CN105185162A - 一种基于ais信息的多目标防撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，包括以下步骤：步骤1：建立适应多目标状况的预测危险区域PAD模型，步骤2：设置本船的DCPAs和TCPAs；步骤3：根据AIS信息计算避碰要素；步骤4：防撞告警判断；步骤5：在本船的避碰态势圆CCPS上叠加显示PCD。本发明采用了AIS信息进行避碰相关要素计算，即使在航行密度较大的海域内也可以有效获取动态信息进而计算相关要素，并且可以及时反映所有船只的避让操船意图；本发明建立的CCPS模型有效地满足了多目标情况下清晰简洁地显示避碰态势的要求，同时既能提供碰撞告警信息，还能提供保速情况下的避碰决策，从而为值班员进行船舶的指挥调度提供了便利。

Description

一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法

技术领域

本发明涉及船舶预警领域，特别是一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，可以应用于船舶交通管理系统(VTS)的交通态势评估。

背景技术

海上船舶碰撞事故给人身、财产和环境带来了很大危害，有关海上船舶避碰的研究一直备受关注，由最初的案例分析发展至今，避碰法规越来越趋于完善，各种各样的船舶调度方法也越来越趋于成熟，而随着计算机技术的不断进步和船载设备的不断更新，避碰技术也得到了长足发展。

通常，航海人员按照DCPA和TCPA两个参数来判断碰撞危险，根据实际情况设定最小安全会遇距离DCPAs和最小安全会遇时间TCPAs，只要|DCPA|<DCPAs，并且|TCPA|<TCPAs，则认为碰撞危险存在。碰撞危险的判断有赖于实时、准确和可靠的信息来源，多年来人们依靠VHF、ARPA和雷达来协助避碰，然而这些手段不便于识别目标船，也难以做到及时而准确地发送本船和接收他船的避让操船意图，尤其在航行密度较大的海域更显得力不从心。船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem，AIS)的出现在很大程度上使船舶会遇信息的获取更加实时可靠，从而使船舶自动避碰系统的实用化成为可能。AIS信息的特点是：信息精度高，准确性好；能实时不间断地提供目标的动态信息；信息量大，不需要额外计算就可以获得GPS船位、航迹向、对地航速和转向率等信息；自主运行，无需人工监控；避免了环境的影响。

为了更直观地展现船舶当前的碰撞危险情况以及可能采取的避让措施，SPERRY系列的ARPA最早提出了预测危险区域(PredictedAreaofDanger,PAD)的概念，当目标船保速保向且本船保速航行时，只要本船船首线避开PAD区域就可以安全通过目标船的船头或船尾。PAD的形状和位置由DCPAs、相对航速和相对距离来共同决定，其中DCPAs的确定往往与驾驶员的心理因素、船舶条件和外界条件三方面因素有关，而且要考虑到本船各个方位的目标船通过本船的DCPAs的值并不相同，不具备方位的对称性，所以DCPAs取值往往偏大以兼顾各个方向目标船。以往基于PAD的碰撞危险预警系统多使用数字形式给出转向和减速的建议数值，这种做法不符合海员心理，而图形化的PAD可以给船员提供更直观的避碰决策信息。PAD的形状常见的有椭圆和六边形等，其位置位于目标船的真矢量线上，当需要监视多艘目标船只时，简单地叠加展示这类PAD的后果是监视屏上的避碰态势显得杂乱无章。

目前相关文献中较多地讨论单艘船舶的避让技术，关于多船会遇的避碰态势的研究相对较少。本发明提出的多目标防撞预警系统主要应用于VTS系统中，不仅可以实时处理多船动态信息进而实现防撞预警，还可以帮助值班员一目了然地了解所关心区域内所有船舶的避碰态势。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，包括以下步骤：

