CN102359785B - 根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，在河段上安装带GPS定位的水位自动遥控检测装置，水位自动遥控检测装置将检测到的水位信息发送到管理中心计算机，管理中心计算机进行水位数据接收发布，终端计算机根据水位数据在现有的电子图层信息基础上自动生成虚拟航标，并在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。应用本发明，可以方便航务部门和水利部门对河流水位的远程实时监控，管理部门在办公室就能实时查看河流关键点的水位，能够根据水位变化自动生成虚拟航标，为船舶航行提供安全保证。
Description
技术领域
本发明涉及河流航道图，特别是通过河水水位自动检测、发送、接收并根据水位接收到的水位自动生成虚拟航标的方法。
技术背景
航标是为了保证船舶安全航行，避开危险区域，引导航向而安装在江河湖泊、海洋里的一种交通设施，对航运的发展起到了很大的作用。我国作为一个海域辽阔、江河湖泊众多的水域大国，航运事业发展迅速。而航运经济的发展受航行安全的制约，这就要求航标事业不断创新、不断适应航运经济的发展。据不完全统计，截至2008年底，我国设置各类航标已逾4万余座。
随着我国经济的蓬勃发展和对外交流的日益频繁,航运经济不断发展壮大,航标事业日趋重要。而随着各港口、航道、水路船舶流量的大增,搁浅、碰撞事故也日益频发,传统航标已不能满足船舶航行安全的要求。因此,航标新技术、新能源,适应于不同环境的航标应运而生,无线电航标技术也在计算机及通信技术的不断完善的同时,从无线电归航机、罗兰A等发展到可告警定位的DGPS***、CCTV***、航标遥测遥控***及AIS岸基网络***,发展成为集多种助航手段为一体的综合助航保障体系,为船舶提供多种助航信息服务。这些,都为航运经济的发展注入了新的活力。
上面提到的都是属于定点浮标，是实际存在的，我们称为实航标。实航标在实际应用中存在两个弊端，一是有些地方需要放置航标，但是实际环境不好放置；二是内河的水位随季节变化很大，丰水期与枯水期水深相差很大，特别是在库区和上游河流，所以航标放置的位置要经常变化，维护成本高。近年来，随着计算机技术和通讯技术的发展，越来越多的船舶都安装了GPS导航***，这些***可以通过GPRS与服务器实时通讯，可以实时变更地图上的一些显示信息，这为虚拟航标的使用提供了可能。所谓虚拟航标，就是实际中不存在，但是通过测量后，将虚拟的“航标”位置转换到电子海图***中，只要航行船舶装有GPS导航***，就可以收到这个虚拟“航标”信息并在地图上显示，尤其是在大雾天气、夜间环境航行时，船舶可以完全不受影响，确知航标所在位置。
现有一些船舶导航***在 “虚拟航标”这个问题上是采用手工设置虚拟航标的位置再发布到船载终端这种方法。这种方法有两个弊端，一是虚拟航标不能及时反映水位的变化；二是下载过程麻烦，增加了船员的工作负担和宽带使用费用。为了向船舶导航设备提供准确的虚拟航标信息，及时反映河流水位情况，引导船舶安全航行，必须解决导虚拟航标位置自动调整的问题。
发明内容
本发明的目的是利用水位遥控检测装置的数据来自动生成适合当前水位的虚拟航标，引导船舶安全航行。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
在河段上安装多个水位遥控检测装置；水位遥控检测装置采集水位传感器数据和GPS位置数据，并进行分析、保存；水位遥控检测装置通过GPRS模块采用无线连接方式与管理中心计算机连接，传输水位数据和GPS数据到管理中心计算机，并接收和执行管理中心计算机下传的指令；管理中心计算机安装数据接收配套软件，实时接收水位遥控检测装置上传的信息，把信息保存在数据库中，并定期把水位信息向各个终端计算机发布；终端计算机安装地图处理配套软件，接收水位数据并对数据进行分析和处理，根据处理结果在电子图层信息基础上自动生成虚拟航标，并在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。
以上所述的带GPS定位的水位遥控检测装置，包括嵌入式控制中心、水位检测传感器、GPS定位模块、GPRS无线通信模块和工作电源模块，其中在嵌入式控制中心的控制板上设有两个RS232串口、直流电源接口、传感器接口；工作电源通过直流电源接口与嵌入式控制中心连接，GPS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接，GPRS模块通过RS232串口与嵌入式控制中心连接，水位监测传感器通过传感器接口与嵌入式控制中心连接，嵌入式控制中心还设有复位电路和供电电源。
