如图2所示，船体扫描仪包括防护外壳、毫米波雷达、激光雷达阵列、工业相机，可实现目标船舶进出场检测、船舶轮廓测量功能。其中，毫米波雷达测量覆盖范围大、对运动目标较敏感，负责探测船舶是否进入检测场，并测量获取船舶航速和航向数据。
激光雷达阵列负责实现船舶轮廓测量。如图4所示，激光雷达阵列通过组合多个激光雷达获得大于等于90°的垂直视场角，优选地水平向上视场角选择60°、水平向下视场角学则30°，保证当目标船舶从侧边经过，激光雷达阵列能够同时测量获取船舶外形轮廓三维点云数据和水面点云数据。优选地，所述激光雷达阵列的探测量程需达到100m@20％反射率，以保证激光雷达阵列获得取得点云数据质量满足计算要求。
工业相机为激光雷达阵列提供辅助语义分割基准。优选地，工业相机安装在靠近激光雷达阵列几何中心处，同时两类设备的安装位置、角度等位置信息作为参数传入主控处理计算机。
防护外壳为毫米波雷达、激光雷达阵列、工业相机提供安装固定平台，并提供ip65级及ip65级以上防护。
如图3所示，本发明的设施原理如下：
船体扫描仪实时获取船舶外形轮廓数据，船舶航速航向数据发送给主控处理计算机。
ais收发器用于接收设施布置区域内船舶发送的ais信息数据，并发送给主控处理计算机。
5g通信模块能对外进行双向通信，发布船舶航行预警信息，并可接受控制信息进行设施设置。
超声波风速仪实时采集设施布置区域附近风速数据，并发送给主控处理计算机。
能见度仪实时采集设施布置区域附近能见度数据，并发送给主控处理计算机。
航标灯按布置水域规定的照射角度和能见距离进行工作，为船舶夜间通航提供导航和警告。优选地，航标灯使用符合gb5864-1993规范。
单波束测深仪实时采集设施布置区域水位数据，并发送给主控处理计算机。
水流计实时采集设施布置区域附近流速数据，并发送给主控处理计算机。
姿态仪实时测量设施主体结构横倾和纵倾姿态数据，并发送给主控处理计算机用于修正水位、流速数据、船体测量数据。
主控处理计算机内置船舶通航前置预警模型，实时接受船舶外形轮廓数据、船舶航速航向数据、ais信息数据、风速和风向数据、能见度数据、水位数据、流速数据、设施主体结构横倾和纵倾角度数据并进行前置预警结果运算，根据结果判断船舶是否违反桥坝区船舶通航安全准则，并发送预警信息。
如图5所示，一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施的工作方式，包括以下步骤：
设施布置在远离桥坝区水域，优选地，选择距离在3公里～15公里水域处，在船舶进入桥坝区水域前进行船舶通航安全检测，同时在船舶进入桥坝区水域后实时追踪船舶的航行安全情况。
目标船舶入场检测，设施通过毫米波雷达探测到有船舶进入测量视野，主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，从中得到目标船舶的船舶名称和mmsi号码；
根据计算出的目标船舶尺寸判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不能通过时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机通过毫米波雷达检测目标船舶进出场情况，并根据进出场信号控制船体扫描仪，同步采集从目标船舶进入检测场到离开的激光数据、图像数据和姿态数据。
进一步地，船舶船体由于材料不同、其反光特性、新旧程度、甚至天气状况都会对激光雷达阵列的扫描结果产生较大影响，同时工业相机可以快速获取二维图像，提取船体二维信息且受天气影响较小。为进一步提高船体扫描仪的分辨率，将激光点云数据和二维图像结合，将每一帧地激光点云数据投射到二图像平面进行语义分割，识别出目标船体主体结构和细小结构。
进一步地，进行二维校准后的每一帧地激光点云数据配合设施姿态数据进行几何校准。
进一步地，将每一帧地激光点云数据里的水面数据进行拟合并剔除，只保留船体点云数据。
进一步地，将每一帧激光点云数据与其先后帧进行特征匹配并拼接，得到完整的目标船体激点云数据集，最后计算出目标船舶的净空高度和船宽。
主控处理计算机实时采集桥坝区水域的水位数据，并根据设施姿态数据进行修正，得到准确的水位数据。
依据桥坝区建筑可通行高度和水位关系、船舶净空高度、实时水位数据判断船舶是否超高，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
依据桥坝区建筑可通行宽度和船舶船宽判断船舶是否超宽，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
采集桥坝区气象水文数据判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机实时采集桥坝区水域的风速、能见度、流速数据，并根据设施姿态数据修正流速数据，得到准确的桥坝区气象水文数据，判断风速是否大于等于3级风、能见度是否小于等于100米、流速是否大于等于5米/秒，若三个判定条件满足一个，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
根据船舶在桥坝区航行期间轨迹预判船舶是否航行安全，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，筛选得到桥坝区水域内正在驶向桥坝区的目标船舶位置信息、实时航向信息、速度信息，依据目标船舶位置、航向、速度信息，预测生成目标船舶航行轨迹，并根据ais报文更新预测航行轨迹，判断目标船舶预测轨迹位置是否会触碰桥坝区水面建筑位置，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
1.一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施，其特征在于包括：水上安装架(8)、水下安装架(14)、浮体(17)，三者通过焊接或者螺栓连接固定构成设施主体结构；