步骤1：建立适应多目标状况的预测危险区域(PredictedAreaofDanger,PAD)模型。本步骤提出了避碰态势圆(CircleofCollisionPreventionSituation,CCPS)和预测危险航向区(PredictedCourseofDanger,PCD)的概念。与一般PAD不同的是，该避碰态势圆的圆心位于本船，半径为航速V与TCPAs的乘积，由两部分组成：一部分是安全航向区，另一部分是若干叠加显示的PCD。PCD是一个扇区，其圆心与CCPS相同，两条边是危险航向区边界。

步骤2：设置本船的最小安全会遇距离(MinimumSafeDistancetoClosestPointofApproach,DCPAs)和最小安全会遇时间(MinimumSafeTimetoClosestPointofApproach,TCPAs)；

步骤3：根据AIS信息计算避碰相关要素。当任一艘船舶的AIS动态信息更新时，将该船作为防撞判断中的本船，获取其周围一定范围内所有目标，遍历计算本船与目标船的DCPA、TCPA、C1和C2；根据C1、C2和DCPAs在内存中构造本船与目标船相关的PCD数据对象。

步骤4：防撞告警判断。当|DCPA|<DCPAs，并且|TCPA|<TCPAs时，表明本船与目标船进入了防撞告警状态，其对应的PCD将用红色表示，否则用琥珀色表示；

步骤5：在本船的避碰态势圆(CircleofCollisionPreventionSituation,CCPS)上叠加显示预测危险航向区(PredictedCourseofDanger,PCD)。

所述PAD模型中，避碰态势圆的圆心位于本船，半径为航速V与TCPAs的乘积，由两部分组成：一部分是安全航向区，另一部分是一组叠加显示的PCD；PCD是一个扇区，其圆心与避碰态势圆的圆心相同，两条边限定危险航向区边界，起始边为C1、终止边为C2。

本发明步骤3包括：

步骤3-1：接收并更新本船动态的AIS信息；

步骤3-2：遍历本船周围一定范围(一般设置1～15海里)内所有目标；

步骤3-3：计算本船与目标船的最近会遇距离(DCPA)、最短会遇时间(TCPA)、起始边C1和终止边C2；

步骤3-4：根据起始边C1、终止边C2和DCPAs在内存中构造本船与目标船相关的PCD数据对象。

本发明步骤3-3中的计算公式为：

目标船与本船的相对航速V_r：

$V_r=\sqrt{V_0^2+V_t^2-2V_0{V}_{t}cos(C_0-C_t)}$

其中，V₀表示本船航速，V_t表示目标船航速，C₀是本船航向，C_t表示目标船航向；

目标船与本船的相对航向C_r：

$C_r={\cos }^{-1}\frac{-1-k\&times;cos\mathrm{\&Delta;}H}{\sqrt{1-2k\&times;\cos \mathrm{\&Delta;}H+k^2}}$

其中，为航速比，ΔH＝C₀-C_t为航向差值，；

最近会遇距离DCPA：

DCPA＝D×sin(C_r-Q)

其中，D是本船与目标船的距离，Q是方位舷角；

最短会遇时间TCPA：

$TCPA=\frac{D\&times;cos(C_r-Q)}{V_r}$

临界相对航向C′_r：

${C_r}^{\&prime;}=\&PlusMinus;arcsin\left(\frac{DCPAs}{D}\right)+Q$

临界相对航速V_r′：

${V_r}^{\&prime;}=V_{t}cos(C_t-C_r)\&PlusMinus;\sqrt{V_0^2-V_t^2{\sin }^2(C_t-{C_r}^{\&prime;})}$

|V_t-V₀|≤V_r′≤V_t+V₀

本船临界航向C_1，2：

$C_{1,2}={C_r}^{\&prime;}+arccos\left(\frac{{V_r}^{\&prime;2}+V_0^2-V_t^2}{2{V_r}^{\&prime;}{V}_0}\right)-\mathrm{\&pi;}$

