CN114429703A - 一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上求救报警技术，特别涉及一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统。所述救援落水智能报警系统包括了救生端和救援端；所述求救系统启动模块感应落水信息后，启动定位报警模块，并通过无线通信模块发送遇险信号；所述救援端通过数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块，对于接收到的信息进行数据分析和可视化处理；本发明提供的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统采用量子粒子群优化算法进行救援路线规划，可以准确定位遇险位置，给搜救人员提供准确的方位，并能以最快的路线前往事发地，有效解决了海上救援难以定位，救助不及时的问题，提高了遇难人员脱险的成功率。

Description

一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统

技术领域

本发明涉及海上求救报警技术，特别涉及一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统。

背景技术

海上作业是一种高风险的行为，它受到当时的海况、气象、海上环境和作业设施的状况等诸多因素的影响。船舶在海上航行如果遭遇到台风、风、结冰、大雾等恶劣气象和海况，有可能发生碰撞、触礁、翻船、搁浅事故，甚至有可能因为火灾、爆炸等原因而致使船舶沉没。

在海上遇难时，茫茫四周都是大海，搜救队很难准确定位遇难者的方位，无法获得遇难者周围环境的任何信息，耽误最佳的救援时间，危及遇难者的生命。如何让搜救人员以最快的速度锁定遇难者的方位，将大大提高搜救的成功率和准确性，避免溺水人员的伤亡。

现有海上搜救技术在茫茫大海中很难寻找到落水人员，再加上搜救过程中的各种不可靠因素，遇难人员的存活率会大大降低，目前，在执行海上落水人员搜救任务中，海上救援队伍主要依靠的是人眼寻找、声音回应来确定落水人员位置，其效率和准确率都较低。

导航定位已广泛应用于船舶、汽车、飞机等运动物体中，可以用来船舶航行导航、汽车导航、飞机飞行导航、巡逻舰艇监控与动态跟踪、城市智能交通管理和个人导航定位等。同时在沙漠、深山、海洋等人烟稀少地区的搜救中也发挥了巨大的作用。北斗导航系统是我国自主研发的全球定位系统，可以在全球范围内全天候、全天时、无间断为各类用户提供可靠稳定实时的定位导航服务。北斗卫星导航系统不依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，通过卫星能够覆盖范围内任何地点，及时报告目标所处位置，在救援行动中，能够有效缩短救援搜寻时间，给救援行动提供便利。随着电路电子和传感器技术的飞速发展，定位导航仪器也朝着微型化方向发展，将定位导航仪器与救生衣结合起来成为了发展的趋势。

CN 208922446公开了一种基于LoRa通信技术的海上落水求救报警系统，公开时间为2019年05月31日；然而该方案仅仅是提供了一种新的定定位方式，目的是进行快速定位，仍然无法保证为搜救人员提供有效的搜救路线。

然而现有的定位系统，在复杂的海上环境中，无法为搜救人员提供最短最有小的救援路线。如何在短时间内使海上遇险人员脱离险境，降低损失，保障人民群众的生命安全就成为海上救援队伍工作的重点和难点。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的现有的定位系统无法提供有效救援路线的问题，本发明提供实施例提供一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，包括：

救生端和救援端；

所述救生端包括了求救系统启动模块、定位报警模块和无线通信模块；

所述救援端包括地理位置数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块；

所述求救系统启动模块感应到落水信息后，启动定位报警模块，并通过无线通信模块发送遇险信号；

所述救援端通过数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块，对于接收到的遇险信号信息进行数据分析和可视化处理；

信息展示模块包括显示终端，所述显示终端包括了可视化海图，所述数据处理模块、信息编码模块对落水信息采用量子粒子群优化算法进行救援路线规划，并根据天气和环境因素，更新最优救援路线；

所述信息展示模块将救援路线和最优救援路线进行可视化展示。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述落水信息至少包括了遇险人员的求救信号、身份信息和位置信息。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述定位报警模块为基于北斗导航系统的定位报警模块或为基于GPS的定位报警模块。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述定位报警模块由北斗/GPS双模定位报警模块组成，定位精度<2.5米，防水等级IP67。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述无线通信模块由E-pack100无线自组网组成，所述无线通信模块与所述定位报警模块以及救援端通讯连接。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述求救系统启动模块包括自动报警单元和手动启动单元两种触发式组成。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述自动报警单元包括水触传感器，以启动定位报警模块；

所述手动启动单元通过按钮式接触，以启动定位报警模块。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述显示终端由Pad和App组成，支持地图本地存储与wifi实时下载，以展示地图、海图和救援路线。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述数据接入模块从定位报警模块获取最新救生端的地理位置数据，输出到消息队列；

