本发明涉及船舶控制，具体地指一种起重船作业辅助决策系统及方法。
背景技术：
1、由于海洋环境条件远较陆地恶劣、随机性强，对海上施工安全影响大，而如何结合施工海域水文、气象等环境条件，针对不同结构施工特点，基于船舶的当前状态，做出正确的施工决策是摆在施工人员面前的一大难题。船舶作业辅助决策系统就是根据当前的施工情况，基于船舶的当前状态为施工人员提供决策的信息系统。
2、目前，船舶辅助决策系统共分为两种，第一种是针对船舶当前状态所进行的辅助决策，即当船舶各项实时运动参数超过系统默认的数值时，系统对危险工况进行识别同时产生预警信号，提示施工人员是否继续执行施工任务，从而为施工人员提供决策和减少决策成本的决策辅助系统。但这种决策辅助系统是基于当前的船舶运动状态的，由于船舶施工时间久，发生预警时，施工任务若正处于中间环节，无论是否继续执行都无法保障船舶与施工人员的安全性。第二种是目前更优辅助决策系统，它通过对船舶运动历史数据进行分析，并根据当前的运动状态，去完成船舶极短期运动预报，在一定程度上克服了第一种方法的弊端，但由于船舶作业运动周期短，极短期的运动预报仍不能保障船舶与施工人员的安全。
3、当前船舶辅助决策通常是单单基于船舶动力定位来进行操作的，如专利号为“cn110244707a”的名为“一种智能船舶动力定位作业系统”的中国发明专利，该专利介绍了一种能够实现智能定位作业的船舶系统，该系统包括测量部分、控制部分、动力部分及推力器部分，动力部分包括向推力器部分提供能源的发电机组，推力器部分包括主推进器及副推进器，测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于提供船舶动态参考信号的姿态传感器，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统，一用于确定水流信号的水声定位系统，控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的手动控制单元及自动控制单元，以及分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，控制部分还包括一用于对接收控制指令的主推进器及副推进器所输出的功率进行实时监测的动力负荷检测系统，动力负荷检测系统检测到主推进器或副推进器任一个超过额定功率时发送信号至控制器，控制器接收信号后根据不同的定位要求，结合测量部分收到的实时信息，经过计算机软件系统处理后，发送降低负荷的信号至相应的主推进器或副推进器，同时发送提高功率的运转信号至未超负荷的主推进器或副推进器，同时改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩，实现船舶动力定位或运动的前提下，进行主推进器或副推进器功率的补偿控制。该船舶系统能够对船舶的动力系统进行很好的控制，可以实现在作业水域进行精确定位的操作，但实际上对于具体的作业船只来说，需要进行辅助作业控制的不仅仅是船舶的动力系统，比如对于起重船来说，除了需要考虑起重船船只的动力系统，还需要考虑在起重作业过程中船舶的稳定、结构强度、船舶的运动状态、起重设备的作业情况等，这些状态信息相互作用，如果单单只考虑船舶的动力系统，那对于大型的起重船来说过于片面，构建的辅助作业系统很难完成对起重船起重作业的智能化控制。
技术实现思路
1、本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种起重船作业辅助决策系统及方法。
2、本发明的技术方案为：一种起重船作业辅助决策系统，包括，
3、作业环境感知系统，所述作业环境感知系统用于对起重船所处水域的环境状态进行实时监测；
4、船舶稳性与结构强度监测系统，所述船舶稳性与结构强度监测系统包括结构监测系统和结构模拟系统；所述结构监测系统用于对船舶重心和船舶局部关键结构应力进行在线监测；所述结构模拟系统用于将结构监测系统的监测数据、作业环境感知系统的监测数据与船舶稳性虚拟仿真模型进行虚实映射以此提取出稳性关键性能指标，并根据稳性关键性能指标进行船舶稳性评估和危险结构工况识别预警；
5、船舶运动监测与决策系统，所述船舶运动监测与决策系统包括运动监测系统和运动模拟系统；所述运动监测系统用于对船舶运动状态和推进器状态进行在线监测；所述运动模拟系统用于将运动监测系统的监测数据、作业环境感知系统的监测数据与船舶运动虚拟仿真模型进行虚实映射以此提取出运动关键性指标，并根据运动性关键指标进行船舶运动性能评估和危险运动工况识别预警；
6、起重船作业监测与决策系统，所述起重船作业监测和决策系统包括作业监测系统和作业模拟系统；所述作业监测系统用于对起重船作业过程中起重设备的状态进行在线监测；所述作业模拟系统用于将作业监测系统的监测数据、运动监测系统的监测数据、作业环境感知系统的监测数据与作业运动虚拟仿真模型进行虚实映射以此提取出作业关键性指标，并根据作业关键性指标辅助作业人员进行作业决策和危险作业工况识别预警。
7、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述作业环境感知系统包括，
8、风监测模块，所述风监测模块用于采集起重船所处水域的风向和风速；
9、浪监测模块，所述浪监测模块用于采集起重船所处水域的波浪的波幅、波频和浪向；
10、流监测模块，所述流监测模块用于采集起重船所处水域的水流流速和流向。
11、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述结构监测系统包括，
12、船舶重心监测模块，所述船舶重心监测模块用于对船舶各舱压载状态、浮态、载货状态进行监测以此获得船舶重心；
