基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统

1.一种基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，其特征在于，所述船舶报警系统包括换能器组件、测距传感器组件、船速检测设备、控制设备和驾驶员状态检测设备，所述控制设备分别与所述换能器组件、所述测距传感器组件、所述船速检测设备和驾驶员状态检测设备连接，基于所述船速检测设备输出的船舶行驶速度控制所述换能器组件的测量精度等级，基于所述换能器组件和所述测距传感器组件的测量结果确定是否对船舶行驶速度报警，还基于所述驾驶员状态检测设备的检测结果确定是否对驾驶员疲劳状态报警；
所述船舶报警系统还包括：
换能器组件，由四个换能器组成，所述四个换能器分别位于船舶船底四角，每一个换能器基于接收到的船舶行驶速度确定测量精度等级，所述测量精度等级包括特等、1a等、1b等和二等，所述四个换能器测量到的船舶船底距离水底最近的距离值作为船底目标距离输出；
测距传感器组件，由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的四侧，用于分别检测船舶四侧附近出现的目标距离船体的距离，并将船舶四侧附近出现的目标到船体的距离中最近的距离值作为船侧目标距离输出；
船速检测设备，检测并输出船舶行驶速度，在船舶行驶速度大于船舶最大允许行驶速度时，发出超速报警信号，在船舶行驶速度恢复到船舶最大允许行驶速度以内时，发出船舶速度正常信号；
驾驶员状态检测设备，包括设置在驾驶员驾驶位置上方的摄像头和连接所述摄像头的图像处理设备，所述图像处理设备对所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像进行分析以确定驾驶员的疲劳状态，所述驾驶员的疲劳状态包括极度疲劳、疲劳、亚清醒、清醒、极度清醒五个状态；
无线数据收发设备，通过FPGA芯片集成LTE标准的移动通信收发接口、WiMax标准的移动通信收发接口和HSPA+标准的移动通信收发接口，所述FPGA芯片为Xilinx公司的Virtex-7型号的芯片；
定位设备，将船舶的定位数据发送给控制设备；
控制设备，连接所述换能器组件、所述测距传感器组件、所述船速检测设备、所述驾驶员状态检测设备、所述无线数据收发设备和所述定位设备，基于船底目标距离和船侧目标距离确定船舶最大允许行驶速度，将船速检测设备输出的船舶行驶速度转发给换能器组件，在接收到超速报警信号时，通过无线数据收发设备，将所述船舶行驶速度发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台，在接收到极度疲劳状态或疲劳状态时，通过无线数据收发设备，将所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台；
显示设备，连接控制设备，用于实时显示船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时显示所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；
存储设备，连接控制设备，用于实时存储船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时存储所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；
语音报警设备，连接控制设备，用于在接收到超速报警信号、极度疲劳状态或疲劳状态时，进行相应的语音报警文件播放；
其中，所述船速检测设备、所述定位设备、所述控制设备、所述显示设备、所述存储设备和所述语音报警设备位于船舶的前端仪表盘内，所述无线数据收发设备位于船舶船体的头部；
其中，每一个换能器向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得船舶船底到水底的距离值；
所述显示设备为液晶显示器LCD，所述存储设备为同步动态随机存储器SDRAM，所述语音报警设备为扬声器；
所述红外测距传感器包括多个红外测距单元，分别对各自预定的检测范围进行船舶侧面目标的检测。

基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统\n[0001] 本发明是申请号为2014103624257、申请号为2014年7月28日、发明名称为“基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统”的专利的分案申请。\n技术领域\n[0002] 本发明涉及船舶行驶预警领域，尤其涉及一种基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统。\n背景技术\n[0003] 船舶是指能航行或停泊于水域进行运输或作业工具，按不同的使用要求而具有不同的技术性能、装备和结构型式。船舶在国防、国民经济和海洋开发等方面都占有十分重要的地位。\n[0004] 船舶从史前刳木为舟起，经历了独木舟和木板船时代，1879年世界上第一艘钢船问世后，又开始了以钢船为主的时代。船舶的推进也由19世纪的依靠人力、畜力和风力(即撑篙、划桨、摇橹、拉纤和风帆)发展到使用机器驱动。1807年，美国的富尔顿建成第一艘采用明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙脱”号，时速约为8公里/小时。