[發明專利]基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺及方法

在審

• 申請號: 201710256342.3
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107025356A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 蔣仲廉;嚴新平;初秀民;鐘誠;陳先橋;李吉祥
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E02B1/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王丹

1.一種基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺，其特征在于：它包括：

內河航道通航環境計算模塊，用于根據用戶所選定的條件，導入或定義該條件下的通航要素信息；所述的通航要素信息包括維護水深、流速場、地形變化和航道條件；

船舶交通流仿真系統，用于針對用戶所選定的條件下的交通流數據，通過擬合分析生成符合該條件下的交通流仿真數據，通過參數設置使得生成的交通流仿真數據滿足主觀需求；所述的船舶交通流仿真系統包括：船舶交通流數據解析模塊，用于AIS、雷達、CCTV視頻數據的解析和交通流特征分析；船舶交通流數據分析擬合模塊，用于解析交通流統計數據并獲取船舶交通流相關特征參數；船舶交通流仿真模塊用于生成指定參數下的交通流仿真數據；主程序模塊，用于各組成模塊間的任務調度；

若干個船舶模擬操縱臺，分別通過串口轉網口設備與所述的內核航道通航計算模塊和船舶交通流仿真系統進行數據交互，用于進行船舶運動與操縱、設備故障報警的仿真試驗，監測船舶狀態并進行內河航道通航安全評估；利用所述的串口轉網口設備，下位機基于詢問報文自動回復相應設備狀態報文到上位機，上位機為船舶模擬操縱臺，下位機為內河航道通航環境計算模塊和船舶交通流仿真系統；

監測與顯示系統，與內河航道通航環境計算模塊和船舶交通流仿真系統通過串口連接，用于在河內航道地圖上實時顯示船舶模擬操縱臺得到的船舶狀態和仿真試驗數據。

2.根據權利要求1所述的基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺，其特征在于：所述的內河航道通航環境計算模塊包括水流模型與泥沙模型；所述的水流模型計算采用正交曲線網格的有限體積法計算雷諾平均Navier-Stokes方程組；所述的泥沙模型為非均勻非恒定泥沙輸運模型。

3.根據權利要求1所述的基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺，其特征在于：所述的船舶交通流仿真系統包括斷面船舶交通流量預測模型和船舶交通流生成模型；所述的斷面交通流量預測模型采用結合時間序列分析和卡爾曼濾波的優化方法；所述的船舶交通流生成模型采用改進同余法隨機數生成器。

4.利用權利要求1所述的基于硬件在環的內河航道通航安全仿真試驗平臺實現的仿真試驗方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、根據試驗需要，通過內河航道通航環境計算模塊輸入地形數據、邊界條件和初始條件；通過實測數據驗證并調試內河航道通航環境計算模塊；

S2、船舶交通流仿真系統根據AIS、雷達、CCTV視頻數據解析，獲取船舶交通流特征參數；

S3、船舶模擬操縱臺根據船舶操縱駕駛與所述的內河航道通航環境計算模塊形成耦合模型，并計算結果；通過串口轉網口設備將舵角、航向和航跡線寬度發送至所述的監測與顯示系統，結合河內航道地圖，實現內河通航環境和船舶運行狀態的在線實時顯示與監測。

5.根據權利要求4所述的仿真試驗方法，其特征在于：所述的S1具體為：通過輸入測試河段的地形數據、邊界條件和初始條件，采用貼體正交曲線網格，建立測試河段二、三維數學模型；通過耦合雷諾平均Navier-Stokes方程組與非均勻非恒定泥沙輸運模型，采用有線體積法求解獲得測試河段水深場、流速場與河段地形變化。

6.根據權利要求4所述的仿真試驗方法，其特征在于：所述的S2具體為：

2.1、通過對指定域劃定矩形區域，依據AIS數據中的經緯度信息判斷船舶是否通過該矩形區域，統計指定時間范圍內該矩形區域交通流數據；

2.2、將所得的交通流數據進行分析，對不同的交通參數進行提取，對每一個交通流參數分別構建其差值最小的概率密度函數；交通參數包括船舶的數量、長度、到達時間；

2.3、通過隨機數發生器獲取隨機數種子，將隨機數種子映射至每個交通流參數的概率密度函數內，得到符合概率密度函數的隨機變量，通過隨機變量生成船舶交通流仿真數據。