CN114906290A - 具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估***，包括有：船体，由左片体、中间凹体和右片体组成的碳纤复合材料结构，该左片体和右片体的首尾型线相对于船中对称；呆木，设置于船体的艏艉底部；全回转舵桨，设置有两具，并由上部阱式安装在船体内，其中一具位于左片体的首部位置，另一具位于右片体的首部位置；推进电机，对全回转舵桨进行驱动，并使全回转舵桨为船体提供矢量方向的推力；该具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估***轻质性高灵活性强，且能够在小型河流区域的预防碰撞。

Description

具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估***

技术领域

本发明涉及一种具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估***。

背景技术

粤港澳大湾区水路发达，客运需求量大，现有的客船基本上是柴油机船，碳排放高，污染严重。随着节能减排的大环境下，传统燃油车已逐渐被新能源汽车所取代，而如今，这股新能源化已延伸到船舶领域，地方政府陆续出台了清洁能源船舶的相关政策。

碳纤维增强复合材料是一种新型结构材料，比铝轻30％、强度却是钢的7至9倍，并且化学惰性还赋予其耐腐蚀的优势，其在船舶领域已有一定的应用。如何将碳纤维船和纯电船有效地结合起来，是船舶行业一大研发方向之一。

但无论磷酸铁锂还是三元锂电池，其能量密度都远不及化石燃料。

船体型线设计对船舶的性能影响较大，关系到船舶的浮态、快速性、经济性、稳性、操纵性、耐波性、甲板布置等方面，要求速度快、进入内河及珠江水域时要求有较灵活的操纵性能，以及防碰撞性能，而现有的船舶防碰撞***主要是针对于海面或江面等大型河流区域的船舶防碰撞，不适用于于内河及珠江水域这些小型河流区域的船舶防碰撞。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种轻质性高灵活性强，且能够在小型河流区域的预防碰撞的具有节能型船体型线结构的渡船及其碰撞风险评估***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有节能型船体型线结构的渡船，包括有：

船体，由左片体、中间凹体和右片体组成的碳纤复合材料结构，该左片体和右片体的首尾型线相对于船中对称；

呆木，设置于船体的艏艉底部；

全回转舵桨，设置有两具，并由上部阱式安装在船体内，其中一具位于左片体的首部位置，另一具位于右片体的首部位置；

推进电机，对全回转舵桨进行驱动，并使全回转舵桨为船体提供矢量方向的推力。

作为优选，该中间凹体的宽度大于左片体或右片体的宽度，并在中间凹体的上方对应位置装载有若干对推进电机进行供电的电池组。

作为优选，该全回转舵桨的直径为0.5-1m，两具全回转舵桨采用对角线布置在左片体和右片体的艏艉防撞舱壁后。

本发明所要解决的另一技术问题为提供具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，包括有：

图像采集模块，通过360°全景摄像组采集船舶周围的水面图像，并对图像进行畸变校正和倾斜校正，并拼合为全视觉图像；

渡船识别模块，对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注，同时判断障碍渡船的行进状态和船头朝向；

航线预测模块，根据渡船的行进状态和船头朝向，对障碍渡船的行进航线进行预测；

碰撞评估模块，基于我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的航线进行碰撞检测，并预估碰撞事件和碰撞类型；

规避模块，基于碰撞事件和碰撞类型生成碰撞规避策略，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则控制全回转舵桨对渡船的左片体或右片体提供矢量方向的推力，使我方渡船的预定航线偏移障碍渡船的预测航线。

作为优选，该360°全景摄像组由设置于左片体左侧、左片体右侧、右片体左侧和右片体右侧的四组摄像头组成。

作为优选，对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注的方法为：

利用tensorflow训练模型让其识别船舶，通过识别的船舶矩形坐标提取船头和船尾区域图像，在多帧的全视觉图像中匹配船头和船尾区域位置，对匹配的船头和船尾区域的中点处进行标注。

作为优选，判断障碍渡船的行进状态的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，当两个特征点为快速接近状态或快速远离时，则判断该渡船为转向状态，当两个特征点为无接近情况、缓慢接近或缓慢远离时，则判断该渡船为直行状态。

作为优选，判断障碍渡船的船头朝向的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，以最为接近渡船坐标变化方向的特征点作为船头。

作为优选，对障碍渡船的行进航线进行预测的方法为：

当判断该渡船为转向状态时，则根据两个特征点的接近轨迹或远离轨迹，以渡船的船头朝向延伸绘制转向航线；

当判断该渡船为直向状态时，则以渡船的船头朝向延伸绘制直向航线。

作为优选，预估碰撞事件和碰撞类型的方法为：

当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则判断可能存在碰撞事件风险，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线未存在交叉情况时，则判断无碰撞事件风险；

