CN109059928B - 一种定线制条件下的航线交换系统 - Google Patents

一种定线制条件下的航线交换系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种定线制条件下的航线交换系统，包括MTCH，通过船‑岸通信系统接收目标船舶的计划航线，对目标船舶的计划航线进行优化并给出航线优化建议，在船岸协商确定终议航线后将目标船舶的终议航线广播至辖区内的其他船舶，通过动态监控系统保持对目标船舶动态的实时监控；船舶侧终端设置在船舶上，用于通过船‑岸通信系统与MTCH通信；船‑岸通信系统用于MTCH和船舶之间进行双向数据传输。本发明使辖区内的船舶能够在一个公共的平台上掌握航线的使用情况，从而加强船‑岸、船‑船的信息交互能力。

Description

一种定线制条件下的航线交换系统
技术领域
本发明属于海事信息交换领域，具体涉及一种定线制条件下的航线交换系统。
背景技术
船舶定线制是指船舶在水上某些关键区域航行时应遵循特定航线、航路或通航分道的一 种制度，在规范船舶交通流、保障航行安全和提高交通效率方面起有至关重要的作用，在国 际上被广泛采用。但由于船舶定线制对交通流的约束和引导，很多时候会导致多股交通流向 交叉水域集中，使得警戒区(多为航道交叉口)交通流量更大、流向更复杂，船舶交汇现象 突出。因此，依托船舶定线制对船舶的流量进行控制和约束，是积极发挥船舶定线制作用的 有效方法。
在现有E-航海项目中，由瑞典海事局牵头，协同波罗的海7国开展的海上智能高速路和 电子导航(Motorways and electronic navigation by intelligence at sea，MONALISA)项目涉及 在现有的电子海图和自动识别系统(AIS)的基础上开发和展示一种新的航线规划模型；由丹 麦海事局牵头，6国合作参与开发的高效、安全和可持续的海上交通项目(Efficient,Safe and Sustainable Traffic at Sea，Eifficiensea)开发了多种包括船-船、船-岸航线交换在内的电子导 航服务功能；由瑞典查尔姆斯理工大学等6国开展的通航便利性、高效性和可持续性项目 (Accessibility for Shipping,EfficiencyAdvantages and Sustainability，ACCSEAS)开发和测试 了战术路线建议(TacticalRoute Suggestion)服务，为用户更好地提供空间信息，这些信息将 使海员和海事管理机构能够以更加清晰和直观的方式了解当前的船舶周边态势。
现有E-航海项目中的相关工作多面向开阔海域的航线信息交换，在船舶对航线使用的规 划和调度方面尚未开展实质性工作。在实际的定线制实施过程中，尽管船-船、船-岸存在一 定沟通的渠道，但是仍然缺乏系统的机制能协调各个参与方对航线资源的使用或监管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种定线制条件下的航线交换系统，加强船-岸、船- 船的信息交互能力。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种定线制条件下的航线交换系统， 其特征在于：它包括：
MTCH，通过船-岸通信系统接收目标船舶的初始意向航线，对目标船舶的初始意向航线 进行优化并给出航线优化建议，在船岸协商确定终议航线后将目标船舶的终议航线广播至辖 区内的其他船舶，并通过动态监控系统保持对目标船舶动态的实时监控；MTCH是指岸基协 调中心；目标船舶指主动与MTCH取得联系并获得航线建议的船舶，其他船舶是指已经针对 定线制航道制订了航线计划的所有船舶，终议航线是指MTCH和目标船舶都确定了的、将被 执行的航线计划；删除航线是指当船舶侧终端撤销己方的终议航线时，MTCH在收到撤销操 作后，将在本方的数据库中删除该条终议航线，并将删除信息广播到辖区内的其他船舶；
船舶侧终端，设置在船舶上用于通过船-岸通信系统与MTCH通信；
船-岸通信系统，用于MTCH和船舶之间进行双向数据传输；
所述的MTCH与船舶侧终端按以下步骤进行航线交换：
步骤1：目标船舶从MTCH处获取已登记、且尚未执行完成的定线制航线，并根据现有 航线及航行安全信息设计初始意向航线，向MTCH进行申报；
步骤2：MTCH收到航线申报请求，进行以下处理：
情形①：MTCH不同意目标船舶的初始意向航线，根据辖区交通流情况和气象条件信息 对该初始意向航线进行优化，并向目标船舶发送航线优化建议；航线优化建议包括若干条与 初始意向航线相似、但更满足对该定线制航道使用约束的航线；
目标船舶接收航线优化建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条航线，MTCH 将确认的该条航线定为终议航线，存储并通知目标船舶，然后将这条航线信息广播到辖区内 的其他船舶；或者拒绝所有航线优化建议，结束本轮航线交换过程，返回步骤1；
情形②：MTCH直接认可目标船舶的初始意向航线，将其定为终议航线并通知目标船舶， 然后将这条航线信息广播到辖区内的其他船舶；
