CN103531043A - 基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字化航道技术领域，提供一种基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，能提高船舶点到点航行时间估算的准确性，包括如下步骤：将一段包含起点和目标点的航道划分为多个区域，对应地将起点至目标点航线划分为多个航段；通过获取该段航道通行船舶的航行信息并存入数据库，构建该段航道区域的船舶历史航线数据库；并在数据库中预存参考航线；当检测到船舶进入匹配区域时，在数据库中查询是否有该船舶的历史航线记录，若有，则通过船舶自动识别系统和/或雷达等设备获取船舶的当前航行信息，并与该船舶的历史航线记录进行匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
Description
技术领域
本发明涉及数字化航道技术领域，尤其涉及一种船舶航行时间估算方法。
背景技术
在内河航道的一些弯曲狭窄的河段，通过设置通行信号标、鸣笛标、界限标和通行信号台等对船舶实施通行控制，船舶根据信号台的通行信号进行单向、有序通行。目前信号台的通行指挥主要依靠人工指挥或基于AIS和/或雷达等的智能指挥系统等方式，根据船位，船速等进行判断，分别通过估算或计算船舶从上指挥断面和下指挥断面到达控制河段上界限标的时间作为主要判定依据之一，确定船舶的上下行通行顺序，指挥船舶通行。因此，准确预测（估算）船舶到达控制河段上界限标时间是人工指挥及基于AIS和/或雷达等的智能指挥系统进行正确的信号揭示和指挥的关键。
目前，船舶从起点（当前点）到达控制河段上界限标的航行时间估算方法是：1）根据经验估计；2）根据船舶的航向选择船舶的参考航线，根据参考航线上各航段的距离求得船舶航行的航程，根据起始点船舶的实际航速（对地航速），两者相除估算出所需航行时间。
因此，计算航行时间的关键是确定船舶航行航线和对地航速，但受自然、人为等因素的影响，航行航线不同，不同航程对应的对地速度也不同。
目前，控制河段通行信号智能指挥系统对于船舶航程的计算采用的是将控制河段分为若干段，如将控制河段分为三段，并将ab段，bc段，cd段的航段距离作为已知量保存在数据库中，以加快计算速度。当任意船舶到达上预留区域s点，要计算s与d点的航程，首先计算s与a的直线距离sa，然后代入已知的a与b点距离ab，b与c点距离bc，c与d点距离cd，则s与d点的距离为sa+ab+bc+cd；再以s点处船舶的对地航速，两者相除计算得到s点到d点的航行时间。
该方法假定上下水船舶沿同一条固定航线航行，以计算起点的速度航行。但是船舶在实际航行过程中，受航道宽度、水位、水流、船舶载货量和动力以及船员操作等因素的影响，如，同一时期或水位，不同的上水船舶的上水航行轨迹（航迹）和对地速度是不完全相同的；同一船舶在不同时期或水位，上水航行轨迹（航迹）和对地速度也不尽相同；且因控制河段曲折、水流湍急、流态紊乱，导致同一时期或水位，同一船舶在各个航段的实时对地航速也各不相同。因此，利用同一条固定航线和以起始点某一固定的实时对地速度来计算上水船舶到达控制河段上界限标的时间是极为不精确的，所获得的航行时间不能为控制河段通行信号智能指挥系统的精确通行指挥提供可靠依据。
而对于大洋航行的船舶来说，一般采用椭球面上恒向线航法：
已知起点坐标（
λ1）和以及到达点坐标（
λ2），求航程的公式为：
S=△LsecC；(适用于航向接近南北方向时)
其他方法如，恒向线航法，大圆航法，中分纬度航法和墨卡托航法等均以平面三角和球面三角的解算为基础。
以上提到的航法主要适用于大洋航行船舶，对于内河船舶而言，有以下几个缺点：首先，内河航道的航行条件复杂，航线、对地航速、对地航向等的选择均由船长根据实时水流及环境条件决定；其次，从估算起始点到控制河段上界限标的航程通常在几公里长，内河船舶对航行时间、航程计算的精确性要求更高。因此，将大洋航行船舶的航程计算方式用于内河船舶也是不合适的。
综上可知，点到点航行时间的计算关键是对地航速和航线的确定。不同的航线，航程不同，对地航速不同，那么航行时间也就不同。因此，只有当选定的航线与船舶实际航行航线（航迹）相同或接近时，计算（估算）出的点到点航行时间才是有用的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，能有效提高船舶点到点航行时间估算的准确性。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，包括如下步骤：
1）将包含起点和目标点的一段航道划分为多个区域，将起点至目标点航线划分为多个航段；
2）通过获取该段航道通行船舶的航行信息并存入数据库，构建该段航道的通行船舶历史航线数据库,所述航行信息包括日期、MMSI识别码、航行航向、经纬度、水位、对地航速、航段、航程、流速、载重和船型；并在数据库中预存参考航线；
3）通过AIS船舶自动识别系统和/或雷达，检测船舶是否进入匹配区域；