13、关键结构应力监测模块，所述关键结构应力监测模块用于对起重船a架、吊架与甲板连接部位布置测点并对测点位置进行应力监测。
14、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述结构模拟系统包括，
15、重心偏高预警模块，所述重心偏高预警模块用于对获取的船舶重心高度进行分析，并在重心高度超过设定重心高度时发出预警；
16、结构应力异常预警模块，所述结构应力异常预警模块在测点应力超过设定应力时发出结构应力异常的预警。
17、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述运动监测系统包括，
18、航行状态监测模块，所述航行状态监测模块用于对船舶的gps位置、航向、航速和六自由度运动参数进行监测；
19、推进器状态监测模块，所述推进器状态监测模块用于对船舶的推进器的转速和方向进行监测。
20、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述运动模拟系统包括，
21、运动预警模块，所述运动预警模块根据作业环境感知系统的监测数据和船舶的gps位置、航向、航速、六自由度运动参数对船舶六自由度频域运动响应进行监测，并在船舶六自由度频域运动响应超过第一安全阈值时发出预警。
22、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述起重船作业监测包括，
23、起重设备监测模块，所述起重设备监测模块用于对起重船作业过程中各绞车缆力、主钩运动、吊高、变幅角度进行监测。
24、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述作业模拟系统包括，
25、船舶调整决策模块，所述船舶调整决策模块基于作业环境感知系统采集的当前浪向参数、运动监测系统采集的当前船舶吃水深度确定最小运动响应时的最小浪向和最小吃水深度，以此制定出将最小浪向和最小吃水深度作为当前环境下最佳浪向和最佳吃水的决策建议；
26、主钩作业决策模块，所述主钩作业决策模块基于作业环境感知系统采集的当前环境状态、运动监测系统采集的当前船舶状态计算未来2min～5min主钩运动平稳的时间区间，以此制定出主钩吊物作业窗口的决策建议。
27、根据本技术提供的一种起重船作业辅助决策系统，所述作业模拟系统包括，
28、作业预警模块，所述作业预警模块根据运动监测系统采集的当前船舶运动状态、作业监测系统采集的主钩运动状态计算当前作业过程中主钩和吊物运动超过第二安全阈值的第二概率，并且在第二概率超过第二概率限值时发出预警。
29、本技术还提供一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述方法采用如上述的一种起重船作业辅助决策系统进行实施，包括以下步骤：
30、s1、对起重船所处水域的环境状态进行实时监测；
31、s2、对起重船当前的结构状态和运动状态进行实时监测；
32、s3、根据当前起重船的运动状态以及环境状态数据计算船舶运动响应；
33、s4、根据船舶运动响应和起重船起重设备的主钩运动参数预测主钩运动情况；
34、s5、基于环境状态和船舶运动响应制定出船舶调整决策建议，基于环境状态和船舶与预测主钩运动情况制定出主钩吊物作业决策建议。
35、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s1中，对起重船所处水域的环境状态进行实时监测的方法包括：对起重船所处水域的风向、风速进行实时监测；对起重船所处水域的波浪的波幅、波频和浪向进行实时监测；对起重船所处水域的水流流速和流向进行实时监测。
36、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s2中，对起重船当前的结构状态进行实时监测的方法包括：对船舶各舱压载状态、浮态、载货状态进行实时监测；对起重船a架、吊架与甲板连接部位布置测点并对测点位置进行应力实时监测。
37、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s2中，对起重船当前的运动状态进行实时监测的方法包括：对船舶的gps位置、航向、航速和六自由度运动参数进行实时监测；对船舶的推进器的转速和方向进行实时监测。
38、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s5中，基于环境状态和船舶运动响应制定出船舶调整决策建议的方法包括：基于采集的当前浪向参数、采集的当前船舶吃水深度确定最小船舶六自由度频域运动响应时的最小浪向和最小吃水深度，制定出将最小浪向和最小吃水深度作为当前环境下最佳浪向和最佳吃水的决策建议。
39、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s5中，基于环境状态和船舶与预测主钩运动情况制定出主钩吊物作业决策建议的方法包括：基于采集的当前环境状态、采集的当前船舶状态计算未来2min～5min主钩运动平稳的时间区间，制定出主钩吊物作业窗口的决策建议。
40、根据本技术提供的一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，所述步骤s5中，根据采集的当前船舶运动状态、采集的主钩运动状态计算当前作业过程中主钩和吊物运动超过第二安全阈值的第二概率，并且在第二概率超过第二概率限值时向辅助作业人员发出预警。