情形③：MTCH不认可目标船舶的初始意向航线，也无法提供能够优化调整的建议，则 向目标船舶发送拒绝初始意向航线的消息，并提供拒绝理由，结束本轮航线交换过程，返回 步骤1。
按上述系统，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，为船舶侧终端提供有对终议航 线的撤销操作，具体如下：
当船舶侧终端撤销己方的终议航线时，MTCH在收到船舶侧终端对某条终议航线的撤销 操作后，将在本方的数据库中删除该条终议航线，然后将这条终议航线的删除信息广播到辖 区内的其他船舶；
同时MTCH判断船舶侧终端的撤销操作的时间，若撤销操作的时间晚于该条终议航线的 执行时间之前的一个固定阈值，则记录该船舶的不良记录。
按上述系统，所述的定线制航线按以下规则表示和计算：
规则①：MTCH通过在航道入口、航道出口和航道转弯处设置规范航点，在各个规范航 点处生成目标船舶在同一确定位置的预计到达时间区间；在此表示方法中，确定位置即规范 航点，用表示WPi，预计到达时间用ETA表示，范围区间为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n， 其中Ti-Δti表示最早预计到达时间，Ti+Δti表示最晚预计到达时间；
规则②：MTCH规定如下的常量并通告给各个船舶：两艘船舶在定线制航道内安全航行 间距为Dissafe；设定船舶在定线制航道内允许的最小航行速度为Vmin，设定船舶在定线制航道 内允许的最大航行速度为Vmax；设定船舶预计到达指定航点WPi时间的许可度为1-ε，其中ε 是一个预设值，介于0.05与0.1之间；设定船舶预计到达指定航点WPi时间的驳回度为1-γ， 其中γ为一个大于ε的预设值；
任意一条定线制航线满足如下合理性检测：
航线计划不能超过最低、最高速度及安全航行间距的设限，检测方法如下：若有某船舶 A预计到达规范航点WPi的时间区间记为
Figure BDA0001779953430000031
则到达规范航点WPi+1的时 间区间记为
Figure BDA0001779953430000032
规范航点WPi与规范航点WPi+1的距离设为Disi，需满足 每一个WPi的预计到达时间区间
Figure BDA0001779953430000033
不能有重叠，其中i＝1,2,3.....n；还满 足
Figure BDA0001779953430000034
且
Figure BDA0001779953430000035
任意两条定线制航线满足如下合理性检测：
相邻的船舶不能在定线制航道内追越，检测方法如下：若有某两条船舶A、B进入起始 航点WP1的时间区间中点
Figure BDA0001779953430000036
对于其他航点WPi，i＝1,2,3.....n，船舶A预计到达时间 区间表示为
Figure BDA0001779953430000037
船舶B预计到达时间区间表示为
Figure BDA0001779953430000038
两条船在每个航点的时间区间中点Ti (A)和Ti (B)，都需满足Ti (B)>Ti (A)；
规则③：基于正态分布的估计来描述船舶执行航线的进程，并在此基础上实现定线制条 件对航线负载的计算；根据规则①的记法，用[Ti-Δti，Ti+Δti]表示目标船舶按照此区间上 时间以正态分布到达航点WPi；进一步，还假设定线制航道内各船舶到达各航点的时间服从 正态分布且相互独立，具体的参数和计算方法如下：
若有某船舶A，其未来到达航点WPi的时间为
Figure BDA0001779953430000039
该时间服从参数为Ti (A)和
Figure BDA00017799534300000310
的正 态分布，记作
Figure BDA00017799534300000311
其中
Figure BDA00017799534300000312
规则④：根据规则①的记法，假定船舶A的航线已定，若船舶B未来到达WPi的时间
Figure BDA0001779953430000041
服从参数为Ti (B)和
Figure BDA0001779953430000042
的正态分布，其中
Figure BDA0001779953430000043
以不小于1-ε的可能性在区间
Figure BDA0001779953430000044
船舶B预计晚于船舶A到达航点WPi，即Ti (B)>Ti (A)；根据规则②的 要求，此时在每个航点之间的每段航程内，船舶A都保持行驶在船舶B前方；
规则⑤：按照规则①至④，若船舶A的航线已确定，船舶A、B计划到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000045
则船舶B到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA0001779953430000046
记
Figure BDA0001779953430000047
另
Figure BDA0001779953430000048
根据正态分布的基本性质，Disenvision服从参数为
Figure BDA0001779953430000049
和
Figure BDA00017799534300000410