嵌入式控制中心可以是单片机，或者是微处理器。
管理中心计算机是一台带公网IP的计算机，安装了Mysql数据库***。
GPRS无线通信模块是一种基于GPRS网络、内嵌完整TCP/IP协议的无线调制解调器，与管理中心计算机实现无线连接和通讯。
水位检测传感器为压力传感器，它通过一个带钢针的防沙钢桶固定在河道的水面以下，通过电缆与嵌入式控制中心连接。
工作电源是直流电源，包括太阳能电池板与蓄电池组合的电源或者蓄电池或交流电源经转换后的直流电源。
嵌入式控制中心与水位检测传感器连接，可以实时采集水位检测传感器从检测点传输的数值，并转换为水面值存储。
嵌入式控制中心与GPS模块连接，实时接收GPS位置信息，并与上一次保存的信息对比，如果位置变化大于原来设定的值，就向***发送移动报警的信息，起防盗作用。
嵌入式控制中心与GPRS模块连接，通过GPRS模块与管理中心计算机无线连接，向管理中心计算机上传水位数据和GPS位置数据。
管理中心计算机上安装了数据接收配套软件，可以接收并保存对河流水位进行远程实时监测的值，监测的内容包括：装置的实际位置、记录装置检测的水位值和检测时间、列举装置检测水位的历史记录、为航道管理提供水位信息等。软件对接收到的数据进行有效性判断，对有效的数据保存到数据库，对每分钟发送10次以上无效数据的当作网络攻击，断开这个连接30分钟内不许重连。
上述的数据接收配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，具备数据有效性判断、快速保存和防止攻击功能。
所述的电子图层信息是前期已经制作好的地图中的数据集：一是记录现有航标的位置及状态、是虚拟航标还是实际航标的航标信息数据集，二是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值浅水区的面数据集，三是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值深水区的面数据集，四是由左右两条线组成的航槽的面数据集，五是航槽中线数据集，六是跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石等障碍物数据集；
所述的管理中心计算机上安装了地图处理配套软件，自动生成虚拟航标的方法包括下列步骤：
（1）***调取上次生成虚拟航标后保存的水位信息值S0和平均高程值H0；
（2）程序接收管理中心发来的水位信息值S，并对数据进行分析，根据最新的水位信息与上一次保存的水位信息S0比较，如果相差超过约定值则进行虚拟航标的自动生成；
（3）根据航槽中线每隔10米取一个点，每次取10个，分别在这些点做中线的垂线，这些垂线在中线两边分别与航槽、深水区、浅水区的边线相交，记录相交点并记录垂足到这些点的距离L1，L2，L3；
（4）放置虚拟航标前，先清除航标信息数据集里面的虚拟航标信息；
（5）对符合下列条件的放置虚拟航标：
C1、如果L2－L1<5表示航槽边线比较接近深水区的边线，也就是航槽与浅水区比较接近；如果L3－L1<10表示航槽边线比较接近浅水区的边线，也就是航槽与河岸比较接近；这两种情况都表示需要防止虚拟航标，但是只取这10个点中L2－L1最小或L3－L1最小的点来摆放；
C2、计算航槽中线拐弯比较大的地方，计算方法为连续5条垂线中有两条相交且角度大于45度，拐弯点为航槽中线上这两个垂点的中点，在拐弯点垂线与航槽的边线相交点摆放虚拟航标；
C3、查找河流会合口和分叉口，需要根据航槽宽度区别主流与支流，支流航槽中线与主流航槽边线相交点放置虚拟航标，航槽边线相交处分别放置虚拟航标；如果主流与支流相差不大，则在中线相交点放置虚拟航标；
C4、如果垂线与跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石等障碍物数据集的面记录相交，且距离小于L1，说明在航槽中间存在危险物，在相交的边线上摆放虚拟航标；
C5、如果都不属于上述情况，则每隔1公里就在航槽边上放置一个虚拟航标，作为导航的标志；
C6、放置虚拟航标时，需要判断航标信息数据集中对应点附近有没有虚拟航标或实际航标存在，有则不放置；
C7、保存水位信息值S到S0，保存平均高程值H1到H0。
