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        船舶智能航行感知系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研究

        2022-12-23 06:59:36薛敏耿建寧
        科學(xué)與信息化 2022年23期
        關(guān)鍵詞:船舶智能融合

        薛敏 耿建寧

        1. 海裝裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071;2. 中船航海科技有限責(zé)任公司 北京 100074

        引言

        智能化是現(xiàn)代船舶發(fā)展的重要方向,主要是從智能感知到智能決策,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶智能控制的過(guò)程,以達(dá)到解放人力、智能避碰和自主航行的目的。而一艘船舶從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到試驗(yàn),涉及面廣且專業(yè)性強(qiáng),技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)難度較大。因此,雖然智能船舶的發(fā)展極其重要和迫切,但其技術(shù)發(fā)展和實(shí)施過(guò)程卻極其緩慢。

        1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究

        我國(guó)智能船舶的發(fā)展遵循系統(tǒng)布局、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、梯次推進(jìn)、重點(diǎn)突破的原則,按照“輔助決策-遠(yuǎn)程控制-無(wú)人自主”的研發(fā)路徑有序開(kāi)展。依托國(guó)家重大科研項(xiàng)目和“產(chǎn)學(xué)研用”專業(yè)化協(xié)作團(tuán)隊(duì),經(jīng)過(guò)幾年的研究與探索,我國(guó)在智能船舶和船舶自主航行領(lǐng)域取得了較好的成果。但是在船舶智能領(lǐng)域,對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶輔助駕駛領(lǐng)域的研究起步較晚。天津航標(biāo)處利用AR技術(shù)構(gòu)建虛擬助航系統(tǒng),通過(guò)GPS+3D技術(shù)獎(jiǎng)虛擬航標(biāo)精準(zhǔn)投放至全球,船舶借助專用設(shè)備,航行至該區(qū)域,實(shí)時(shí)采集到虛擬助航系統(tǒng)、虛擬航道規(guī)劃服務(wù)每位船舶遠(yuǎn)洋航行提供高效助航服務(wù)。

        2015年,法國(guó)艦艇建造局(DCNS)在歐洲海軍裝備展上發(fā)布了XWIND 4000“全數(shù)字化”概念艦設(shè)計(jì)方案,該方案運(yùn)用了語(yǔ)音控制技術(shù)、體感技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),使艦員在艦橋上擁有360°全方位視野。所有的數(shù)字化系統(tǒng)均運(yùn)行于安全的數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)上,該體系結(jié)構(gòu)處于能根據(jù)作戰(zhàn)需求變化而分配相應(yīng)資源的虛擬環(huán)境中。

        2019年,日本三菱重工在??仗旆绖?wù)展發(fā)布了將用于日本30DX護(hù)衛(wèi)艦上的“先進(jìn)綜合戰(zhàn)情中心”設(shè)計(jì)方案,該方案運(yùn)用了船舶智能操控技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過(guò)360°環(huán)狀屏幕墻將駕駛室、態(tài)勢(shì)感知室、主機(jī)和動(dòng)力控制室、戰(zhàn)情中心聯(lián)合在一起,提供全景展示環(huán)境,可以顯示護(hù)衛(wèi)艦的全向的外部環(huán)境,融合來(lái)自艦上電光探測(cè)系統(tǒng),紅外系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)甚至雷達(dá)傳感器的圖像和數(shù)據(jù),使戰(zhàn)斗指揮員及時(shí)獲取和利用最新的情況信息,同時(shí)還可以讓艦員通過(guò)多功能控制界面執(zhí)行作戰(zhàn)、導(dǎo)航和通信等幾乎全部的艦上指揮與控制工作。

        2019年法國(guó)BAE公司將來(lái)自雷達(dá)、聲吶、光電設(shè)備等態(tài)勢(shì)感知的數(shù)據(jù)和其他戰(zhàn)術(shù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)連接到AR眼鏡,在某型護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行測(cè)試。展現(xiàn)在指揮員眼前的是虛擬的真實(shí)世界,友艦位置等信息數(shù)據(jù)將直接展現(xiàn)在這個(gè)視野中,讓艦員一目了然自己的狀態(tài)和位置,在艦上隨時(shí)隨地獲取戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)和其他關(guān)鍵信息??梢酝ㄟ^(guò)AR眼鏡檢測(cè)視野內(nèi)遠(yuǎn)處的物體,并通過(guò)AI獲取該物體的分類數(shù)據(jù),如果數(shù)據(jù)與看到的數(shù)據(jù)不匹配,可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,如果發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)威脅到本方艦艇,可以直接在系統(tǒng)中標(biāo)定該目標(biāo),整個(gè)系統(tǒng)的用戶都能看到,能夠在戰(zhàn)斗環(huán)境中建立起更高效、更準(zhǔn)確的工作流程。