1902～1903年在法国建造了一艘柴油机海峡小船；1903年，俄国建造的柴油机船“万达尔”号下水。20世纪中叶，柴油机动力装置遂成为运输船舶的主要动力装置。英国在1947年，首先将航空用的燃气轮机改型，然后安装在海岸快艇“加特利克”号上，以代替原来的汽油机，其主机功率为1837千瓦，转速为3600转/分，经齿轮减速箱和轴系驱动螺旋桨。60年代先后，又出现了用燃气轮机和蒸汽轮机联合动力装置的大、中型水面军舰。原子能的发现和利用又为船舶动力开辟了一个新的途径。1954年，美国建造的核潜艇“鹦鹉螺”号下水，功率为11025千瓦，航速\n33公里；1959年，前苏联建成了核动力破冰船“列宁”号，功率为32340千瓦；同年，美国核动力商船“萨瓦纳”号下水，功率为14700千瓦。\n[0005] 船舶的应用领域可分为民用和军用两方面，在民用方面，根据船舶航运的水域不同，又可划分为内河航运、沿海航运和远洋航运。无论哪一种民用方式，对于船舶的运营商来说，船舶都是一种特殊的大型高价商品，不仅其订造和购买需要谨慎考虑，在购买后的运营时，船舶行驶的安全性尤其需要得到保障，一出现船体碰撞等事故，都会造成巨额损失，为此，船舶制造商纷纷为船舶定制各种行驶预警设备，用于防止各项事故的发生。\n[0006] 现有技术中，存在一些船舶预警系统，通过对船舶行驶速度的检测，确定当下时刻，船舶的行驶速度是否超过当前水域规定的最大行驶速度，并在超过时进行语音报警，提醒驾驶员及时采取措施，对船舶进行减速处理，避免危险事故的发生。\n[0007] 但是，现有技术中的船舶预警系统检测对象单一，具有以下缺陷：(1)无法根据船舶周围目标距离船体的远近确定船舶的最大行驶速度，无法根据船舶下面水域的具体情况确定船舶的最大行驶速度，造成船舶速度控制模式过于简单，控制效率低下；(2)在驾驶员疲劳时，无法将驾驶员疲劳状态提供给船上人员或船舶管理中心进行预警；(3)在不同的国家航行时，由于各国采用的4G通信标准不同，船舶携带的无线通信设备无法兼容各国通信标准。\n[0008] 因此，需要一种新型的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，克服现有船舶报警系统的监控模式单一、监控效率低下的技术问题，根据不同的水面情况和水下情况，灵活制定允许的最大航行速度，提高航速的控制效率，同时能够将处于危险状况中的行驶速度和驾驶员疲劳状态通过兼容性强的移动通信网络发送给管理部门和其他人员，提高了船舶监控报警系统的智能化水平。\n发明内容\n[0009] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，通过引入换能器和红外测距传感器分别确定水下和水面的目标状况，从而灵活确定船舶当前允许航行的最大速度，并通过摄像头和图像处理设备对驾驶员面部特征进行分析，提取驾驶员的疲劳状态，以在船舶超速或驾驶员过于疲劳时进行报警，同时，采用FPGA建造了兼容性强的移动通信设备，保证了报警信息的及时传递。\n[0010] 根据本发明的一方面，提供了一种基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，所述船舶报警系统包括换能器组件、测距传感器组件、船速检测设备、控制设备和驾驶员状态检测设备，所述控制设备分别与所述换能器组件、所述测距传感器组件、所述船速检测设备和驾驶员状态检测设备连接，基于所述船速检测设备输出的船舶行驶速度控制所述换能器组件的测量精度等级，基于所述换能器组件和所述测距传感器组件的测量结果确定是否对船舶行驶速度报警，还基于所述驾驶员状态检测设备的检测结果确定是否对驾驶员疲劳状态报警。\n[0011] 更具体地，在所述基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统中，进一步包括，换能器组件，由四个换能器组成，所述四个换能器分别位于船舶船底四角，每一个换能器基于接收到的船舶行驶速度确定测量精度等级，所述测量精度等级包括特等、1a等、1b等和二等，所述四个换能器测量到的船舶船底距离水底最近的距离值作为船底目标距离输出；测距传感器组件，由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的四侧，用于分别检测船舶四侧附近出现的目标距离船体的距离，并将船舶四侧附近出现的目标到船体的距离中最近的距离值作为船侧目标距离输出；船速检测设备，检测并输出船舶行驶速度，在船舶行驶速度大于船舶最大允许行驶速度时，发出超速报警信号，在船舶行驶速度恢复到船舶最大允许行驶速度以内时，发出船舶速度正常信号；驾驶员状态检测设备，包括设置在驾驶员驾驶位置上方的摄像头和连接所述摄像头的图像处理设备，所述图像处理设备对所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像进行分析以确定驾驶员的疲劳状态，所述驾驶员的疲劳状态包括极度疲劳、疲劳、亚清醒、清醒、极度清醒五个状态；无线数据收发设备，通过FPGA芯片集成LTE标准的移动通信收发接口、WiMax标准的移动通信收发接口和HSPA+标准的移动通信收发接口，所述FPGA芯片为Xilinx公司的Virtex-7型号的芯片；\n定位设备，将船舶的定位数据发送给控制设备；控制设备，连接所述换能器组件、所述测距传感器组件、所述船速检测设备、所述驾驶员状态检测设备、所述无线数据收发设备和所述定位设备，基于船底目标距离和船侧目