本文是一篇計(jì)算機(jī)論文,本文是在閱讀了國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于航跡關(guān)聯(lián)算法的文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于區(qū)域劃分的航跡關(guān)聯(lián)算法。并參考了大量主流的船舶監(jiān)控軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了近海船舶原型系統(tǒng)，并將算法完成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。具體工作如下。(1)在軟件模塊架構(gòu)上利用消息隊(duì)列將各個(gè)功能模塊相解耦，將數(shù)據(jù)預(yù)處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和區(qū)域劃分放到了數(shù)據(jù)解析模塊，減輕了航跡關(guān)聯(lián)融合的計(jì)算量。在航跡融合模塊，采用了基于區(qū)域劃分的航跡關(guān)聯(lián)算法，并且改良了傳統(tǒng) KNN 算法的關(guān)聯(lián)方式，進(jìn)一步加快了航跡關(guān)聯(lián)的速度。并將算法的關(guān)聯(lián)融合結(jié)果通過消息隊(duì)列發(fā)送給其他模塊。實(shí)驗(yàn)仿真證明相對(duì)于采用傳統(tǒng) KNN 的雙門限模糊綜合航跡關(guān)聯(lián)算法計(jì)算速度也有明顯提升，在關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率上也有略微提升。(2)對(duì)于和 AIS 的關(guān)聯(lián)，本文所設(shè)計(jì)的算法在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，對(duì) AIS 航跡采用線性外推和內(nèi)插法相結(jié)合的方式，將 AIS 航跡進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一，使得 AIS 航跡在航跡關(guān)聯(lián)上可以當(dāng)做雷達(dá)航跡一樣處理。航跡融合上，系統(tǒng)航跡只融合 AIS 的靜態(tài)以及航跡相關(guān)信息，使得系統(tǒng)航跡信息更全面。在雷達(dá)校正上，利用 AIS 提供的位置信息作為位置真值，利用與其關(guān)聯(lián)的雷達(dá)航跡參照 AIS 真值計(jì)算出該雷達(dá)在徑向距離和角度上的偏差，用于誤差校正。

第一章? 緒論

1.1 研究背景及意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋已經(jīng)成為最重要的交通要道，航運(yùn)市場(chǎng)和船舶運(yùn)輸業(yè)也隨之飛速發(fā)展。根據(jù) 2017 年交通運(yùn)輸部公布的交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2017年全年，水路交通完成客運(yùn)量 2.83 億人，比 2016 年增長(zhǎng) 3.9%。全國(guó)港口完成吞吐量 140.07億噸，比 2016 年增長(zhǎng) 6.1%。從 2013 年到 2017 年，中國(guó)港口的總吞吐量從 117.67 億噸上漲到 140.07 億噸。所以日益繁忙的航運(yùn)貿(mào)易所造成的航運(yùn)壓力也越來越大，航運(yùn)交通事故所造成的財(cái)產(chǎn)和生命的損失也越來越嚴(yán)重，尤其是近海交通事故，這也越來越廣泛引發(fā)社會(huì)的關(guān)注[1]。因此，中國(guó)的水路交通安全是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，水路交通安全管理有著極大的壓力，水路交通安全問題亟待解決。

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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(1)船舶監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

船舶監(jiān)控系統(tǒng)是指通過利用主流的監(jiān)控技術(shù)手段，如 AIS 系統(tǒng)，衛(wèi)星監(jiān)控，沿海 CDMA監(jiān)控等，對(duì)目標(biāo)海域內(nèi)的船舶目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤，并將目標(biāo)位置實(shí)時(shí)更新在電子海圖上的系統(tǒng)。

在國(guó)內(nèi)，為了保證船舶的安全航行，2002 年張顯庫(kù)、任光、劉軍等人在控制工程理論的最新成果上綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子海圖技術(shù)、CAN(Controller Area Network)總線技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了綜合船舶監(jiān)控系統(tǒng)[4]。同年，賈銀山等人將 GPS 定位技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、電子海圖技術(shù)相結(jié)合完成了船舶監(jiān)控系統(tǒng)[5]。2008 年，胡景峰等人利用多雷達(dá)系統(tǒng)和電子海圖技術(shù)設(shè)計(jì)了船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效監(jiān)控船舶，并將圖像顯示至監(jiān)控中心[6]。2012 年，劉信文以 Visual C++為開發(fā)工具，將從 AIS 系統(tǒng)接收的 AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得船舶信息可以顯示在電子海圖上[7]。2013 年，楊述為了給勝利油田實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、高效化、智能化的運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)景，設(shè)計(jì)了一個(gè)人工船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)基于 ASP.NET 的三層 Web 程序開發(fā)模型設(shè)計(jì)，顯示界面利用 ExtJS 框架，界面優(yōu)美大方，整個(gè)開發(fā)工程中，為了減輕系統(tǒng)的開銷引入了 Ajax 技術(shù)，避免整個(gè)界面的重復(fù)刷新，只對(duì)船舶位置做局部更新，提升了系統(tǒng)性能[8]。2015 年，胡乃軍，黃海廣等人將在多源定位船舶數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)船舶監(jiān)控系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)了不同類型船舶之間的信息交互，為國(guó)內(nèi)船舶監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)[9]。