当判断可能存在碰撞事件风险时，进一步判断我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的夹角，当夹角为30°内时，则判断碰撞类型为小风险的侧边碰撞，当夹角为30°-90°时，则判断碰撞类型为中风险的交汇碰撞，当夹角为大于90°时，则判断碰撞风险为高风险的相对碰撞。

本发明的有益效果是：

本方案针对于左片体、中间凹体和右片体组成的碳纤复合材料结构的轻质船体结构，提出了与全回转舵桨和推进电机相结合的组合方案，使用时,推进电机驱动全回转舵桨可绕其中心轴360°旋转，为提供船舶任意矢量方向的推力，实现渡轮在行驶过程中的快速小幅度侧转，从而避免小型河流区域复杂水路环境的碰撞情况，保证船舶的安全航行，同时针对于左片体和右片体结构的船体设计，提出了设置于左片体左侧、左片体右侧、右片体左侧和右片体右侧的四组摄像头组成的全景摄像头组，来通过机械视觉的手段对附近船舶进行快速识别和航线的简易判断，从而快速的进行应对转向侧偏，避免出现碰撞情况。

附图说明

图1为本发明的具有节能型船体型线结构的渡船的侧面结构示意图；

图2为本发明的具有节能型船体型线结构的渡船的底部结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

参阅图1-2所示，具有节能型船体型线结构的渡船，包括有：

船体，由左片体1、中间凹体2和右片体3组成的碳纤复合材料结构，该左片体1和右片体3的首尾型线相对于船中对称；

呆木4，设置于船体的艏艉底部；

全回转舵桨5，设置有两具，并由上部阱式安装在船体内，其中一具位于左片体1的首部位置，另一具位于右片体3的首部位置；

推进电机6，对全回转舵桨5进行驱动，并使全回转舵桨5为船体提供矢量方向的推力。

该中间凹体2的宽度大于左片体1或右片体3的宽度，并在中间凹体2的上方对应位置装载有若干对推进电机6进行供电的电池组，相比于传统的燃油供能方式，采用了更为清洁的可充电电池进行供能，虽然动力方向进行了一定程度的降低，但是其灵活性得到了大幅的提高，适用于本方案所提出的低速短途的碳纤维船。

该全回转舵桨5的直径为0.5-1m，两具全回转舵桨5采用对角线布置在左片体1和右片体3的艏艉防撞舱壁后。

两个全回转舵桨5安装在两个船体的对角位置，它在各个方向都提供了卓越的推进效率和良好的机动性。全回转舵桨5可绕其中心轴360°旋转，为提供船舶任意矢量方向的推力。

全回转舵桨5对角布置带来了船舶的转向更方便、灵活控制,且船艏的全回转舵桨5能使船舶在航行过程更加平衡。

具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，包括有：

图像采集模块，通过360°全景摄像组采集船舶周围的水面图像，并对图像进行畸变校正和倾斜校正，并拼合为全视觉图像；

渡船识别模块，对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注，同时判断障碍渡船的行进状态和船头朝向；

航线预测模块，根据渡船的行进状态和船头朝向，对障碍渡船的行进航线进行预测；

碰撞评估模块，基于我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的航线进行碰撞检测，并预估碰撞事件和碰撞类型；

规避模块，基于碰撞事件和碰撞类型生成碰撞规避策略，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则控制全回转舵桨5对渡船的左片体1或右片体3提供矢量方向的推力，使我方渡船的预定航线偏移障碍渡船的预测航线。

该360°全景摄像组由设置于左片体1左侧、左片体1右侧、右片体3左侧和右片体3右侧的四组摄像头组成，该布置位置可进行适当调整，但优选为设置于左片体1和右片体3上。

对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注的方法为：

利用tensorflow训练模型让其识别船舶，通过识别的船舶矩形坐标提取船头和船尾区域图像，在多帧的全视觉图像中匹配船头和船尾区域位置，对匹配的船头和船尾区域的中点处进行标注。

判断障碍渡船的行进状态的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，当两个特征点为快速接近状态或快速远离时，则判断该渡船为转向状态，当两个特征点为无接近情况、缓慢接近或缓慢远离时，则判断该渡船为直行状态。

当两个特征点的接近或远离时速大于或等于行进时速时，则判断该渡船为转向状态，当两个特征点的接近或远离时速小于行进时速时，则判断该渡船为直行状态。

相比于大型河流区域的船舶，小型河流区域的船舶相邻更近，其针对于船舶的图像采集更为清晰和容易，因此采用tensorflow训练模型来进行船舶的识别具有较高的准确率，而识别后的感兴趣区域图像直接选用为船头和船尾区域，则可以便于对船舶的行进状态进行更为准确的判断。

判断障碍渡船的船头朝向的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，以最为接近渡船坐标变化方向的特征点作为船头。