标距离确定船舶最大允许行驶速度，将船速检测设备输出的船舶行驶速度转发给换能器组件，在接收到超速报警信号时，通过无线数据收发设备，将所述船舶行驶速度发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台，在接收到极度疲劳状态或疲劳状态时，通过无线数据收发设备，将所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台；显示设备，连接控制设备，用于实时显示船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时显示所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；存储设备，连接控制设备，用于实时存储船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时存储所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；语音报警设备，连接控制设备，用于在接收到超速报警信号、极度疲劳状态或疲劳状态时，进行相应的语音报警文件播放；其中，所述船速检测设备、所述定位设备、所述控制设备、所述显示设备、所述存储设备和所述语音报警设备位于船舶的前端仪表盘内，所述无线数据收发设备位于船舶船体的头部；其中，每一个换能器向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得船舶船底到水底的距离值。\n[0012] 更具体地，在所述基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统中，将所述定位设备和所述无线数据收发设备集成为一个数据收发子系统。\n[0013] 更具体地，在所述基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统中，所述定位设备是GPS定位器、格洛纳斯定位器、伽利略定位器或北斗卫星定位器。\n[0014] 更具体地，在所述基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统中，所述显示设备为液晶显示器LCD，所述存储设备为同步动态随机存储器SDRAM，所述语音报警设备为扬声器。\n[0015] 更具体地，在所述基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统中，所述红外测距传感器包括多个红外测距单元，分别对各自预定的检测范围进行船舶侧面目标的检测。\n附图说明\n[0016] 以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：\n[0017] 图1为根据本发明实施方案示出的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统的结构方框图。\n[0018] 图2为根据本发明实施方案示出的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统的驾驶员状态检测设备的结构方框图。\n具体实施方式\n[0019] 下面将参照附图对本发明的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统的实施方案进行详细说明。\n[0020] 船舶是重要的交通工具和货运设备，相比较陆运和空运来说，虽然船运具有先天的劣势，例如运输时间长、运输效率低下的问题，但是船运具有运力大、价格便宜、运输过程干扰小、运期稳定等优点，适合特殊货物和载重货物的运输，因此，船运一直在运输中占据一席之地。\n[0021] 但是，对于运营方来说，船舶造价较高，一艘运输船的价格动辄数千万级，同时，船舶的维修费用昂贵，如果在行驶过程中船舶发生碰撞等事故，由于水面交通相对迟缓，水面上维修的技术难度高，导致船舶维修耗时长、造价高。因此，尽量避免船舶事故，是每一个运营方都努力要做的工作。为此，需要为船舶定制预警系统，防范于未然。\n[0022] 本发明提出的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，能够高效、全方位地保证船舶行驶速度在危险范围之外，避免水面、水下碰撞事故的发生，同时避免驾驶员疲劳驾驶，提高船舶行驶的安全性。\n[0023] 图1为根据本发明实施方案示出的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统的结构方框图，所述船舶报警系统包括以下部件：换能器组件1、测距传感器组件2、船速检测设备3、驾驶员状态检测设备4、控制设备5、无线数据收发设备6、定位设备7、显示设备8、存储设备9和语音报警设备10，控制设备5分别与换能器组件1、测距传感器组件2、船速检测设备3、驾驶员状态检测设备4、无线数据收发设备6、定位设备7、显示设备8、存储设备9和语音报警设备10连接，负责多个设备之间的数据交互，同时，所述船舶报警系统还包括电源设备，以对各个设备进行供电。\n[0024] 换能器组件1的具体结构为：由四个换能器组成，所述四个换能器分别位于船舶船底四角，每一个换能器基于接收到的船舶行驶速度确定测量精度等级，所述测量精度等级包括特等、1a等、1b等和二等，所述四个换能器测量到的船舶船底距离水底最近的距离值作为船底目标距离输出。