上述的地图处理配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，可以接收管理中心计算机发布的水位数据，进行分析和处理，根据处理结果自动生成虚拟航标。
（6）在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。
软件的功能分为输入、输出，数据处理，地图操作三部分。(1)输入、输出：输入包括接收管理中心计算机发布的水位数据、读取本地配置文件数据、打开电子航道图文件、载入模板等；输出包括保存接收的水位数据、保存模板、保存配置文件、保存更新后的虚拟航标数据、打印虚拟航标布置图等。(2)数据处理：数据处理就是对接收的水位数据经过计算处理，更新虚拟航标图层数据。(3) 地图操作：使用超图软件作为底层的地图管理工具，通过调用超图软件SuperMap Objects的相关功能函数，重新在电子航道图上绘制更新后的虚拟航标信息，并提供相关的操作功能界面。
运行软件，实时接收管理中心计算机发布的水位数据，对接收的水位数据经过计算处理，将处理结果保存起来，并根据处理结果自动生成虚拟航标，然后调用超图软件在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。
本发明的有益效果是：
1、本发明的带GPS定位的水位自动遥控检测装置，可以利用水位遥控检测装置将水位数据和位置数据上传到管理中心计算机，管理中心计算机接收并发布数位信息，终端接收到水位数据后根据水位数据自动生成虚拟航标，为船舶航行提供安全保证，同时为防洪、航运等提供数据，能够应用于各级水利、水文、航运部门的水情信息工作领域。
2、方便航务部门和水利部门对河流水位的远程实时监控。采用该装置，管理部门在办公室就能实时查看河流关键点的水位，查看水位的历史记录，根据水位的历史记录分析水位的变化规律。
3、自备绿色稳定电源：采用太阳能供电，即节约能源，也能保证设备电压的稳定。
4、采用不间断无人值守工作：***部不间断工作，能实现无人值守的水位监测， 且时时记录检测结果，保留水位的历史记录，为分析水位的变化提供了参考。
5、位置监控：实时发送装置的位置，避免了设备的被盗。
附图说明
图1为本发明水位自动遥控检测装置结构框架图；
图2为本发明水位自动遥控检测装置工作流程示意图；
图3为本发明水位自动遥控检测装置电路原理图；
图4为本发明根据水位变化自动更新虚拟航标的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明：
1、参照图1，一种水位自动遥控检测装置由1.嵌入式控制中心、2.工作直流电源、 3.GPRS模块、4.GPS模块、5.水位压力传感器、6.远程管理中心计算机组成，其工作步骤如下：
a、本装置封装在金属箱体内，通过屏蔽电缆与水位传感器和太阳能电源连接。
b、嵌入式控制中心与工作电源模块连接，供电后嵌入式控制中心开始工作，循环检测各种模块参数变化，计算分析检测结果并把信息发送到远程管理中心计算机,同时接收远程管理中心计算机的控制指令并执行；
c、嵌入式控制中心与水位检测传感器连接，实时采集水位检测传感器检测的水深值，对采集的数值分析判断，如果后一次收到的数值B与前一次收到的数值A比较相差较大，暂时不发送，先临时存储下来，等待采集水位检测传感器下一个数值C再比较；如果A与C的值相差不大，就舍弃B，否则两个值B和C连同收到的时间一起发送到服务器；
d、嵌入式控制中心与GPS模块连接，实时接收GPS位置信息，并与上一次保存的信息对比，如果位置变化大于原来设定的值，就向***发送移动报警的信息，起防盗作用；
e、嵌入式控制中心与GPRS模块连接，通过GPRS与管理中心计算机无线连接，向中心服务器上传水位数据和GPS位置数据；模块具备自动连接功能，断线后可以自动重新连接到管理中心计算机；
2、管理中心计算机上安装并运行了数据接收配套软件，可以接收并保存对河流水位进行远程实时监测的值，监测的内容包括：装置的实际位置、记录装置检测的水位值和检测时间、列举装置检测水位的历史记录、为航道管理提供水位信息等。软件对接收到的数据进行有效性判断，对有效的数据保存到数据库；对每分钟发送10次以上无效数据的当作网络攻击，断开这个连接30分钟内不许重连；定期向终端计算机发布水位的最新数据。
上述数据接收配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，具备数据有效性判断、快速保存和防止攻击功能。