在國(guó)外，2011 年，Vu Trong, Dinh Quoc 等人考慮到 AIS 信號(hào)的陸地接收站無法接受到地平線外的船舶，所以提出發(fā)送衛(wèi)星，以星載 AIS 信號(hào)接受器來實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域內(nèi)的船舶監(jiān)控[10]。2015 年，Miyake R，Fukuto J，Hasegawa K 等人開發(fā)出一套防碰撞算法的基于 AIS 的船舶監(jiān)控導(dǎo)航系統(tǒng)[11]。2016 年，Kim T H，Yang C S 等人利用 Ka 波段通信衛(wèi)星在 Socheongcho 海洋基站實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程船舶監(jiān)控系統(tǒng)[12]。

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第二章 相關(guān)技術(shù)研究

2.1 引言

近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)采用多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)和 AIS 相結(jié)合的監(jiān)控方式，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)的所有船舶的位置，并且將這些船舶的位置、航向、航速等信息上報(bào)給監(jiān)控系統(tǒng)的接收端。系統(tǒng)將通過航跡關(guān)聯(lián)算法將這些航跡信息關(guān)聯(lián)處理，然后結(jié)合 ECDIS(electron-ic? chart display? and? information? system)技術(shù)將船舶目標(biāo)顯示在系統(tǒng)的終端界面上[29]。工作人員可以通過系統(tǒng)終端界面對(duì)船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。因此近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)監(jiān)控和管理一體化的平臺(tái)。

在近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，所有的人工管理控制操作都基于航跡關(guān)聯(lián)所產(chǎn)生的航跡，航跡關(guān)聯(lián)算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，關(guān)聯(lián)算法的好快直接影響系統(tǒng)的整體功能，所以航跡關(guān)聯(lián)算法是近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

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2.2 近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)

當(dāng)前在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用得較為廣泛的監(jiān)控技術(shù)主要有多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)，AIS，衛(wèi)星監(jiān)控，近海閉路電視視頻監(jiān)控，甚高頻通信等。雷達(dá)向一個(gè)特定方向發(fā)送無線電信號(hào)，并掃描周圍海域，雷達(dá)接收器負(fù)責(zé)接收信號(hào)行進(jìn)過程中遇到物體反射的無線信號(hào)，最后得到目標(biāo)的相關(guān)信息，多雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)將各個(gè)雷達(dá)的信息結(jié)合起來，獲得更大更準(zhǔn)確的監(jiān)控范圍，同時(shí)提高了船舶目標(biāo)的更新頻率，使目標(biāo)信息更具實(shí)時(shí)性[30]。AIS 由岸上基站和船載設(shè)備共同構(gòu)成，目前的每一條民用船舶上都有 AIS 報(bào)文的發(fā)送裝置，船載 AIS 設(shè)備通過 GPS 獲取船舶的位置信息，民船可以通過這種裝置發(fā)送運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息和靜態(tài)信息給 AIS 基站。衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)通過衛(wèi)星接受船舶發(fā)送出的 GPS 信號(hào)得到船舶的位置信息，完成監(jiān)控。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)攝像機(jī)視頻拍攝所獲取到的現(xiàn)場(chǎng)畫面，直接觀測(cè)得到船舶目標(biāo)的位置、航速、航向以及航行狀態(tài)等信息，從而完成對(duì)目標(biāo)的監(jiān)控。甚高頻通信系統(tǒng)是指船舶之間，船舶和岸上基站之間利用 VHF(Very? High? Frequency)用頻段進(jìn)行無線電通信，獲取到船舶的位置信息、身份信息等，是建立在語音通信上的監(jiān)控。綜合比較這些監(jiān)控技術(shù)，它們都各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的監(jiān)控場(chǎng)景和需求。

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第三章 基于區(qū)域劃分的多雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)算法 ......................... 16

3.1 引言 .................................. 16

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 ..................................... 16

第四章 近海船舶監(jiān)控原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ................................. 38

4.1 引言 .......................... 38

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) .............................. 39