数据处理模块负责对消息队列中的地理位置数据进行解析、关联、过滤及入库，实现位置数据的持久化；

所述信息编码模块制定位置信息的编码通讯协议；

所述信息通讯模块根据定位置信息的编码通讯协议对数据处理模块处理完成的位置数据进行编码，并通过短报文方式将编码后的信息发送至信息展示模块；

所述信息展示模块对接收到的位置信息进行解析，并叠加展示在所述显示终端的海图上。

在上述技术方案的基础上，一优选实施例中，所述量子粒子群优化算法进行救援路线规划的方法为：

步骤a、初始化量子粒子群，包括随机位置和速度；

步骤b、将救援端当前的位置和求救端位置之间的营救路线最短距离作为适应度函数，评价每个粒子的适应度；

步骤c、通过遍历，将每个量子粒子的适应值与其最好位置的适应值作对比，如果当前的适应度值更高，则将当前位置更新为历史最佳位置；

步骤d、对每个量子粒子，将其当前适应度值与全局最佳位置对应的适应度值做比较，如果当前的适应度值更高，则将用当前粒子的位置更新为全局最佳位置；

步骤e、更新所有粒子的速度和位置，第一部分是K_b的更新，方程表达式如下：

第二部分是粒子位置的更新，方程表达式如下：

式中：x_i为第i个粒子的位置参数；K为量子粒子群大小，K_b表示p_{b_i}的平均值，也就是粒子历史最好位置的平均值；p_{b_i}为第i个粒子当前最优位置参数；g_b表示当前全局最优位置参数；α代表更新参数；w和u是位于(0,1)上的均匀分布数值，取正负的概率均为0.5；

步骤d、当全局最佳位置满足最小界限，则将该路线作为最优救援路线。

本发明提供的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统在人员发生落水后，可以准确定位遇险位置，给搜救人员提供准确的方位，并能以最快的路线前往事发地，有效解决了海上救援难以定位，救助不及时的问题，提高了遇难人员脱险的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统的示意图；

图2为量子粒子群优化算法进行救援路线规划的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供实施例提供一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统的实施例，具体包括：

救生端和救援端；

具体的，所述救生端包括了救生衣、就剩手环等海上救生穿戴设备；所述就远端可以为舰船、救援艇或者救援站点等；且多个救生端

所述救生端包括了求救系统启动模块、定位报警模块和无线通信模块；

具体的，求救系统启动模块由自动报警和手动模式两种触发方式组成；本领域技术人员可以在自动报警单元包括水触传感器，可以通过设置接触水的阈值，以启动定位报警模块，通过设置阈值能够避免误触发；当然也可通过其他方式进行自动启动，通过自动报警能够避免人在遇难失去意识的情况下进行求援；而手动启动单元通过按钮式接触，或其他方式由穿戴人员主动开启报警信号；通过自动模式和手动模式的结合，能够提高求救的可靠性。

其中，所述定位报警模块可以采用基于北斗导航系统或GPS导航系统的定位模块，也可以由北斗/GPS双模定位模块组成，定位精度<2.5米，采用锂电池进行供电，或者锂电池结合太阳能电池供电，可至少连续工作72小时或者更长时间，防水等级IP67；

而优选地，所述无线通信模块由E-pack100无线自组网组成，所述无线通信模块与所述定位报警模块以及救援端通讯连接相连。救援端的指挥平台能够通过GPS定位实时获取每台数字无线自组网转发台的位置信息，并支持查询每个自组网转发台的具体位置，同时支持现场指挥平台对无线自组网转发台的位置查询；

所述救援端包括地理位置数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块；

所述求救系统启动模块感应落水信息后，启动定位报警模块，并通过无线通信模块发送遇险信号；具体的，信号发送的频率为实时不间断发送，这其中，所述落水信息至少包括了遇险人员的求救信号、身份信息和位置信息。

所述救援端通过数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块，对于接收到的遇险信号信息进行数据分析和可视化处理；信息展示模块包括显示终端，所述显示终端包括了可视化海图；

其中，显示终端可以由专用Pad或者其他终端(如智能手机)和App组成，支持地图本地存储与wifi实时下载，可以实现船舶与救生端即落水人员位置的可视化，地图最小缩放至5米或者3米亦或者更小精度，并能对数据进行统计存储和轨迹可视化；

具体的，各模块的工作原理如下：

所述数据接入模块从定位报警模块获取最新落水人员的地理位置数据，输出到消息队列；

数据处理模块负责对消息队列中的地理位置数据进行解析、关联、过滤及入库，实现位置数据的持久化；

所述信息编码模块制定位置信息的编码通讯协议；

所述信息通讯模块根据定位置信息的编码通讯协议对数据处理模块处理完成的位置数据进行编码，并通过短报文方式将编码后的信息发送至信息展示模块；

所述信息展示模块对接收到的位置信息进行解析，并叠加展示在所述显示终端的海图上。

所述数据处理模块、信息编码模块对落水信息采用量子粒子群优化算法进行救援路线规划，并根据天气以及海况和水域等环境因素，更新最优救援路线；所述信息展示模块将救援路线和最优救援路线进行可视化展示。通过该方式，最优救援路线并非仅仅是最短距离，而是结合立海上环境以及天气环境的最有救援路线，以此提高了遇难人员脱险的成功率。