对障碍渡船的行进航线进行预测的方法为：

当判断该渡船为转向状态时，则根据两个特征点的接近轨迹或远离轨迹，以渡船的船头朝向延伸绘制转向航线；

当判断该渡船为直向状态时，则以渡船的船头朝向延伸绘制直向航线。

预估碰撞事件和碰撞类型的方法为：

当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则判断可能存在碰撞事件风险，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线未存在交叉情况时，则判断无碰撞事件风险；

当判断可能存在碰撞事件风险时，进一步判断我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的夹角，当夹角为30°内时，则判断碰撞类型为小风险的侧边碰撞，当夹角为30°-90°时，则判断碰撞类型为中风险的交汇碰撞，当夹角为大于90°时，则判断碰撞风险为高风险的相对碰撞。

由于小型河流区域的船舶一般相邻较近，因此无法引用大型河流区域根据AIS动态数据的方式来进行碰撞判断手段，且大部分船舶无固定航道，故而直接建立简易的航线轨迹然后进行动态的轨迹微调其防碰撞效果更好，且稳定性更强，不会出现剧烈变向而影响船舶稳定性的情况。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有节能型船体型线结构的渡船，其特征在于，包括有：

船体，由左片体、中间凹体和右片体组成的碳纤复合材料结构，该左片体和右片体的首尾型线相对于船中对称；

呆木，设置于船体的艏艉底部；

全回转舵桨，设置有两具，并由上部阱式安装在船体内，其中一具位于左片体的首部位置，另一具位于右片体的首部位置；

推进电机，对全回转舵桨进行驱动，并使全回转舵桨为船体提供矢量方向的推力。

2.根据权利要求1所述的具有节能型船体型线结构的渡船，其特征在于，该中间凹体的宽度大于左片体或右片体的宽度，并在中间凹体的上方对应位置装载有若干对推进电机进行供电的电池组。

3.根据权利要求1所述的具有节能型船体型线结构的渡船，其特征在于，该全回转舵桨的直径为0.5-1m，两具全回转舵桨采用对角线布置在左片体和右片体的艏艉防撞舱壁后。

4.具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，包括有：

图像采集模块，通过360°全景摄像组采集船舶周围的水面图像，并对图像进行畸变校正和倾斜校正，并拼合为全视觉图像；

渡船识别模块，对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注，同时判断障碍渡船的行进状态和船头朝向；

航线预测模块，根据渡船的行进状态和船头朝向，对障碍渡船的行进航线进行预测；

碰撞评估模块，基于我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的航线进行碰撞检测，并预估碰撞事件和碰撞类型；

规避模块，基于碰撞事件和碰撞类型生成碰撞规避策略，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则控制全回转舵桨对渡船的左片体或右片体提供矢量方向的推力，使我方渡船的预定航线偏移障碍渡船的预测航线。

5.根据权利要求4所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于：该360°全景摄像组由设置于左片体左侧、左片体右侧、右片体左侧和右片体右侧的四组摄像头组成。

6.根据权利要求4所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，对全视觉图像中的障碍渡船图像进行识别，并对识别的障碍渡船进行特征点标注的方法为：

利用tensorflow训练模型让其识别船舶，通过识别的船舶矩形坐标提取船头和船尾区域图像，在多帧的全视觉图像中匹配船头和船尾区域位置，对匹配的船头和船尾区域的中点处进行标注。

7.根据权利要求6所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，判断障碍渡船的行进状态的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，当两个特征点为快速接近状态或快速远离时，则判断该渡船为转向状态，当两个特征点为无接近情况、缓慢接近或缓慢远离时，则判断该渡船为直行状态。

8.根据权利要求7所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，判断障碍渡船的船头朝向的方法为：

在多帧的全视觉图像运动下各自比较渡船的两个特征点的坐标变化，以最为接近渡船坐标变化方向的特征点作为船头。

9.根据权利要求4所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，对障碍渡船的行进航线进行预测的方法为：

当判断该渡船为转向状态时，则根据两个特征点的接近轨迹或远离轨迹，以渡船的船头朝向延伸绘制转向航线；

当判断该渡船为直向状态时，则以渡船的船头朝向延伸绘制直向航线。

10.根据权利要求4所述的具有节能型船体型线结构的渡船的碰撞风险评估***，其特征在于，预估碰撞事件和碰撞类型的方法为：

当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线存在交叉情况时，则判断可能存在碰撞事件风险，当我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线未存在交叉情况时，则判断无碰撞事件风险；

当判断可能存在碰撞事件风险时，进一步判断我方渡船的预定航线与障碍渡船的预测航线的夹角，当夹角为30°内时，则判断碰撞类型为小风险的侧边碰撞，当夹角为30°-90°时，则判断碰撞类型为中风险的交汇碰撞，当夹角为大于90°时，则判断碰撞风险为高风险的相对碰撞。

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