第五章 總結(jié)與展望 ................................. 52

5.1 本文工作總結(jié) ................................... 52

5.2 本文工作展望 .................................. 52

第四章 近海船舶監(jiān)控原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 引言

本文所設(shè)計(jì)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于船舶的近海監(jiān)控，能夠?qū)⒀睾：Ｓ騼?nèi)的多個(gè)雷達(dá)傳感器設(shè)備提供的信息以及 AIS 提供的信息進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，并將關(guān)聯(lián)后的航跡信息融合輸出，全面的進(jìn)行展現(xiàn)，為港口碼頭等工作人員提供實(shí)時(shí)、完整、綜合的情報(bào)信息，為沿海海域內(nèi)船舶航行安全提供保障。

系統(tǒng)在監(jiān)控技術(shù)上選擇多雷達(dá)組網(wǎng)和 AIS 相結(jié)合的方式。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將雷達(dá)報(bào)文解析成航跡信息發(fā)送給航跡融合模塊和終端顯示模塊，AIS 管理中心收到 AIS 信息后也將 AIS信息發(fā)送到航跡融合模塊和終端顯示模塊。系統(tǒng)通過融合模塊將不同雷達(dá)源的航跡相關(guān)聯(lián)，并且和相關(guān)的 AIS 航跡關(guān)聯(lián)，成功關(guān)聯(lián)后生成完整的系統(tǒng)航跡再發(fā)送給終端顯示模塊。顯示模塊完成航跡的顯示和控制操作功能。系統(tǒng)的整體功能模塊和航跡源的關(guān)系如圖 4.1 所示。

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第五章? 總結(jié)與展望

5.1? 本文工作總結(jié)

本文是在閱讀了國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于航跡關(guān)聯(lián)算法的文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于區(qū)域劃分的航跡關(guān)聯(lián)算法。并參考了大量主流的船舶監(jiān)控軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了近海船舶原型系統(tǒng)，并將算法完成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。具體工作如下。

(1)在軟件模塊架構(gòu)上利用消息隊(duì)列將各個(gè)功能模塊相解耦，將數(shù)據(jù)預(yù)處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和區(qū)域劃分放到了數(shù)據(jù)解析模塊，減輕了航跡關(guān)聯(lián)融合的計(jì)算量。在航跡融合模塊，采用了基于區(qū)域劃分的航跡關(guān)聯(lián)算法，并且改良了傳統(tǒng) KNN 算法的關(guān)聯(lián)方式，進(jìn)一步加快了航跡關(guān)聯(lián)的速度。并將算法的關(guān)聯(lián)融合結(jié)果通過消息隊(duì)列發(fā)送給其他模塊。實(shí)驗(yàn)仿真證明相對(duì)于采用傳統(tǒng) KNN 的雙門限模糊綜合航跡關(guān)聯(lián)算法計(jì)算速度也有明顯提升，在關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率上也有略微提升。

(2)對(duì)于和 AIS 的關(guān)聯(lián)，本文所設(shè)計(jì)的算法在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，對(duì) AIS 航跡采用線性外推和內(nèi)插法相結(jié)合的方式，將 AIS 航跡進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一，使得 AIS 航跡在航跡關(guān)聯(lián)上可以當(dāng)做雷達(dá)航跡一樣處理。航跡融合上，系統(tǒng)航跡只融合 AIS 的靜態(tài)以及航跡相關(guān)信息，使得系統(tǒng)航跡信息更全面。在雷達(dá)校正上，利用 AIS 提供的位置信息作為位置真值，利用與其關(guān)聯(lián)的雷達(dá)航跡參照 AIS 真值計(jì)算出該雷達(dá)在徑向距離和角度上的偏差，用于誤差校正。

(3)針對(duì)電子圍欄功能，也用消息隊(duì)列和航跡融合模塊進(jìn)行解耦。并設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)根據(jù)圍欄最新狀態(tài)進(jìn)行電子圍欄識(shí)別的算法，針對(duì)每一種類型的圍欄算法都有不同的識(shí)別方法。當(dāng)航跡穿入或者穿出圍欄上，算法會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況，并提供報(bào)警信息。

(4)最后利用 electron 框架完成了系統(tǒng)的客戶端，并且利用 NodeJS 編寫了 Web 后臺(tái)服務(wù)器。客戶端可以成功加載電子海圖并顯示，此外雷達(dá)發(fā)送的航跡、AIS 航跡以及融合產(chǎn)生的系統(tǒng)航跡都可以及時(shí)地顯示在海圖上。而且不同類型的航跡在海圖上都有明顯的區(qū)分，可以更好的為運(yùn)營(yíng)管理提供保障。

參考文獻(xiàn)(略)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的船舶和计算机结合论文格式,近海船舶监控系统中航迹关联算法的计算机研究与实现...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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