        2018 年,英國(guó)海洋電子設(shè)備制造商Raymarine研發(fā)一款用于游艇的導(dǎo)航軟件——RaymarineClearCruise AR。該系統(tǒng)通過(guò)高清攝像頭采集船舶前方的實(shí)時(shí)視景,利用船載設(shè)備和傳感器獲取到視景中物標(biāo)(例如:船舶、浮標(biāo))的對(duì)應(yīng)信息,運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),將生成的虛擬信息疊加到視景中,將實(shí)時(shí)的增強(qiáng)視景呈現(xiàn)在電子屏幕上。安裝該軟件的游艇可以做到:①清楚地識(shí)別周圍裝有 AIS 的船只;②不同船舶的顏色編碼,確定物標(biāo)的狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);③低能見(jiàn)度條件下,使游艇周圍的浮標(biāo)等可視化。該系統(tǒng)由于安裝在游艇上,相對(duì)于其他類型船只速度較快,需要計(jì)算機(jī)快速處理大量船舶數(shù)據(jù)。

        與國(guó)外典型船舶智能產(chǎn)品相比,國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品起步晚、發(fā)展慢,技術(shù)尚需成熟,需開(kāi)展智能航行感知系統(tǒng)設(shè)計(jì),以彌補(bǔ)船舶智能航行領(lǐng)域的缺陷。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        本文提出了一種船舶智能航行感知系統(tǒng)集成設(shè)計(jì),主要包括航行態(tài)勢(shì)感知和AR輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

        2.1 航行態(tài)勢(shì)感知——以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為基礎(chǔ)的智能感知產(chǎn)品

        航行態(tài)勢(shì)感知是船舶自主航行的基礎(chǔ)。如果將智能船舶比作人,船舶自主航行比作人的行走,那么航行態(tài)勢(shì)感知傳感器相當(dāng)于綜合利用人的眼睛、耳朵和鼻子等感官對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知。航行態(tài)勢(shì)感知技術(shù)包括態(tài)勢(shì)感知傳感器、態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)融合等技術(shù)。

        態(tài)勢(shì)感知傳感器是集成激光雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、紅外攝像、RGB攝像及PTZ全方位視頻監(jiān)控和其他導(dǎo)航傳感器及設(shè)備,利用傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的最新進(jìn)展,通過(guò)信息融合和智能學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)船舶環(huán)境實(shí)時(shí)可視化和感知。通過(guò)實(shí)時(shí)采集雷達(dá)回波信息、全景激光雷達(dá)點(diǎn)云信息、視頻信息,進(jìn)行信息去噪、整合、特征提取等預(yù)處理,基于智能技術(shù),開(kāi)展圖像處理等研究,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別。

        態(tài)勢(shì)感知傳感器主要包括激光雷達(dá)、全景視覺(jué)、全景紅外、S波段雷達(dá)、X波段雷達(dá)。為了滿足不同船舶的航行需求,對(duì)空間分辨率、感知范圍、目標(biāo)識(shí)別率、環(huán)境及處理效率各方面有不同的要求,為了更好地支撐不同的態(tài)勢(shì)感知需求,各傳感器對(duì)比如下表所示。

        表1 傳感器對(duì)比分析表

        船舶航行態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)往往有多個(gè)數(shù)據(jù)源,為了充分發(fā)揮多源數(shù)據(jù)價(jià)值,確保態(tài)勢(shì)信息的正確性和全局性,需要對(duì)多源態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。針對(duì)航行中的船舶等目標(biāo),雷達(dá)、AIS、激光等主要信息源進(jìn)行信息融合疊加顯示,實(shí)現(xiàn)各個(gè)信息源探測(cè)的目標(biāo)結(jié)果進(jìn)行正確的坐標(biāo)統(tǒng)一。數(shù)據(jù)融合方法包含貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[1]、D-S 證據(jù)理論[2]、粗糙集理論[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4]。

        近年來(lái),隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)融合方法逐漸受到人們的關(guān)注。深度學(xué)習(xí)的顯著特征是可以自動(dòng)從數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)特征,所提取的高層特征具有表征性強(qiáng)、語(yǔ)義性好的特點(diǎn)[5]。因此,基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)融合是一種特征級(jí)數(shù)據(jù)融合,通過(guò)多次感知數(shù)據(jù)的迭代能夠更好地實(shí)現(xiàn)智能態(tài)勢(shì)感知,通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)、全景視覺(jué)和全景紅外等感知數(shù)據(jù)的融合,能夠更好地輔助航行指揮員進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知,提高航行安全性。