4）当检测到船舶进入匹配区域时，在历史航线数据库中查询是否有该船舶的历史航线记录，若有，通过船舶自动识别系统和/或雷达获取船舶的当前航行信息，并与该船舶的历史航线记录进行匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
进一步，所述步骤2）中，还包括在数据库中预存参考航线的步骤；所述步骤4）中，若数据库中没有所述船舶的历史航线记录，则搜索相同船型的船舶是否有符合匹配条件的记录，若有，则将其作为历史航线记录，与船舶的当前航行信息匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间；若没有相同船型的船舶符合匹配条件的记录，则利用参考航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
进一步，所述步骤1）中，将包含起始点和目标点的一段航道划分为二个区域：预测区和匹配区，将起点至目标点的航线划分为多个航段。
进一步，所述步骤4）中，利用船舶的当前航行信息与历史航线记录进行分段匹配。
进一步，步骤4）之后还包括如下步骤：5）通过AIS和/或雷达等设备，检测船舶是否进入预测区域，进入预测区域后，进行分段匹配，以计算船舶到达目的地剩余时间。
进一步，步骤5）之后还包括如下步骤：5）将该次通行的实际航线和通过时间与匹配的历史航线和估计时间进行评估，如差别小于阈值，则该条历史航线的匹配成功次数增加1次；否则，将本次航线作为新的航线数据记录存入船舶历史航线数据库。
本发明的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法,充分利用船舶的AIS等数据，对船舶通过某一段航道，特别是通过控制河段的时间进行估算，有效克服航道条件和人为因素等的影响，较已有方案能大大提高估算的准确性。当将应用区域由某一段控制河段延伸为港口间距离时，该方法能更准确地预测船舶的到港时间。因此，本技术方案对于不同的应用区域范围，能发挥不同的预测作用，具有广阔的应用前景和经济效益。
具体实施方式
图1示出了基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法的流程示意图；
图2示出了基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法中航道分段示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明进行详细说明。
参见图1，基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，包括如下步骤：
1）参见图2，将某一段航道划分为二个区域，对应地将航线划分为多个航段；例如：可将控制河段指挥断面区域航道，按下水航线将包含a和g的航道S上g分为上匹配区、上预测区；按上水航线将对包含f和g的航道S下c分为下预测区和下匹配区；对航线ag可以分为ab和bg二个航段，对航线fg可以分fe、ed、dc和cg为四个航段，每个航段航线由若干个航点组成。航段的划分可以根据流速、地理环境等航道条件进行划分。
2）通过获取控制河段指挥断面区域通行船舶的航行信息并存入数据库，构建船舶在某一水位（水深）的历史航线数据表。所述航行信息包括日期、MMSI识别码、航点（经纬度）、对地航速、航行航向、水位、航段、航程、流速、载重和船型等；其中，日期、MMSI识别码、航点（经纬度）、对地航速、载重量、船型（长度，宽）等由AIS的动静态信息等获得；MMSI识别码用于标识船舶；船舶的航行航向由AIS等提供的对地航向和真艏向计算后获得，用于判断船舶上下水；经纬度用于判定船舶所在位置和航线计算；对地航速用于计算航行时间；水位（水深）、流速等信息可通过其他渠道获取，一段航道可取一个水位值，流速可选择一个值或按航段设定各自的流速值；载重、船型（长度，宽）用于做近似匹配。历史航线数据库还包括某船某条航线的匹配成功数，用于表示该条历史航线的有效利用数，可作为从多条相近历史航线中选择一条时的优先级。
如，某上行船舶（MMSI）在某一水位（水深）时，点S下至目标点g的航线R信息如表1所示
表1某船舶某条历史航线数据表
表1中，(Ai,Bi),i=1,…,n，表示船舶一个航点i的经纬度，n为目标航点；Vi表示对地航速；航程Di表示由航点(Ai,Bi)至航点(Ai+1,Bi+1)的距离；
如表1，对于某船（MMSI，2013年6月1日，水位，流速，航行航向）的从经纬度为(A1,B1)的点S下至经纬度为(An,Bn)的目标点g的航线R由n个航点组成，则各航点的经纬度为(Ai,Bi),i=1,…,n，航点(Ai,Bi)的对地速度为Vi，航程Dj,j=1,…,n-1表示航点(Ai,Bi)至航点(Ai+1,Bi+1)的距离。则船舶通过航程Dj的航行时间
船舶航线R的总的航程D=D1+…+Dn-1，通过航程D的时间T=T1+…+Tn-1。航段S下f，fe，ed，dc，cg分别由多个航点组成。