\n[0025] 测距传感器组件2的具体结构为：由四个红外测距传感器组成，所述四个红外测距传感器分别安装在船舶的四侧，用于分别检测船舶四侧附近出现的目标距离船体的距离，并将船舶四侧附近出现的目标到船体的距离中最近的距离值作为船侧目标距离输出。\n[0026] 船速检测设备3，用于检测并输出船舶行驶速度，在船舶行驶速度大于船舶最大允许行驶速度时，发出超速报警信号，在船舶行驶速度恢复到船舶最大允许行驶速度以内时，发出船舶速度正常信号。\n[0027] 参照图2，驾驶员状态检测设备4的具体结构为，包括设置在驾驶员驾驶位置上方的摄像头41和连接所述摄像头的图像处理设备42，所述图像处理设备42对摄像头41拍摄的驾驶员面部图像进行分析以确定驾驶员的疲劳状态，所述驾驶员的疲劳状态包括极度疲劳、疲劳、亚清醒、清醒、极度清醒五个状态。\n[0028] 无线数据收发设备6，采用FPGA芯片集成各类4G通信接口，包括LTE标准的移动通信收发接口、WiMax标准的移动通信收发接口和HSPA+标准的移动通信收发接口，所述FPGA芯片为Xilinx公司的Virtex-7型号的芯片。\n[0029] 定位设备7，用于将船舶的定位数据发送给控制设备5；显示设备8，用于实时显示船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时显示所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头41拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；存储设备9，用于实时存储船舶四侧附近出现的目标到船体的距离、并实时存储所述四个换能器测量到的距离、船舶行驶速度、船舶最大允许行驶速度、驾驶员的疲劳状态、所述摄像头41拍摄的驾驶员面部图像和船舶的定位数据；语音报警设备\n10，用于在接收到超速报警信号、极度疲劳状态或疲劳状态时，进行相应的语音报警文件播放；\n[0030] 控制设备5，一方面，基于船底目标距离和船侧目标距离确定船舶最大允许行驶速度，在确定船舶最大允许行驶速度时，可以根据运营方或管理方的需要，为船底目标距离和船侧目标距离灵活设置不同的权重，另一方面，将船速检测设备3输出的船舶行驶速度转发给换能器组件，以便于每一换能器控制自己的测量精度等级；同时，控制设备5在接收到超速报警信号时，通过无线数据收发设备6，将所述船舶行驶速度发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台，在接收到极度疲劳状态或疲劳状态时，通过无线数据收发设备6，将所述摄像头41拍摄的驾驶员面部图像发送给轮机员的移动终端或船舶管理中心的无线收发平台，将船舶的定位数据转发给船舶管理中心的无线收发平台；\n[0031] 其中，所述船速检测设备3、所述定位设备7、所述控制设备5、所述显示设备8、所述存储设备9和所述语音报警设备10都位于船舶的前端仪表盘内，所述无线数据收发设备\n6位于船舶船体的头部；每一个换能器的工作原理如下，换能器向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得船舶船底到水底的距离值。\n[0032] 其中，所述船舶报警系统可以将所述定位设备7和所述无线数据收发设备6集成为一个数据收发子系统；所述定位设备可选择为GPS定位器、格洛纳斯定位器、伽利略定位器和北斗卫星定位器中的一种；所述显示设备8可选为液晶显示器LCD，所述存储设备9可选为同步动态随机存储器SDRAM，所述语音报警设备10可选为扬声器；所述红外测距传感器可包括多个红外测距单元，分别对各自预定的检测范围进行船舶侧面目标的检测。\n[0033] 另外，所述红外测距传感器是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类：\n(1)辐射计，用于辐射和光谱测量；(2)搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；(3)热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；\n(4)红外测距和通信系统；(5)混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。其按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。其原理为，红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器例如LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率响应，适合于恶劣的环境中。\n[0034] 本发明的基于行驶速度和驾驶员疲劳状态的船舶报警系统，搭建了一个集成驾驶员状态监控、船舶行驶速度灵活设定、兼容各种移动通信标准的报警平台，通过船舶行驶速度设置监控水下地貌的换能器的测量精度，根据水面和水下目标的距离检测，设置船舶允许行驶的最大速度，同时，在使用摄像头和图像处理设备提取驾驶员面部特征，分析出驾驶员的疲劳状态，在超速或驾驶员疲惫时，将相关报警信息通过兼容性强的移动通信接口无线发送给其他管理人员和船舶管理中心，以便于及时采取措施，改善船舶行驶状态，避免船舶事故发生。\n[0035] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。