本發(fā)明涉及遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息智能采集技術(shù)，尤其是涉及一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的發(fā)展和海洋資源的不斷開發(fā)利用，遠(yuǎn)洋地區(qū)的安全問題日益凸顯。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)洋信息處理方式主要依賴于有限數(shù)量的傳感器和人工觀察，無法滿足海洋監(jiān)測的全面性和實(shí)時性需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前傳統(tǒng)海洋監(jiān)測手段僅能覆蓋海洋面積的約30％，且數(shù)據(jù)采集和處理效率較低，每年浪費(fèi)了大量的人力資源和財(cái)力。同時，由于傳感器數(shù)量有限，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性和覆蓋范圍受到限制，導(dǎo)致對海上情況的全面了解和及時響應(yīng)存在挑戰(zhàn)，難以滿足對海洋環(huán)境全面、多維度的監(jiān)測需求。

2、經(jīng)過檢索中國專利公開號cn108693849a公開了一種自動遠(yuǎn)海偵測系統(tǒng)，自動遠(yuǎn)洋艦艇運(yùn)載無人機(jī)群和水下無人艦達(dá)到指定海域，然后自動釋放無人機(jī)群和水下無人艦進(jìn)行遠(yuǎn)海偵測，并將無人機(jī)群偵查系統(tǒng)和水下無人艇偵查系統(tǒng)的信息反饋至陸地指揮系統(tǒng)；無人機(jī)群偵查系統(tǒng)和水下無人艇偵查系統(tǒng)實(shí)時獲取目標(biāo)海域范圍內(nèi)的圖像信息，得到海域圖像信息，并將海域圖像信息發(fā)送至自動遠(yuǎn)洋艦艇系統(tǒng)；陸地指揮系統(tǒng)接收自動遠(yuǎn)洋艦艇系統(tǒng)發(fā)送的海域圖像信息，根據(jù)獲得的海域圖像信息標(biāo)記出的可疑目標(biāo)的位置及所在位置天氣情況生成決策信息；自動遠(yuǎn)洋艦艇系統(tǒng)接收決策信息后，執(zhí)行決策信息，并將決策信息執(zhí)行結(jié)果回傳給陸地指揮系統(tǒng)。但是該現(xiàn)有專利存在單一信息感知，信息冗余量大，數(shù)據(jù)傳輸開銷和時延大等問題。因此如何來解決現(xiàn)有面向遠(yuǎn)洋場景中單一信息感知方法的不足，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷和時延，成為需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括海上控制中心和無人裝備集群，所述無人裝備集群內(nèi)嵌環(huán)境感知模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、語義編碼模塊和意圖預(yù)測模塊，所述海上控制中心內(nèi)嵌語義恢復(fù)模塊；

4、所述海上控制中心控制無人裝備集群至目標(biāo)區(qū)域，所述環(huán)境感知模塊進(jìn)行信息感知和數(shù)據(jù)采集生成大尺度多維數(shù)據(jù)，并緩存到數(shù)據(jù)存儲模塊中，所述語義編碼模塊根據(jù)數(shù)據(jù)存儲模塊中的感知數(shù)據(jù)以及任務(wù)需求參數(shù)進(jìn)行語義提取，所述意圖預(yù)測模塊基于提取出的語義信息對探測目標(biāo)的行為和意圖進(jìn)行預(yù)測，并通過海上無線信道傳輸給海上控制中心，所述語義恢復(fù)模塊基于定向概率圖恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述無人裝備集群包括感知雷達(dá)、聲吶以及傳感器，所述環(huán)境感知模塊基于無人裝備集群探測數(shù)據(jù)來感知海上環(huán)境并識別潛在的目標(biāo)，得到全局或局部的三維視頻數(shù)據(jù)、二維圖像數(shù)據(jù)以及一維文字?jǐn)?shù)據(jù)。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述數(shù)據(jù)存儲模塊為配備于無人裝備集群上的核心組件，采用高性能、可靠性和安全性的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，用于接收、處理和存儲環(huán)境感知模塊采集到的海上環(huán)境數(shù)據(jù)。

