本發(fā)明屬于水域救援領域，具體涉及一種基于有限水域的智能主動式水上救援系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、溺水是世界各地非故意傷害死亡的第三大原因，占所有與傷害有關死亡的7％。其中，湖泊、水庫等有限水域在一定范圍內具有深廣的特征，一方面吸引不同年齡段的游泳愛好者或嬉戲者，另一方面也存在嚴重的安全隱患，是發(fā)生溺水事故的主要場所。

2、現(xiàn)有技術中，為了降低有限水域所帶來的溺水事故，相關部門一般采用放置警示牌、加強安全宣傳等方式。而從溺水救援方面，通常僅配備救生圈，且需要人工投放，精準度差，救援效果有限，少數地區(qū)會安排救生員；當面臨溺水等突發(fā)事故時，尤其是在場人員較少時，存在無法及時救援、救援技術無法達到救援目標等問題，造成嚴重的人員傷亡。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術中的上述缺陷或不足，本發(fā)明旨在提供一種基于有限水域的智能主動式水上救援系統(tǒng)及方法，通過對有限水域的全面規(guī)劃，在全水域內進行實時監(jiān)測，對落水人員進行紅外捕捉，基于監(jiān)測結果發(fā)射自動救援設備，對人員進行自動的自主救援，并通過清潔能源對監(jiān)測設備、救援設備、控制設備等供給能源，實現(xiàn)對落水者的水上救援，救援方式高效、精準、救援率高，且節(jié)約能源和人力，保障溺水人員及時獲救，降低溺水傷亡率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例采用如下技術方案：

3、第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于有限水域的智能主動式水上救援系統(tǒng)，所述水上救援系統(tǒng)包括若干設置在岸邊預定位置處的基站；所述基站包括控制平臺、清潔能源子系統(tǒng)、監(jiān)測子系統(tǒng)和救援子系統(tǒng)；其中，

4、控制平臺包括基座和控制模塊；基座包括設置在岸邊的倒凹艙；所述控制模塊設置在倒凹艙后部，用于能源供給控制、接收監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測信息，并根據監(jiān)測信息生成救援命令，將救援命令發(fā)送至救援子系統(tǒng)，協(xié)調救援子系統(tǒng)完成救援任務；

5、所述清潔能源子系統(tǒng)，包括風力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、波浪發(fā)電模塊、蓄電池和電網接入模塊；所述風力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊和波浪發(fā)電模塊與蓄電池相連，用于為蓄電池供電；蓄電池與電網接入模塊相連，用于通過電網接入模塊將蓄電池中的多余電量并入電網；

6、所述監(jiān)測子系統(tǒng)，設置在光伏發(fā)電板側板的頂端，用于對監(jiān)測水域的落水者進行監(jiān)測，當監(jiān)測并識別到落水者時，實時計算落水者坐標，發(fā)送給控制模塊；

7、所述救援子系統(tǒng)，設置于倒凹艙內部，用于接收控制模塊的救援指令，并在接收到救援指令后，發(fā)射出自帶推進器的救援裝置，到達指定坐標并完成救援后返航。

8、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述基站在岸邊分布式設置，每個基站設置自己的監(jiān)測區(qū)域，所有基站覆蓋有限水域的全部水面。

9、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述波浪發(fā)電模塊包括發(fā)電浮子、浮子約束、齒條、齒輪和第一發(fā)電機；所述浮子約束成對設置在倒凹艙近水側的凹字形頭部，并垂直于水面伸入水下、河床之上；所述發(fā)電浮子設置在浮子約束中，并沿浮子約束上下浮動；在浮子約束上側設置驅動第一發(fā)電機的齒輪和齒條，電路接入蓄電池；所述光伏發(fā)電模塊包括光伏發(fā)電板、支撐架、光伏發(fā)電電路和風光控制器；所述支撐架設置在基座倒凹艙的上側，用于支撐光伏發(fā)電板；光伏發(fā)電板與光伏發(fā)電電路相連，再與風光控制器相連，電路接入蓄電池；所述風力發(fā)電模塊包括風機葉片和第二發(fā)電機，所述風機葉片設置基座倒凹艙的上側、光伏發(fā)電板后側，第二發(fā)電機接入風光控制器，電路接入蓄電池。

10、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述浮子約束為長條形長方體或圓柱體，其中的發(fā)電浮子設置為與浮子約束截面相同的形狀，使得約束在其中的發(fā)電浮子能夠沿垂直方向，在波浪的帶動下，上下浮動。

11、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述監(jiān)測子系統(tǒng)包括：廣角攝像頭、紅外攝像頭、圖像處理模塊、距離計算模塊和監(jiān)測通訊模塊；其中，

12、廣角攝像頭和紅外攝像頭在不同模式下對當前基站所監(jiān)測水域的水面進行實時圖像拍攝，并將所拍攝的圖像傳遞給圖像處理模塊；圖像處理模塊對所述圖像進行識別，當識別出存在落水者時，將當前落水者圖像發(fā)送給距離計算模塊；所述距離計算模塊根據圖像計算落水者的坐標，并將坐標通過監(jiān)測通訊模塊傳遞給控制平臺的控制模塊。

13、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述圖像處理模塊，采用yolo目標檢測算法對圖像中的落水者進行識別；所述距離計算模塊，采用yolo目標檢測算法計算圖像中落水者坐標。