41、本技术的优点有：1、本技术的起重船将环境状态、船舶状态和其中设备的状态进行了结合，通过虚实映射的方式为辅助作业人员提供更为直观的决策建议，方便辅助作业人员在水上进行起重作业施工，由于本技术不仅仅只是对船舶运动状态进行智能辅助操作，环境状态信息、作业状态信息的结合能够更为准确的预测船舶运动状态和起重设备作业状态，制定出的作业决策更为准确，作业人员对与起重船的操作变得更为简单，而且在整个起重作业过程中，通过计算仿真的方式对各种工作状况、海况进行了仿真模拟，人机交互的程度非常高，能够大幅度缩减施工周期、提高施工质量；
42、2、本技术通过对环境状态中的流速、流向、风速、风向、波幅、波频、浪向进行实时的监测，准确获取当前起重船所处环境下的状态信息，为后续的模拟以及预测提供数据基础，为更为准确的制定在当前环境下的作业决策提供良好的数据支撑；
43、3、本技术通过对船舶各舱压载状态、浮态、载货状态进行监测，以此来确定船舶的重心高度，通过这种方式来确定整个船舶的稳定性情况，通过对起重船a架、吊架与甲板连接部位进行应力监测确定其中设备的稳定性情况，以此来确保后续整个其中作业施工的稳定性和安全性；
44、4、本技术通过对船舶重心高度进行实时的监测，不仅可以在重心过高时发出相应的预警，还能够制定出调节重心高度的建议，本技术可以在起重设备的结构应力出现异常时发出相应的预警，方便作业人员及时作出调整，避免出现设备损坏的问题；
45、5、本技术采集船舶的航行状态和推进器状态，方便后续对船舶的运行状态进行模拟，船舶运行状态和推进器状态参数采集非常的方便，为船舶运行模拟提供了丰富的数据，为作业人员提供更为准确的数据模型；
46、6、本技术通过对船舶的运动状态进行预测，根据预测的情况判断是否超出安全阈值，在预计会超过安全阈值时发出预警，方便作业人员有效规避可能出现的危险情况，提高了整个船舶运行的作业安全性；
47、7、本技术对起重设备进行了全面的监测，通过采集各绞车缆力、主钩运动、吊高、变幅角度这些参数，能够对当前起重设备的状态进行实时的监测，对主钩的运动状态进行实时的监测，一方面能够为起重设备的安全运行提供良好的数据基础，另一方面为后续主钩运行的预测提供依据；
48、8、本技术基于环境状态参数和船舶运动状态参数进行相应的结合，可以很方便的得出船舶调整的决策，方便作业人员的相应操作，为船舶的控制调整提供了极大的便利，本技术基于环境状态、船舶状态可以预测主钩的运动情况，得到主钩稳定运动的窗口时间，方便作业人员的安全操作；
49、9、本技术还对主钩作业时的安全性进行了预警，在判断出主钩可能超过安全作业阈值的概率较大时，认为当前状态是不稳定的，主钩作业存在风险，通过向作业人员发出预警，避免出现危险作业的情况，提高了整个船舶作业施工的安全性；
50、10、本技术的方法非常的简单，通过将环境状态、船舶状态、其中设备运行状态进行结合，制定出船舶调整以及起重设备作业的决策，方便作业人员进行操作，大幅度提高了作业效率和安全性。
51、本技术根据起重船稳性信息计算结果和稳性规范开展实时的稳性安全校核，实现了稳性安全预警，保障了船舶作业稳性安全；针对稳性安全异常状态，不仅对预警位置进行速度地定位，还能进行原因分析并给出压载调整操作建议，减少施工人员的决策时间，有效的避免了事故的发生，减低施工意外损失。
52、本技术通过对船舶起重设备的关键位置的应力实时计算，并基于实测的部分测点应力实现了结构全部位置应力情况的推算；依据结构应力计算结果开展实时的总强度和局部强度校核，实现了结构强度安全预警；针对结构强度异常状态，不仅对预警位置进行速度地定位，还能进行原因分析并给可能存在失效风险的结构，提示施工人员及时对结构块进行分析维修与更换，实现了对船舶作业整体结构的远程检测与统筹。
53、本技术通过以波浪环境、船舶六自由度运动、推进器转速和方向、锚缆张力等实船在线监测数据为输入，开展对船舶整体六自由度运动的统计值实时计算，与实测运动数据进行匹配，完成了船舶运动的预测；利用多传感器技术，实施大量数据信息采集，并反馈给中控台，长期使用可大大减少工作中的人力物力消耗，降低施工成本，并能做到提前预报及避免风险，且通过使用计算机仿真软件，通过人机交互方式，可实现起重作业的各种工作状况、海况的模拟，从而大大缩短施工周期，提高施工质量。
1.一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：包括，
2.如权利要求1所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述作业环境感知系统包括，
3.如权利要求1所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述结构监测系统包括，
4.如权利要求3所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述结构模拟系统包括，
5.如权利要求1所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述运动监测系统包括，
6.如权利要求5所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述运动模拟系统包括，
7.如权利要求1所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述起重船作业监测包括，
8.如权利要求7所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述作业模拟系统包括，
9.如权利要求8所述的一种起重船作业辅助决策系统，其特征在于：所述作业模拟系统包括，
10.一种基于环境状态感知与虚实映射的起重船作业辅助决策方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1～9任一所述的一种起重船作业辅助决策系统进行实施，包括以下步骤：