其中，π是圆周率。

本发明步骤4包括：

步骤4-1：如果|DCPA|<DCPAs，表明当目标船保速保向航行且本船保速航行时两船存在碰撞隐患，否则表明两船无碰撞隐患；

步骤4-2：如果两船存在碰撞隐患，并且|TCPA|<TCPAs，表明本船与目标船进入了防撞告警状态，此时将本船对应的PCD进行告警；否则表明本船与目标船未进入防撞告警状态，PCD不进行告警。

本发明采用了AIS信息进行避碰相关要素计算，即使在航行密度较大的海域内也可以有效获取动态信息进而计算相关要素，并且可以及时反映所有船只的避让操船意图；本发明建立的CCPS模型有效地满足了多目标情况下清晰简洁地显示避碰态势的要求，同时既能提供碰撞告警信息，还能提供保速情况下的避碰决策，从而为值班员进行船舶的指挥调度提供了便利。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为基于AIS信息的多目标防撞预警方法流程图。

图2为多目标状况下本船的避碰态势圆(CCPS)示意图。

图3为避碰要素(DCPA、C1和C2)计算示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，该方法可以应用于船舶交通管理系统(VTS)的交通态势评估。首先，本发明提出了避碰态势圆(CCPS)和预测危险航向区(PCD)的概念，用于建立适应多目标状况的预测危险区(PAD)模型；然后根据船舶状况和环境条件设置本船的最小安全会遇距离DCPAs和最小安全会遇时间TCPAs；其次，根据接收的AIS动态信息，遍历本船周围一定范围内所有的目标，计算本船与目标船的最近会遇距离(DCPA)、最短会遇时间(TCPA)、PCD起始边(C1)和PCD终止边(C2)，并且根据C1、C2和DCPAs在内存中构造本船与目标船相关的PCD数据对象；再次，进行防撞告警判断，方法是：如果|DCPA|<DCPAs，表明当目标船保速保向航行且本船保速航行时两船存在碰撞隐患；否则表明两船无碰撞隐患，程序将返回遍历入口处；如果|TCPA|<TCPAs，表明本船与目标船进入了防撞告警状态，此时将其对应的PCD颜色改为告警色；否则本船与目标船未进入防撞告警状态，PCD的颜色用提醒色表示。最后在本船的CCPS上叠加显示所有的PCD。本发明不仅可以实时处理多船动态信息进而实现防撞预警，还可以帮助值班员一目了然地了解其所关心区域内所有船舶的避碰态势。

实施例

图1所示为本发明实施例方法流程图，该实施例中涉及的设备包括AIS电台、防撞预警系统和图形界面显示系统。

本实施例方法具体实施步骤：

步骤1：建立适应多目标状况的PAD模型：

如图2所示，本船的避碰态势元素圆(CCPS)是由若干预测危险航向区(PCD)叠加而成的，其半径为航速V与最小安全会遇时间TCPAs的乘积，设为Rs，代表触发碰撞告警的边界。每个PCD的数据结构由起始边C1、终止边C2和颜色(红色和琥珀两色)构成，其中C1和C2按逆时针方向设置。当本船保速航行且航向处在本船与它船形成的PCD中时，两船存在碰撞隐患；设本船的PCD的个数为n，代表了本船与附近的n艘船舶存在碰撞隐患，此时PCD的原始颜色为琥珀色。C0是本船的方向矢量线，方向为当前航向；令TCPA_min＝min{TCPA₁,TCPA₂,……,TCPA_n}，表示在这n艘船舶中，本船到达其中任意一个最近会遇点的最短时间；令C0的长度D0为当前航速V与TCPA_min的乘积，C0末端表示距离本船最近的碰撞危险点，当D0<Rs时，TCPA_min对应的PCD被设为红色，表示触发了碰撞告警。

步骤2：设置DCPAs和TCPAs：

对于管辖海域内的每一艘船舶，当系统稳定跟踪该船舶的航迹后，为其设置典型的DCPAs和TCPAs，值班员可以根据船舶条件和环境条件等对其进行修改。DCPAs和TCPAs也可以利用模糊神经网络方法求得：