3、终端计算机上安装并运行了地图处理配套软件，实时接收管理中心计算机发布的水位数据并对数据进行分析和处理，使用超图软件作为底层的地图管理工具，前期已经制作好了地图，地图中设计有六个数据集：一是记录现有航标的位置及状态、是虚拟航标还是实际航标的航标信息数据集，二是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值浅水区的面数据集，三是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值深水区的面数据集，四是由左右两条线组成的航槽的面数据集，五是航槽中线数据集，六是跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石等障碍物数据集；***保存每次更新航道时的水位信息值S0和平均高程H0；
生成虚拟航标的方法如下：
(1)***调取上次生成虚拟航标后保存的水位信息值S0和平均高程值H0；
(2)程序接收管理中心发来的水位信息值S，并对数据进行分析，根据最新的水位信息与上一次修改时保存的水位信息S0比较，如果相差超过1M则进行虚拟航标的自动生成；
(3)根据航槽中线每隔10米取一个点，每次取10个，分别在这些点做中线的垂线，这些垂线在中线两边分别与航槽、深水区、浅水区的边线相交，记录相交点并记录垂足到这些点的距离L1，L2，L3；
(4)放置虚拟航标前，先清除航标信息数据集里面的虚拟航标信息；
(5)对符合下列条件的放置虚拟航标：
C1、如果L2－L1<5表示航槽边线比较接近深水区的边线，也就是航槽与浅水区比较接近；如果L3－L1<10表示航槽边线比较接近浅水区的边线，也就是航槽与河岸比较接近；这两种情况都表示需要防止虚拟航标，但是只取这10个点中L2－L1最小或L3－L1最小的点来摆放；
C2、计算航槽中线拐弯比较大的地方，计算方法为连续5条垂线中有两条相交且角度大于45度，拐弯点为航槽中线上这两个垂点的中点，在拐弯点垂线与航槽的边线相交点摆放虚拟航标；
C3、查找河流会合口和分叉口，需要根据航槽宽度区别主流与支流，支流航槽中线与主流航槽边线相交点放置虚拟航标，航槽边线相交处分别放置虚拟航标；如果主流与支流相差不大，则在中线相交点放置虚拟航标；
C4、如果垂线与跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石等障碍物数据集的面记录相交，且距离小于L1，说明在航槽中间存在危险物，在相交的边线上摆放虚拟航标；
C5、如果都不属于上述情况，则每隔1公里就在航槽边上放置一个虚拟航标，作为导航的标志；
C6、放置虚拟航标时，需要判断航标信息数据集中对应点附近有没有虚拟航标或实际航标存在，有则不放置；
C7、保存水位信息值S到S0，保存平均高程值H1到H0。
（6）在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。
上述的地图处理配套软件是一种基于C++语言，自行开发、适用于该方法的软件，可以接收管理中心计算机发布的水位数据，进行分析和处理，根据处理结果自动生成虚拟航标，并在电子航道图上显示新的虚拟航标信息。
Claims (9)
1.一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在河段上安装带GPS定位的水位自动遥控检测装置；
水位遥控检测装置采集水位传感器数据和GPS位置数据，并进行分析、保存；
水位遥控检测装置通过GPRS无线通信模块采用无线连接方式与管理中心计算机连接，传输经过分析、保存后的水位传感器数据和GPS位置数据到管理中心计算机，并接收和执行管理中心计算机下传的指令；
管理中心计算机安装数据接收配套软件，实时接收水位遥控检测装置上传的信息并保存在数据库中，并向终端计算机发布这些水位信息数据；
终端计算机安装数据处理绘图配套软件，自动接收管理中心计算机发来的水位信息数据，并对数据进行分析和处理，根据处理结果V在现有的电子图层信息基础上自动生成虚拟航标，并在电子航道图上显示新的虚拟航标信息，安装了此种设备的船舶可以根据虚拟航标进行导航行驶；
自动生成虚拟航标的过程如下：
（1）***调取上次生成虚拟航标后保存的水位信息值S0和平均高程值H0；
（2）程序接收管理中心发来的水位信息值S，并对数据进行分析，根据最新的水位信息与上一次保存的水位信息S0比较，如果相差超过约定值则进行虚拟航标的自动生成；