14、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述救援子系統(tǒng)包括發(fā)射裝置、救援裝置、推進器、救援通訊模塊和執(zhí)行模塊；所述執(zhí)行模塊用于通過救援通訊模塊接收控制模塊的救援指令和實時坐標；當接收到救援指令時，啟動發(fā)射裝置和推進器；接收到實時坐標時，根據坐標調整推進器方向；所述發(fā)射裝置用于根據執(zhí)行模塊的指令向水面發(fā)射救援裝置；所述推進器設置于救援裝置上；救援裝置包括存儲狀態(tài)和救援狀態(tài)；在存儲狀態(tài)下，放置于倒凹艙內部、發(fā)射裝置前側；救援狀態(tài)時，由發(fā)射裝置發(fā)射至水面后，在推進器的推力下、執(zhí)行模塊的坐標控制下，航行至落水者位置，完成救援后返航。

15、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述發(fā)射裝置設置于倒凹艙最內側，包括步進電機、l型推進板、滾珠絲桿、絲桿螺母和前擋板；其中，步進電機，用于連接控制線路以控制滾珠絲桿的運動，由滾珠絲桿的運動帶動絲桿螺母移動；l形推進板，固定于滾珠絲桿配套的絲桿螺母的上方，隨絲桿螺母的移動而同步移動；前擋板，用于限定絲桿螺母的移動距離。

16、第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種基于有限水域的智能主動式水上救援方法，所述救援方法包括如下步驟：

17、步驟s1，在有限水域的預定位置處設置若干基站，為每個基站設置監(jiān)測水域范圍；清潔能源子系統(tǒng)通過波浪發(fā)電、風力發(fā)電和光伏發(fā)電，為基站中的控制平臺、救援子系統(tǒng)及監(jiān)測子系統(tǒng)供電；

18、步驟s2，監(jiān)測子系統(tǒng)中的廣角攝像頭、紅外攝像頭實時掃描監(jiān)測水域內的水面狀態(tài)，并通過圖像處理模塊實時處理圖像；當識別出圖像中存在落水者時，將落水者數量及圖片上傳給距離計算模塊；

19、步驟s3，距離計算模塊實時計算落水者坐標，并將落水者數量及坐標上傳給監(jiān)測通訊模塊；

20、步驟s4，監(jiān)測通訊模塊將落水者數量及坐標上傳至控制平臺的控制模塊；

21、步驟s5，控制模塊根據落水者數量及坐標，計算最佳救援基站，并生成救援指令，控制所述最佳救援基站的救援子系統(tǒng)根據坐標發(fā)射救援裝置；

22、步驟s6，救援裝置進入水域，并在推進器的推進下駛向落水者坐標；同時，距離計算模塊實時跟蹤落水者坐標變化，并將實時坐標通過監(jiān)測通訊模塊上傳至控制模塊；控制模塊通過救援通訊模塊將坐標實時傳遞給執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊根據坐標實時調整推進器方向，使救援裝置按落水者的變化坐標駛向正確位置，完成救援。

23、作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述步驟s5計算最佳救援基站，包括以下步驟：

24、步驟s51，計算每個落水者坐標與所有基站的距離，對基站按距離從小到大進行排序；基于每個落水者坐標處的落水者數量，計算所需的基站的數量k；將排序第一位基站作為當前基站；

25、步驟s52，在每個坐標處，根據當前基站距離、救援裝置的運行速度，計算救援裝置的運行時間、返航時間及救援總時間；

26、步驟s53，根據救援總時間計算能源消耗，與當前基站推進器中的能源儲量進行比較；若能源消耗小于能源儲量，則指定當前基站為第i最佳救援基站；i為當前基站的實際排序；進入步驟s54；若能源消耗大于能源儲量，則在排序表中刪除當前基站；更新排序表，排序下一位基站上升一位排序，作為當前基站，返回步驟s52；

27、步驟s54，判斷i是否等于k；若是，則將救援指令發(fā)送給指定的k個最佳救援基站；若否，則將排序下一位基站作為當前基站，返回步驟s52。

28、本發(fā)明實施例所提供的技術方案具有如下有益效果：

29、本發(fā)明實施例所提供的一種基于有限水域的智能主動式水上救援系統(tǒng)及方法，運用太陽能、風能、波浪能耦合互補的能源系統(tǒng)，不僅利用可再生能源減少污染排放，而且解決單一能源發(fā)電的不足，優(yōu)化供能結構，使發(fā)電系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠；同時采用供能、監(jiān)測、救援一體化方式，借助圖像識別及測距算法實現(xiàn)大面積水域監(jiān)測與自主救援；利用步進電機帶動絲桿傳動來運輸救援無人機可以減少傳統(tǒng)傳動裝置如彈簧，壓力彈射裝置等因摩擦力，壓力而造成的器械磨損，從而導致救援裝置的壽命不高，同時，通過調制步進電機的代碼來調整發(fā)射速度可以彈性地改變發(fā)射裝置所需要的能量，從而進一步提高裝置的壽命。本發(fā)明系統(tǒng)能迅速定位落水者并自動執(zhí)行救援操作，相比人工救援大幅減少救援時間，節(jié)約人力物力成本，同時可以減少因為救援不當或者環(huán)境惡劣而造成的救援隱患：系統(tǒng)采用機械和自動化的技術，可以很好地解決水域過深，救援員專業(yè)度不夠而導致人工救援不當等而造成更多的安全問題，提高了救援效率。本發(fā)明改善了傳統(tǒng)溺水救援方式效率低、精準度差、依賴人力且受環(huán)境影響大的現(xiàn)狀，實現(xiàn)高效、智能、精準的自動救援；克服目前溺水防護和宣傳措施不到位、救護設施配備不合理且較為落后的情況，完善了溺水安全保障體系。

30、當然，實施本發(fā)明的任一產品或方法并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。