7、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述語義編碼模塊通過已有的海上環(huán)境數(shù)據(jù)和已知目標(biāo)的種類構(gòu)建定向概率圖，然后將任務(wù)需求和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中的信息輸入到定向概率圖中提取關(guān)鍵語義信息。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在對所述語義編碼模塊中的定向概率圖構(gòu)建時，首先利用信息提取系統(tǒng)選擇具備任務(wù)相關(guān)信息的語義實(shí)體，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)出實(shí)體之間連接概率，然后通過構(gòu)建實(shí)體-概率-實(shí)體的三元組，并構(gòu)建出任務(wù)相關(guān)的多層定向概率圖g＝(v；e)，其中v標(biāo)識實(shí)體列表，e描述實(shí)體連接概率的鄰接矩陣。

9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述意圖預(yù)測模塊利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)提取的語義信息，識別得到潛在目標(biāo)的位置，運(yùn)動趨勢，任務(wù)種類以及是否具有危險性信息。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)意圖預(yù)測結(jié)果為一維文本信息。

11、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種采用所述基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟：

12、步驟s1，根據(jù)任務(wù)需求，海上控制中心派遣無人裝備集群至目標(biāo)區(qū)域完成信息探測工作，通過無人裝備集群和環(huán)境感知模塊對所在區(qū)域的海洋環(huán)境和潛在目標(biāo)進(jìn)行探測，捕獲視頻、圖像和文字多源數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行去噪、重構(gòu)操作后緩存到數(shù)據(jù)存儲模塊，并統(tǒng)一傳輸至語義編碼模塊中進(jìn)行信息處理；

13、步驟s2，所述語義編碼模塊基于存儲的信息以及任務(wù)的需求，構(gòu)建定向概率圖，提取面向任務(wù)的語義信息，輸出任務(wù)所需的環(huán)境信息和潛在目標(biāo)信息，并將輸出結(jié)果傳輸至意圖預(yù)測模塊；

14、步驟s3，所述意圖預(yù)測模塊構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將語義編碼模塊的輸出信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，進(jìn)行潛在目標(biāo)意圖處理，輸出潛在目標(biāo)的可能移動方向、任務(wù)意圖以及最終目的；

15、步驟s4，在信息處理完成后，無人裝備集群將提取的語義信息和預(yù)測的目標(biāo)意圖信息通過海上無線信道返回給海上控制中心；

16、步驟s5，海上控制中心基于構(gòu)建定向概率圖恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)，并用于任務(wù)處理。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s4中，無人裝備集群基于任務(wù)需求整合提取的語義信息和預(yù)測的目標(biāo)意圖信息為一個數(shù)據(jù)包，根據(jù)通信資源和信道狀態(tài)，選擇數(shù)據(jù)鏈傳輸方法，并將信息通過無線信道返回給海上控制中心。

18、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s5中，海上控制中心在接受到語義信息和意圖信息后，基于定向概率圖恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)，并用于自身的任務(wù)。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

20、1)本發(fā)明同時利用無人裝備集群和環(huán)境感知模塊獲取多源遠(yuǎn)洋信息，并基于語義編碼模塊和意圖預(yù)測模塊得到面向任務(wù)的關(guān)鍵信息和探測目標(biāo)的意圖信息，有效解決了現(xiàn)有面向遠(yuǎn)洋場景中單一信息感知方法的不足，有效去除冗余信息，保留面向任務(wù)的關(guān)鍵信息，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷和時延，進(jìn)一步保障海上任務(wù)執(zhí)行的高效性和安全性；

21、2)本發(fā)明引入了無人裝備集群和多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對海上環(huán)境的全面感知和信息提取，能夠顯著提升監(jiān)測的覆蓋范圍和準(zhǔn)確性；