的正态分布的分布；若满 足P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300000411
其中Φ(x)是统计学中已确定的 函数，则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理；若满足
Figure BDA00017799534300000412
判定船舶B所设定的航线不完全符合航距标准，向船舶B提出航线修改意见；若
Figure BDA00017799534300000413
此时直接拒绝船舶B的航线请求；
规则⑥：当船舶A、B的航线使用计划已定且符合前述各条规则，再有某船舶C预计到 达航点WPi的时间ETA插入在船舶A、B之间，有Ti (B)＞Ti (C)＞Ti (A)，则分别考虑船舶B、C 与船舶A、C的航距是否符合标准，具体判断方式如下：
船舶A、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300000414
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最 小间距为：
Figure BDA00017799534300000415
记
Figure BDA00017799534300000416
另
Figure BDA00017799534300000417
Disenvision(A，C)服从参数为
Figure BDA00017799534300000418
和
Figure BDA00017799534300000419
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(A，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300000420
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
船舶B、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300000421
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA0001779953430000051
记
Figure BDA0001779953430000052
另
Figure BDA0001779953430000053
Disenvision(B，C)服从参数为
Figure BDA0001779953430000054
和
Figure BDA0001779953430000055
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(B，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000056
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
情形①：当船舶C同时满足
Figure BDA0001779953430000057
和
Figure BDA0001779953430000058
两式，MTCH同意船舶C所申报的初始意向航线；
情形②：当船舶C满足
Figure BDA0001779953430000059
或
Figure BDA00017799534300000510
MTCH依据搜索算法搜寻是否有满足
Figure BDA00017799534300000511
和
Figure BDA00017799534300000512
的值，并向船舶C提出修改建议；
情形③：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300000513
和
Figure BDA00017799534300000514
MTCH拒绝船舶C所申报的初始意向航线；
情形④：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300000515
和
Figure BDA00017799534300000516
MTCH拒绝船舶C所申报的初始意向航线；
规则⑦：上述规则对WPi(i＝1,2,3.....n)都成立才能整体生效。
按上述系统，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供对终议航线执行 进度的监督机制，具体为：
针对任意一条终议航线，MTCH通过对所涉船舶的运动进行实时监控，同步掌握该条航 线的执行进度，并同时和终议航线的执行进度进行对比；船舶运动的状态基于船舶发出的AIS 信号来观测，借助AIS报文中的时间和位置信息，判断船舶运动和航线描述的偏离程度；一 旦船舶的实际航行的位置或到达规范航点的时间相对该条终议航线的描述产生的偏离超出了 允许值，MTCH将通过船-岸通信系统呼叫和提醒该条航线的船舶。
按上述系统，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供航线计划的重新 定制机制，具体为：
