CN107657144B - 一种基于船舶ais和计程仪数据的近岸流场反演方法 - Google Patents

一种基于船舶ais和计程仪数据的近岸流场反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，包括数据处理、构建区域空间数值模型、流速确定、流向确定四个主要部分。本发明以AIS报文中Heading与COG间夹角、SOG和由计程仪测得的船舶对水航速，反演船舶在近岸所经过区域的流场情况，解决利用传统方法不能持久观测和整体感知区域流场状况的问题，能够快速获取研究区域流场情况，进而为过往船舶和近岸工程实施提供指导。

Description

一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法
技术领域
本发明涉及近岸流场观测领域，更具体的说，是涉及一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法。
背景技术
为保障船舶在近岸航行的安全，需要船舶掌握近岸流场情况。此外，近岸流场对于近岸工程实施具有较大意义。在实践中，一般通过布放ADCP等设备用于定点观测水流状况，但其缺乏对区域内流场的整体感知，且受能源限制持久性工作能力受限。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，以AIS报文中Heading与COG间夹角、SOG和由计程仪测得的船舶对水航速，反演船舶在近岸所经过区域的流场情况，解决利用传统方法不能持久观测和整体感知区域流场状况的问题，能够快速获取研究区域流场情况，进而为过往船舶和近岸工程实施提供指导。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，包括以下步骤：
步骤一，数据处理：对研究区域内AIS数据和计程仪数据匹配和质量控制；
步骤二，构建区域空间数值模型：将研究区域网格离散化处理后，依据网格节点坐标和每一船舶自身数据对其航迹所经过的网格位置处Heading、COG、SOG和船舶对水航速内插处理；
步骤三，流速确定：利用Heading与COG间夹角、SOG以及计程仪提供的船舶对水航速，依据三角余弦定理求解；
步骤四，流向确定：利用Heading与COG间夹角、水流的速度以及SOG，依据三角正弦定理求解。
步骤一中数据处理，依据气象信息筛选AIS数据后，将AIS数据与计程仪数据相匹配并对此质量控制：删除AIS报文中有属性明显错误、同一MMSI对应不同类别船舶、Heading和COG不在0至360度内的记录。
步骤三中流速确定指的是确定研究区域内流的速度，按以下公式计算：
Figure BDA0001393493350000021
θ1＝|Heading-COG|
其中，V流为研究区域水流的速度，V船为船舶的对水航速，SOG为船舶对地航速，θ1为流压差角，Heading为船首向，COG为船舶对地航向。
步骤四中流向确定指的是确定研究区域内流的方向，按以下公式计算：
θ2＝COG±A
A＝arcsin(sinθ1/V流×V船)
其中，θ2为研究区域水流的流向，当船舶在其行进方向上，左舷受到流影响时作和运算，右舷受到流影响时则作减运算。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明利用AIS和计程仪提供的相关数据解决传统方法中不能持久观测和整体感知区域流场状况的问题；以AIS报文中Heading与COG间夹角、SOG和由计程仪测得的船舶对水航速，反演船舶在近岸所经过区域的流场情况；在保障一定精度要求下，辅助传统方法并与传统观测方法测得数据同化处理，快速观测研究区域流的状况，进而对过往船舶以及近岸工程实施提供指导。
附图说明
图1是本发明的解析图；
图2是船舶受流影响示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面对本发明作进一步的描述。
本发明实施例介绍了一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，目的在于利用AIS数据和计程仪提供的船舶对水航速数据解决传统方法中不能持久观测和整体感知区域流场状况的问题。在保障一定精度要求下，辅助传统方法并与传统观测方法测得数据同化处理，快速观测研究区域流的状况，进而对过往船舶以及近岸工程实施提供指导。
本发明基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，由数据处理、构建区域空间数值模型、流速确定、流向确定四个主要部分组成，具体过程如下：
步骤一，数据处理主要是对研究区域内AIS数据和计程仪数据匹配和质量控制。依据气象信息筛选AIS数据，最好是筛选出海况较好且风较小情况下的AIS数据，将AIS数据与计程仪中船舶对水航速数据相匹配并对此进行质量控制：删除AIS报文中有属性明显错误、同一MMSI对应不同类别船舶、Heading和COG不在0至360度内的记录。
步骤二，构建区域空间数值模型主要是将数据网格离散化处理。将研究区域网格离散化处理后，依据网格节点坐标和每一船舶自身数据对其航迹所经过的网格位置处Heading、COG、SOG和船舶对水航速等数据作线性内插处理，保证每一网格内均包含上述类型数据。
步骤三，流速确定主要是确定研究区域内流的速度。如图1所示，利用Heading与COG间夹角、SOG以及计程仪提供的船舶对水航速，依据三角余弦定理求解。具体按以下公式计算：
Figure BDA0001393493350000031
θ1＝|Heading-COG| (2)
其中，V流为研究区域水流的速度，单位为m/s；V船为船舶的对水航速，由计程仪提供，单位为m/s；SOG为船舶对地航速，单位为m/s；θ1为流压差角，单位为度；Heading为船首向，单位为度；COG为船舶对地航向，单位为度。
步骤四，流向确定主要是确定研究区域内流的方向。利用Heading与COG间夹角、水流的速度以及SOG，依据三角正弦定理求解。具体按以下公式计算：
θ2＝COG±A (3)
A＝arcsin(sinθ1/V流×V船) (4)
其中，θ2为研究区域水流的流向，单位为度，如图2所示，当船舶在其行进方向上，左舷受到流影响时，公式(3)作和运算，右舷受到流影响时，则公式(3)作减运算。
上述仅是示意性的，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，数据处理：对研究区域内AIS数据和计程仪数据匹配和质量控制；
步骤二，构建区域空间数值模型：将研究区域网格离散化处理后，依据网格节点坐标和每一船舶自身数据对其航迹所经过的网格位置处船首向Heading、船舶对地航向COG、船舶对地航速SOG和船舶对水航速内插处理；
步骤三，流速确定：利用Heading与COG间夹角、SOG以及计程仪提供的船舶对水航速，依据三角余弦定理求解；
步骤四，流向确定：利用Heading与COG间夹角、水流的速度以及SOG，依据三角正弦定理求解。
2.根据权利要求1所述的基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，其特征在于，步骤一中数据处理，依据气象信息筛选AIS数据后，将AIS数据与计程仪数据相匹配并对此质量控制：删除AIS报文中有属性明显错误、同一MMSI对应不同类别船舶、Heading和COG不在0至360度内的记录。
3.根据权利要求1所述的基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，其特征在于，步骤三中流速确定指的是确定研究区域内水流的速度，按以下公式计算：
Figure FDA0002203265640000011
θ1＝|Heading-COG|
其中，V流为研究区域水流的速度，V船为船舶的对水航速，SOG为船舶对地航速，θ1为流压差角，Heading为船首向，COG为船舶对地航向。
4.根据权利要求1所述的基于船舶AIS和计程仪数据的近岸流场反演方法，其特征在于，步骤四中流向确定指的是确定研究区域内流的方向，按以下公式计算：
θ2＝COG±A
A＝arcsin(sinθ1/V流×V船)
其中，θ2为研究区域水流的流向，当船舶在其行进方向上，左舷受到流影响时作和运算，右舷受到流影响时则作减运算。
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