22、3)本發(fā)明采用了基于深度學(xué)習(xí)的語義提取技術(shù)，有效消除了信息冗余，提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀竞蜁r延；

23、4)本發(fā)明具備快速響應(yīng)和高效任務(wù)執(zhí)行的特性，有效提升了海上任務(wù)的執(zhí)行效率和安全性，為遠(yuǎn)洋信息處理提供了先進(jìn)而可靠的解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括海上控制中心和無人裝備集群，所述無人裝備集群內(nèi)嵌環(huán)境感知模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、語義編碼模塊和意圖預(yù)測模塊，所述海上控制中心內(nèi)嵌語義恢復(fù)模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述無人裝備集群包括感知雷達(dá)、聲吶以及傳感器，所述環(huán)境感知模塊基于無人裝備集群探測數(shù)據(jù)來感知海上環(huán)境并識別潛在的目標(biāo)，得到全局或局部的三維視頻數(shù)據(jù)、二維圖像數(shù)據(jù)以及一維文字?jǐn)?shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲模塊為配備于無人裝備集群上的核心組件，采用高性能、可靠性和安全性的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，用于接收、處理和存儲環(huán)境感知模塊采集到的海上環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述語義編碼模塊通過已有的海上環(huán)境數(shù)據(jù)和已知目標(biāo)的種類構(gòu)建定向概率圖，然后將任務(wù)需求和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中的信息輸入到定向概率圖中提取關(guān)鍵語義信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，在對所述語義編碼模塊中的定向概率圖構(gòu)建時，首先利用信息提取系統(tǒng)選擇具備任務(wù)相關(guān)信息的語義實(shí)體，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)出實(shí)體之間連接概率，然后通過構(gòu)建實(shí)體-概率-實(shí)體的三元組，并構(gòu)建出任務(wù)相關(guān)的多層定向概率圖g＝(v；e)，其中v標(biāo)識實(shí)體列表，e描述實(shí)體連接概率的鄰接矩陣。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述意圖預(yù)測模塊利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)提取的語義信息，識別得到潛在目標(biāo)的位置，運(yùn)動趨勢，任務(wù)種類以及是否具有危險性信息。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)意圖預(yù)測結(jié)果為一維文本信息。

8.一種采用權(quán)利要求1所述基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于，所述步驟s4中，無人裝備集群基于任務(wù)需求整合提取的語義信息和預(yù)測的目標(biāo)意圖信息為一個數(shù)據(jù)包，根據(jù)通信資源和信道狀態(tài)，選擇數(shù)據(jù)鏈傳輸方法，并將信息通過無線信道返回給海上控制中心。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于，所述步驟s5中，海上控制中心在接受到語義信息和意圖信息后，基于定向概率圖恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)，并用于自身的任務(wù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于語義信息提取的遠(yuǎn)洋遠(yuǎn)域環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括海上控制中心和無人裝備集群，所述無人裝備集群內(nèi)嵌環(huán)境感知模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、語義編碼模塊和意圖預(yù)測模塊，所述海上控制中心內(nèi)嵌語義恢復(fù)模塊；所述海上控制中心控制無人裝備集群至目標(biāo)區(qū)域，所述環(huán)境感知模塊進(jìn)行信息感知和數(shù)據(jù)采集生成大尺度多維數(shù)據(jù)，并緩存到數(shù)據(jù)存儲模塊中，所述語義編碼模塊根據(jù)數(shù)據(jù)存儲模塊中的感知數(shù)據(jù)以及任務(wù)需求參數(shù)進(jìn)行語義提取，所述意圖預(yù)測模塊基于提取出的語義信息對探測目標(biāo)的行為和意圖進(jìn)行預(yù)測，并通過海上無線信道傳輸給海上控制中心。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有大大減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷和時延等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：王俊波,曾成,潘怡瑾,劉經(jīng)緯,吳煜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30