设a₁和a₂分别表示水文气象条件和船舶密度，模糊化如下：

$a_2=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\&rho;}\&GreaterEqual;10\\ \mathrm{\&rho;}/10,& 0\&le;\mathrm{\&rho;}\&le;10\end{array}\right.$

ρ表示船舶密度，即5nmile范围内的船舶数量。设计一个4层模糊神经网络FNN，输入为a₁和a₂，输出为最小安全会遇距离，经过迭代学习可得到实际输出值y与a₁和a₂的关系式，设可航水域和船舶性能的乘权系数为b₁和b₂，可得最小安全会遇距离：

DCPAs＝b₁×b₂×y

利用同样方法，可求得最小安全会遇时间TCPAs。

步骤3：根据AIS信息计算避碰相关要素：

步骤3-1：接收并更新本船的AIS动态信息；

步骤3-2：遍历本船周围10海里内所有目标；遍历完毕后返回步骤2；

步骤3-3：计算本船与目标船的DCPA、TCPA、C1和C2：

如图3所示，设本船O的当前船位为O(x₀,y₀)，当前航速为V₀，当前航向为φ₀；目标船T的船位为T(x_t,y_t)，航速为V_t，航向为φ_t，位置舷角为Q。通过避碰几何知识可求得目标船的各个运动参数，进而求得DCPA、TCPA。计算公式如下：

目标船与本船的相对航速V_r：

$V_r=\sqrt{V_0^2+V_t^2-2V_0{V}_{t}cos(C_0-C_t)}$

其中，V₀表示本船航速，V_t表示目标船航速，C₀是本船航向，C_t表示目标船航向；

目标船与本船的相对航向C_r：

$C_r={\cos }^{-1}\frac{-1-k\&times;cos\mathrm{\&Delta;}H}{\sqrt{1-2k\&times;\cos \mathrm{\&Delta;}H+k^2}}$

其中，为航速比，ΔH＝C₀-C_t为航向差值；

最近会遇距离DCPA：

DCPA＝D×sin(C_r-Q)

其中，D是本船与目标船的距离，Q是方位舷角；

最短会遇时间TCPA：

$TCPA=\frac{D\&times;cos(C_r-Q)}{V_r}$

C1和C2是目标船保速保向且本船保速时，本船的危险航向区边界，分别对应本船恰好安全通过目标船船尾和船首时的航向。针对每个目标船求得的C1和C2的个数是不定的，其个数由本船和目标船的航速比、距离和舷角等有关。C1和C2的求解可以将DCPAs代替DCPA反向求解φ₀得到。计算公式如下：

临界相对航向C′_r：

${C_r}^{\&prime;}=\&PlusMinus;arcsin\left(\frac{DCPAs}{R_t}\right)+Q$

临界相对航速V_r′：

${V_r}^{\&prime;}=V_{t}cos(C_t-C_r)\&PlusMinus;\sqrt{V_0^2-V_t^2{\sin }^2(C_t-{C_r}^{\&prime;})}$

|V_t-V₀|≤V_r′≤V_t+V₀

本船临界航向C_1，2：

$C_{1,2}={C_r}^{\&prime;}+arccos\left(\frac{{V_r}^{\&prime;2}+V_0^2-V_t^2}{2{V_r}^{\&prime;}{V}_0}\right)-\mathrm{\&pi;}$

其中，π是圆周率。

步骤3-4：根据C1、C2和DCPAs在内存中构造本船与目标船相关的PCD数据对象。

步骤4：防撞告警判断：

步骤4-1：如果|DCPA|<DCPAs，表明当目标船保速保向航行且本船保速航行时两船存在碰撞隐患，程序继续执行以下步骤；否则表明两船无碰撞隐患，程序将返回步骤3-2；

步骤4-2：如果|TCPA|<TCPAs，表明本船与目标船进入了防撞告警状态，此时将其对应的PCD的颜色改为红色；否则本船与目标船未进入防撞告警状态，PCD的颜色用琥珀色表示。