        2.2 AR輔助決策系統(tǒng)——以人工智能為基礎(chǔ)的船舶智能產(chǎn)品

        傳統(tǒng)航行態(tài)勢(shì)的分析依靠人來(lái)處理多來(lái)源、多種形態(tài)的態(tài)勢(shì)信息,對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)手段為航行觀察視頻、導(dǎo)航雷達(dá)、AIS等,同一個(gè)目標(biāo)不同來(lái)源的文字、圖片、視頻信息等需交叉比對(duì),從而獲取一個(gè)目標(biāo)的信息,工作量大,信息處理智能化程度不高,數(shù)據(jù)利用率低;另外,對(duì)于航行態(tài)勢(shì)感知的范圍不足,因駕駛室瞭望視野受限,兩側(cè)及向后視野不佳,夜間和雨雪霧天氣情況下人工瞭望受限,無(wú)法顯示艦艇全向的外部環(huán)境。智能航行態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng),通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將目標(biāo)進(jìn)行疊加,可提供多維態(tài)勢(shì)展示能力。

        增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡(jiǎn)稱AR)是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù),從而將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成。通過(guò)該技術(shù)將視頻采集到的觀察視頻與電子海圖數(shù)據(jù)及傳感器觀測(cè)到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行疊加,可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)的信息集成,將電子海圖立體起來(lái),直觀的向用戶全面展示航行態(tài)勢(shì)[6]。

        為了將觀察視頻與地理信息更好的對(duì)準(zhǔn),采用OSGEarth技術(shù),OSGEarth技術(shù)提供了一個(gè)地理空間的開(kāi)發(fā)工具包和地形引擎,該技術(shù)利用包含投影坐標(biāo)系及經(jīng)緯度信息的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,無(wú)論何種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù),只要能確定投影參考系,便能保證被放置在正確的位置上。且該技術(shù)提供開(kāi)放式的繪圖標(biāo)準(zhǔn),操作和數(shù)據(jù)的交互,一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),使得該技術(shù)可以包含更多的數(shù)據(jù)源?;诖思夹g(shù),可以完成三維地理空間的構(gòu)件及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的實(shí)現(xiàn)。

        圖1 AR輔助決策系統(tǒng)示意圖及結(jié)構(gòu)圖

        2.3 智能航行感知系統(tǒng)功能

        智能航行感知系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能:

        2.3.1 視頻接收及處理,通過(guò)視覺(jué)傳感器,接收外部的觀察視頻,并對(duì)視頻流進(jìn)行解析顯示,可通過(guò)智能圖像處理功能識(shí)別視頻圖像中的目標(biāo)。

        2.3.2 數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)處理及整合功能。接收導(dǎo)航雷達(dá)、AIS、位置傳感器、速度傳感器等傳統(tǒng)的導(dǎo)航傳感器的信息,并對(duì)其進(jìn)行解析處理,獲取船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及周圍目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)的信息處理,獲取地理信息、礙航物、助航物等信息。

        2.3.3 數(shù)據(jù)融合功能。融合視覺(jué)、雷達(dá)、AIS等接收的目標(biāo)信息,融合海圖數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)。

        2.3.4 OSGEarth為引擎的三維地理空間開(kāi)發(fā)。對(duì)視頻信息進(jìn)行畸變處理后,進(jìn)行三維坐標(biāo)系標(biāo)定,建立為OSGEarth的基礎(chǔ)圖層。通過(guò)組合傳感器及融合后的目標(biāo)信息,將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,建立為目標(biāo)圖層。通過(guò)海圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)地理信息解析及視頻數(shù)據(jù),將助航物、礙航物、海圖危險(xiǎn)信息等進(jìn)行信息進(jìn)行整合,建立為海圖標(biāo)記圖層。

        2.3.5 海圖作業(yè)功能。通過(guò)建立的三維地理空間,提供測(cè)距、量算、計(jì)劃航線、錨泊監(jiān)控等輔助海圖作業(yè)功能。

        2.3.6 報(bào)警管理。對(duì)危及航行安全的避碰信息、擱淺信息、沉船等礙航信息進(jìn)行報(bào)警管理。

        智能航行態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)通過(guò)5部分模塊的有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了在三維空間坐標(biāo)系中將攝像頭視頻流和目標(biāo)、航行海圖要素、避碰及本地傳感器等信息有機(jī)融合,為駕駛員的操縱決策提供了信息支撐,有效提升了船舶智能航行水平。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        以各航行態(tài)勢(shì)感知傳感器為支撐,本文提出一種集成了航行態(tài)勢(shì)感知和AR輔助決策系統(tǒng)的智能航行感知系統(tǒng),具備多源數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)處理能力,在智能航行設(shè)備的研發(fā)和推廣方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí),依托遠(yuǎn)洋和內(nèi)河實(shí)船試驗(yàn)和船舶航行支撐,可以獲取各類設(shè)備的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù),為智能船舶航行的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

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