（3）根据航槽中线每隔10米取一个点，每次取10个，分别在这些点做中线的垂线，这些垂线在中线两边分别与航槽、深水区、浅水区的边线相交，记录相交点并记录垂足到这些点的距离L1，L2，L3；
（4）放置虚拟航标前，先清除航标信息数据集里面的虚拟航标信息；
（5）对符合下列条件的放置虚拟航标：
C1、如果L2－L1<5表示航槽边线比较接近深水区的边线，也就是航槽与浅水区比较接近；如果L3－L1<10表示航槽边线比较接近浅水区的边线，也就是航槽与河岸比较接近；这两种情况都表示需要放置虚拟航标，但是只取这10个点中L2－L1最小或L3－L1最小的点来摆放；
C2、计算航槽中线拐弯比较大的地方，计算方法为连续5条垂线中有两条相交且角度大于45度，拐弯点为航槽中线上这两个垂点的中点，在拐弯点垂线与航槽的边线相交点摆放虚拟航标；
C3、查找河流会合口和分叉口，需要根据航槽宽度区别主流与支流，支流航槽中线与主流航槽边线相交点放置虚拟航标，航槽边线相交处分别放置虚拟航标；如果主流与支流相差不大，则在中线相交点放置虚拟航标；
C4、如果垂线与跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石障碍物数据集的面记录相交，且距离小于L1，说明在航槽中间存在危险物，在相交的边线上摆放虚拟航标；
C5、如果都不属于上述情况，则每隔1公里就在航槽边上放置一个虚拟航标，作为导航的标志；
C6、放置虚拟航标时，需要判断航标信息数据集中对应点附近有没有虚拟航标或实际航标存在，有则不放置；
C7、保存水位信息值S到S0，保存平均高程值H1到H0；所述平均高程值H1为水位信息值S到S0的平均值。
2.根据权利要求1所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：水位遥控检测装置包括嵌入式控制中心、水位检测传感器、GPS定位模块、GPRS无线通信模块和工作电源模块，其中在嵌入式控制中心的控制板上设有两个RS232串口、直流电源接口、传感器接口；工作电源模块通过直流电源接口与嵌入式控制中心连接，GPS定位模块通过第一RS232串口与嵌入式控制中心连接，GPRS无线通信模块通过第二RS232串口与嵌入式控制中心连接，水位检测传感器通过传感器接口与嵌入式控制中心连接。
3.根据权利要求1所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：管理中心计算机是一台带公网IP的计算机，安装了Mysql数据库***。
4.根据权利要求2所述的在电子航道图上自动生成虚拟航标的方法，其特征在于：嵌入式控制中心可以是单片机，或者是微处理器。
5.根据权利要求2所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：GPRS无线通信模块是一种基于GPRS网络、内嵌完整TCP/IP协议的无线调制解调器，与管理中心计算机实现无线连接和通讯。
6.根据权利要求2所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：水位检测传感器为压力传感器，它通过一个带钢针的防沙钢桶固定在河道的水面以下，通过电缆与嵌入式控制中心连接。
7.根据权利要求2所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：所述工作电源是直流电源，包括太阳能电池板与蓄电池组合的电源或者蓄电池或交流电源经转换后的直流电源。
8.根据权利要求2所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：所述嵌入式控制中心与GPS模块连接，实时接收GPS位置信息，并与上一次保存的信息对比，如果位置变化大于原来设定的值，就向***发送移动报警的信息，起防盗作用。
9.根据权利要求1所述的一种根据水位变化自动在电子航道图上生成虚拟航标的方法，其特征在于：电子图层信息是前期已经制作好的地图中的数据集：一是记录现有航标的位置及状态、是虚拟航标还是实际航标的航标信息数据集，二是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值浅水区的面数据集，三是由两条相同高程值的等高线组成，记录这个高程值深水区的面数据集，四是由左右两条线组成的航槽的面数据集，五是航槽中线数据集，六是跨河桥梁建筑或江心岛屿、礁石障碍物数据集。
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