所述水上安装架(8)分设多层平台，各层平台平行浮体(17)表面，顶层安装vhf天线(1)、gps天线(2)、5g通信模块(3)、超声波风速仪(4)，中间层安装船体扫描仪(5)、能见度仪(6)、航标灯(7)；
所述水下安装架(14)安装在浮体一侧，底部安装有单波束测深仪(12)和水流计(13)并浸入水中，单波束测深仪声波发射方向和水流计探针垂直浮体表面；
所述浮体(17)表面水平，表面安装有太阳能电池板(9)和姿态仪(10)，姿态仪基准面平行浮体表面，浮体舱体内布置锂电池组(11)、ais收发器(16)和主控处理计算机(15)；
所述vhf天线和gps天线通过数据线缆连接到ais收发器，配合ais收发器共同工作；
所述的5g通信模块、超声波风速仪、船体扫描仪和能见度仪通过数据线缆连接到主控处理计算机；
所述的单波束测深仪和水流计通过数据线缆连接到主控处理计算机；
所述太阳能电池板和锂电池组共同为整套设施供电，并且太阳能电池板和锂电池组功率满足设施用电需要。
2.如权利要求1所述的一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施，其特征在于，所述的船体扫描仪(5)包括防护外壳(501)、毫米波雷达(502)、激光雷达阵列(503)、工业相机(504)；
所述的毫米波雷达测量获取船舶航速和航向数据，并负责判断船舶是否入场；
所述激光雷达阵列通过组合多个激光雷达获得大于等于90°的垂直视场角，从而同时测量获取船舶外形轮廓三维点云数据和水面点云数据，探测量程达到100m@20％反射率；
所述工业相机为激光雷达阵列提供辅助语义分割基准；
所述防护外壳为毫米波雷达、激光雷达阵列、工业相机提供安装固定平台，并提供ip65级及ip65级以上防护；
所述船体扫描仪实时获取船舶进出场信号、船舶航速航向数据、外形轮廓数据发送给主控处理计算机。
3.如权利要求1所述的一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施，其特征在于，所述ais收发器用于接收设施布置区域内船舶发送的ais信息数据，并发送给主控处理计算机；
所述5g通信模块能对外进行双向通信，发布船舶航行预警信息，并可接受控制信息进行设施设置；
所述超声波风速仪实时采集设施布置区域附近风速数据，并发送给主控处理计算机；
所述能见度仪实时采集设施布置区域附近能见度数据，并发送给主控处理计算机；
所述航标灯按布置水域规定的照射角度和能见距离进行工作，为船舶夜间通航提供导航和警告；
所述单波束测深仪实时采集设施布置区域水位数据，并发送给主控处理计算机；
所述水流计实时采集设施布置区域附近流速数据，并发送给主控处理计算机；
所述姿态仪实时测量设施主体结构横倾和纵倾姿态数据，并发送给主控处理计算机用于修正流速数据、船体测量数据；
所述主控处理计算机内置船舶通航前置预警模型，实时接受船舶外形轮廓数据、船舶航速航向数据、ais信息数据、风速数据、能见度数据、水位数据、流速数据、设施主体结构横倾和纵倾姿态数据并进行船舶安全检测结果运算，根据结果判断船舶是否违反桥坝区船舶通航安全准则，并发送前置预警信息。
4.一种移动式桥坝区船舶通航前置预警设施的工作方式，其特征在于，包括以下步骤：
4.1)设施布置在远离桥坝区水域3公里～15公里水域处，在船舶进入桥坝区水域前进行船舶通航安全检测，同时在船舶进入桥坝区水域后实时追踪船舶的航行安全情况；
4.2)目标船舶入场检测，设施通过毫米波雷达探测到有船舶进入检测视野，主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，从中得到目标船舶的船舶名称和mmsi号码；
4.3)根据计算出的目标船舶尺寸判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不能通过时，发出预警信息，这一步骤具体为：
主控处理计算机控制船体扫描仪采集从目标船舶进入检测场到离开的激光数据和图像数据，令激光点云数据投射到二图像平面进行语义分割，配合设施姿态数据进行激光点云数据几何校准，后进行前后帧特征匹配和拼接，得到完整的目标船体三维点云数据，并计算出目标船舶的净空高度和船宽；
主控处理计算机实时采集桥坝区水域的水位数据，并根据设施姿态数据进行修正，得到准确的水位数据；
依据桥坝区建筑可通行高度和水位关系、船舶净空高度、实时水位数据判断船舶是否超高，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息；
依据桥坝区建筑可通行宽度和船舶船宽判断船舶是否超宽，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
4.4)采集桥坝区气象水文数据判断船舶能否安全通过桥坝区水域，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：主控处理计算机实时采集桥坝区水域的风速、能见度、流速数据，并根据设施姿态数据修正流速数据，得到准确的桥坝区气象水文数据，判断风速是否大于等于3级风、能见度是否小于等于100米、流速是否大于等于5米/秒，若三个判定条件满足一个，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
4.5)根据船舶在桥坝区航行期间轨迹预判船舶是否航行安全，在判断不安全时，发出预警信息，这一步骤具体为：主控处理计算机通过解析ais收发器采集到的实时ais报文，筛选得到桥坝区水域内正在驶向桥坝区的目标船舶位置信息、实时航向信息、速度信息，依据目标船舶位置、航向、速度信息，预测生成目标船舶航行轨迹，并根据ais报文更新预测航行轨迹，判断目标船舶预测轨迹位置是否会触碰桥坝区水面建筑位置，若是，则判定目标船舶无法安全通过桥坝区水域，发出预警信息。
技术总结