航程为预测区域内各个航段间船舶实际航行距离，将航程值直接存入数据库可以简化预测的步骤，加快预测的速度。并在数据库中预存参考航线。
3）通过AIS和/或雷达等设备，检测船舶是否进入匹配区域；
4）当检测到船舶进入匹配区域，获取当前航道信息、船舶航行信息，并设置水位、流速、时刻等匹配搜索范围，当船舶到达航点S下(A1,B1)附近时，根据MMSI、当前水位、流速、日期、船型等信息在数据库中查询是否有满足该条件的该船舶的历史航线记录，若有，如只有一条满足条件的记录，则直接将此记录作为本次通行的预定航线计算通过时间：通过船舶自动识别系统和/或雷达获取船舶的当前航行信息，并与该船舶的历史航线记录进行匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
如有多条航线记录，则从S下到f开始匹配各航点的经纬度、对地速度等，考虑匹配成功数等因素，从中筛选出一条最接近的航线作为本次通行的预定航线计算通过时间；进一步，还可以在bc段再进行多次分段匹配，即继续将该段细分为多个小段，根据该船舶航行的实时数据，对每一小段分别进行航线匹配，这样可形成一条动态的预定航线，该航线取数据库中保存的历史航线的各段形成最优组合。这个动态的航线可以用于估计到达目标点的剩余时间。若数据库中没有所述船舶的历史航线记录，则搜索相同船型的船舶是否有符合匹配条件的记录，若有，则将其作为历史航线记录，与船舶的当前航行信息匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间；若没有相同船型的船舶符合匹配条件的记录，则利用参考航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
5）通过AIS和/或雷达等设备，检测船舶是否进入预测区域，进入预测区域后，通过步骤4）内记载的方法，再次进行分段匹配，以计算船舶到达目的地剩余时间；
6）对该次通行的实际航线和通过时间等与匹配的历史航线和估计时间等进行评估，如差别小于一定的阈值，则该条历史航线的匹配成功次数增加1次；否则，将本次航线作为新的航线数据记录存入船舶历史航线数据库。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将包含起点和目标点的一段航道划分为多个区域，将起点至目标点航线划分为多个航段；
2）通过获取该段航道通行船舶的航行信息并存入数据库，构建该段航道的通行船舶历史航线数据库,所述航行信息包括日期、MMSI识别码、航行航向、经纬度、水位、对地航速、航段、航程、流速、载重和船型；并在数据库中预存参考航线；
3）通过AIS船舶自动识别系统和/或雷达，检测船舶是否进入匹配区域；
4）当检测到船舶进入匹配区域时，在历史航线数据库中查询是否有该船舶的历史航线记录，若有，通过船舶自动识别系统和/或雷达获取船舶的当前航行信息，并与该船舶的历史航线记录进行匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
2.如权利要求1所述的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：所述步骤2）中，还包括在数据库中预存参考航线的步骤；所述步骤4）中，若数据库中没有所述船舶的历史航线记录，则搜索相同船型的船舶是否有符合匹配条件的记录，若有，则将其作为历史航线记录，与船舶的当前航行信息匹配，筛选出最接近的航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间；若没有相同船型的船舶符合匹配条件的记录，则利用参考航线，计算船舶通过各个航段的航行时间，累加各航段的航行时间，作为该船到达目标点的估算航行时间。
3.如权利要求1所述的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：所述步骤1）中，将包含起始点和目标点的一段航道划分为二个区域：预测区和匹配区，将起点至目标点的航线划分为多个航段。
4.如权利要求1所述的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：所述步骤4）中，利用船舶的当前航行信息与历史航线记录进行分段匹配。
5.如权利要求1至4中任一项所述的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：步骤4）之后还包括如下步骤：5）通过AIS和/或雷达等设备，检测船舶是否进入预测区域，进入预测区域后，进行分段匹配，以计算船舶到达目的地剩余时间。
6.如权利要求5所述的基于航线匹配的船舶点到点航行时间估算方法，其特征在于：步骤5）之后还包括如下步骤：6）将该次通行的实际航线和通过时间与匹配的历史航线和估计时间进行评估，如差别小于阈值，则该条历史航线的匹配成功次数增加1次；否则，将本次航线作为新的航线数据记录存入船舶历史航线数据库。
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