步骤5：在本船的CCPS上叠加显示PCD。

在内存中维护本船的所有PCD数据对象，当图形界面的定时刷新时间到达时，图形界面系统将内存中所有PCD数据对象叠加于本船的CCPS上，并且在显示屏上刷新显示。当步骤3-2的遍历过程结束时，本船在显示屏上将获得一个实时更新的CCPS图像，该图像不仅能提供碰撞告警信息，还能提供保速情况下的避碰决策。

本发明提供了一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立适应多目标状况的预测危险区域PAD模型；

步骤2：设置本船的最小安全会遇距离DCPAs和最小安全会遇时间TCPAs；

步骤3：根据AIS信息计算避碰要素；

步骤4：防撞告警判断；

步骤5：在本船的避碰态势圆CCPS上叠加显示预测危险航向区PCD。

2.根据权利要求1所述的一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，其特征在于，所述PAD模型中，避碰态势圆的圆心位于本船，半径为航速V与TCPAs的乘积，由两部分组成：一部分是安全航向区，另一部分是一组叠加显示的PCD；PCD是一个扇区，其圆心与避碰态势圆的圆心相同，两条边限定危险航向区边界，起始边为C1、终止边为C2。

3.根据权利要求1所述的一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3-1：接收并更新本船动态的AIS信息；

步骤3-2：遍历本船周围一定范围内所有目标；

步骤3-3：计算本船与目标船的最近会遇距离DCPA、最短会遇时间TCPA、起始边C1和终止边C2；

步骤3-4：根据起始边C1、终止边C2和DCPAs在内存中构造本船与目标船相关的PCD数据对象。

4.根据权利要求1所述的一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，其特征在于，步骤3-3中的计算公式为：

目标船与本船的相对航速V_r：

$V_r=\sqrt{V_0^2+V_t^2-2V_0{V}_{t}cos(C_0-C_t)},$

其中，V₀表示本船航速，V_t表示目标船航速，C₀是本船航向，C_t表示目标船航向；

目标船与本船的相对航向C_r：

$C_r={\cos }^{-1}\frac{-1-k\&times;cos\mathrm{\&Delta;}H}{\sqrt{1-2k\&times;cos\mathrm{\&Delta;}H+k^2}},$

其中，为航速比，ΔH＝C₀-C_t为航向差值；

最近会遇距离DCPA：

DCPA＝D×sin(C_r-Q)，

其中，D是本船与目标船的距离，Q是方位舷角；

最短会遇时间TCPA：

$TCPA=\frac{D\&times;cos(C_r-Q)}{V_r},$

临界相对航向C′_r：

$C_r^{\&prime;}=\&PlusMinus;arcsin\left(\frac{DCPAs}{D}\right)+Q,$

临界相对航速V′_r：

$V_r^{\&prime;}=V_{t}cos(C_t-C_r)\&PlusMinus;\sqrt{V_0^2-V_t^2{\sin }^2(C_t-C_r^{\&prime;})},$

|V_t-V₀|≤V′_r≤V_t+V₀，

本船临界航向C_1，2：

$C_{1,2}=C_r^{\&prime;}\&PlusMinus;arccos\left(\frac{V_r^{\&prime;2}+V_0^2-V_t^2}{2V_r^{\&prime;}{V}_0}\right)-\mathrm{\&pi;},$

其中，π是圆周率。

5.根据权利要求1所述的一种基于AIS信息的多目标防撞预警方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4-1：如果|DCPA|<DCPAs，表明当目标船保速保向航行且本船保速航行时两船存在碰撞隐患，否则表明两船无碰撞隐患；

步骤4-2：如果两船存在碰撞隐患，并且|TCPA|<TCPAs，表明本船与目标船进入了防撞告警状态，此时将本船对应的PCD进行告警；否则表明本船与目标船未进入防撞告警状态，PCD不进行告警。