其中，所述量子粒子群优化算法进行救援路线规划的方法参考图2，具体为：

步骤a、初始化量子粒子群，包括随机位置和速度；

步骤b、将救援端当前的位置和求救端位置之间的营救路线最短距离作为适应度函数，评价每个粒子的适应度；

步骤c、通过遍历，将每个量子粒子的适应值与其最好位置的适应值作对比，如果当前的适应度值更高，则将当前位置更新为历史最佳位置；

步骤d、对每个量子粒子，将其当前适应度值与全局最佳位置对应的适应度值做比较，如果当前的适应度值更高，则将用当前粒子的位置更新为全局最佳位置；

步骤e、更新所有粒子的速度和位置，第一部分是K_b的更新，方程表达式如下：

第二部分是粒子位置的更新，方程表达式如下：

式中：x_i为第i个粒子的位置参数；K为量子粒子群大小，K_b表示p_{b_i}的平均值，也就是粒子历史最好位置的平均值；p_{b_i}为第i个粒子当前最优位置参数；g_b表示当前全局最优位置参数；α代表更新参数，用以更新例子位置；w和u是位于(0,1)上的均匀分布数值，取正负的概率均为0.5；

步骤d、当全局最佳位置满足最小界限，则将该路线作为最佳救援路线。

本发明提供的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统在人员发生落水后，可以准确定位遇险位置，给搜救人员提供准确的方位，并能以最快的路线前往事发地，有效解决了海上救援难以定位，救助不及时的问题，提高了遇难人员脱险的成功率。

尽管本文中较多的使用了诸如救生端、救援端、求救系统启动模块、定位报警模块和无线通信模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于，包括：

救生端和救援端；

所述救生端包括了求救系统启动模块、定位报警模块和无线通信模块；

所述救援端包括地理位置数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块；

所述求救系统启动模块感应到落水信息后，启动定位报警模块，并通过无线通信模块发送遇险信号；

所述救援端通过数据接入模块、数据处理模块、信息编码模块、信息通讯模块和信息展示模块，对于接收到的遇险信号信息进行数据分析和可视化处理；

信息展示模块包括显示终端，所述显示终端包括了可视化海图，所述数据处理模块、信息编码模块对落水信息采用量子粒子群优化算法进行救援路线规划，并根据天气和环境因素，更新最优救援路线；

所述信息展示模块将救援路线和最优救援路线进行可视化展示。

2.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述落水信息至少包括了遇险人员的求救信号、身份信息和位置信息。

3.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述定位报警模块为基于北斗导航系统的定位报警模块或为基于GPS的定位报警模块。

4.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述定位报警模块由北斗/GPS双模定位报警模块组成，定位精度<2.5米，防水等级IP67。

5.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述无线通信模块由E-pack100无线自组网组成，所述无线通信模块与所述定位报警模块以及救援端通讯连接。

6.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述求救系统启动模块包括自动报警单元和手动启动单元两种触发式组成。

7.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：

所述自动报警单元包括水触传感器，以启动定位报警模块；

所述手动启动单元通过按钮式接触，以启动定位报警模块。

8.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：所述显示终端由Pad和App组成，支持地图本地存储与wifi实时下载，以展示地图、海图和救援路线。

9.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于：

所述数据接入模块从定位报警模块获取最新救生端的地理位置数据，输出到消息队列；

数据处理模块负责对消息队列中的地理位置数据进行解析、关联、过滤及入库，实现位置数据的持久化；

所述信息编码模块制定位置信息的编码通讯协议；

所述信息通讯模块根据定位置信息的编码通讯协议对数据处理模块处理完成的位置数据进行编码，并通过短报文方式将编码后的信息发送至信息展示模块；

所述信息展示模块对接收到的位置信息进行解析，并叠加展示在所述显示终端的海图上。

10.根据权利要求1所述的基于量子粒子群优化的水上救援落水智能报警系统，其特征在于，所述量子粒子群优化算法进行救援路线规划的方法为：

步骤a、初始化量子粒子群，包括随机位置和速度；

步骤b、将救援端当前的位置和求救端位置之间的营救路线最短距离作为适应度函数，评价每个粒子的适应度；

步骤c、通过遍历，将每个量子粒子的适应值与其最好位置的适应值作对比，如果当前的适应度值更高，则将当前位置更新为历史最佳位置；

步骤d、对每个量子粒子，将其当前适应度值与全局最佳位置对应的适应度值做比较，如果当前的适应度值更高，则将用当前粒子的位置更新为全局最佳位置；

步骤e、更新所有粒子的速度和位置，第一部分是K_b的更新，方程表达式如下：

第二部分是粒子位置的更新，方程表达式如下：

式中：x_i为第i个粒子的位置参数；K为量子粒子群大小，K_b表示p_{b_i}的平均值，也就是粒子历史最好位置的平均值；p_{b_i}为第i个粒子当前最优位置参数；g_b表示当前全局最优位置参数；α代表更新参数；w和u是位于(0,1)上的均匀分布数值，取正负的概率均为0.5；

步骤d、当全局最佳位置满足最小界限，则将该路线作为最优救援路线。

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