若在定线制水域发生了突发航行安全事件，MTCH将根据事件的严重程度，对正在执行 的航线和待执行的航线进行临时调整，并通知所有终议航线所涉及的船舶；对于正在执行的 航线，MTCH将分别为每艘船舶制定避让事故水域的应急方案，并广播给其他船舶；
对于尚未执行的航线，MTCH先告知所有涉及该航线的船舶，使其知晓已有的终议航线 均失效，然后按照下述步骤重新协商航线：
应急协商步骤1：对于每一条由于突发事件而被标记为失效的终议航线，MTCH将其广 播到辖区内其他将要使用该航线的船舶，同时依次向相关船舶发送更新的航线建议；
应急协商步骤2：船舶向MTCH响应航线建议：
若船舶接受航线建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条航线，MTCH确认船舶侧终端对航线的选择，作为新的终议航线存入航线数据库，并广播到辖区内的其他船舶；
若船舶拒绝接受航线建议，则向MTCH发送拒绝回复，此即意味着放弃航线的使用计划； 此后若还需使用该航线，则重新进行正常的航线申报流程。
附图说明
图1为本发明一实施例的架构图。
图2为本发明一实施例的方法流程图；其中2.1、2.2和2.3分别为3种情形。
图3为本发明一实施例的航线申报流程图。
图4为本发明一实施例的MTCH航线建议流程图。
图5为本发明一实施例的船岸航线信息协商流程图。
图6为本发明一实施例的船舶及航道位置图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种定线制条件下的航线交换系统，如图1所示，它包括：
MTCH(Marine Traffic Coordination HUB，岸基协调中心)，通过船-岸通信系统接收目标 船舶的初始意向航线，对目标船舶的初始意向航线进行优化并给出航线优化建议，在船岸协 商确定终议航线后将目标船舶的终议航线广播至辖区内的其他船舶，并通过动态监控系统保 持对目标船舶动态的实时监控；目标船舶指主动与MTCH取得联系并获得航线建议的船舶， 其他船舶是指已经针对定线制航道制订了航线计划的所有船舶，终议航线是指MTCH和目标 船舶都确定了的、将被执行的航线计划。所有的航线信息会显示在MTCH的电子海图系统中， 从而为MTCH的操作人员提供可视化的航线表示。
船舶侧终端，设置在船舶上用于通过船-岸通信系统与MTCH通信。例如向MTCH发送初始意向航线、接收MTCH发送的航线建议。所有的航线信息会显示在船载的电子海图系统中，从而在船舶操控台提供可视化的航线表示。在船-岸进行航线交换的协商过程中，船舶方 的决策在技术实现层面都是通过船舶侧终端与岸基进行数据交换。
船-岸通信系统，用于MTCH和船舶之间进行双向数据传输，是MTCH和船舶之间进行双向数据传输的通信链路，具体可包括多种可选的技术，如卫星通信、VDES(VHF DataExchange System)或运营商公网等。
所述的MTCH与船舶侧终端按以下步骤进行航线交换：
步骤1：目标船舶从MTCH处获取已登记、且尚未执行完成的定线制航线，并根据现有 航线及航行安全信息设计初始意向航线，向MTCH进行申报；
步骤2：MTCH收到航线申报请求，进行以下处理：
情形①：如图2.1所示，MTCH不同意目标船舶的初始意向航线，根据辖区交通流情况和 气象条件信息对该初始意向航线进行优化，并向目标船舶发送航线优化建议；航线优化建议 包括若干条与初始意向航线相似、但更满足对该定线制航道使用约束的航线；
目标船舶接收航线优化建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条航线，MTCH 将确认的该条航线定为终议航线，存储并通知目标船舶，然后将这条航线信息广播到辖区内 的其他船舶；或者拒绝所有航线优化建议，结束本轮航线交换过程，返回步骤1；
情形②：如图2.2所示，MTCH直接认可目标船舶的初始意向航线，将其定为终议航线并 通知目标船舶，然后将这条航线信息广播到辖区内的其他船舶；
情形③：如图2.3所示，MTCH不认可目标船舶的初始意向航线，也无法提供能够优化调 整的建议，则向目标船舶发送拒绝初始意向航线的消息，并提供拒绝理由，结束本轮航线交 换过程，返回步骤1。
按上述系统，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，为船舶侧终端提供有对终议航 线的撤销操作，具体如下：
当船舶侧终端撤销己方的终议航线时，MTCH在收到船舶侧终端对某条终议航线的撤销 操作后，将在本方的数据库中删除该条终议航线，然后将这条终议航线的删除信息广播到辖 区内的其他船舶；同时MTCH判断船舶侧终端的撤销操作的时间，若撤销操作的时间晚于该 条终议航线的执行时间之前的一个固定阈值，则记录该船舶的不良记录，对该条船舶在今后 申请航线计划时产生不利影响。
按上述系统，所述的定线制航线按以下规则表示和计算：
规则①：MTCH通过在航道入口、航道出口和航道转弯处设置规范航点，在各个规范航 点处生成目标船舶在同一确定位置的预计到达时间区间；在此表示方法中，确定位置即规范 航点，用表示WPi，预计到达时间用ETA(Estimated Time of Arrival)表示，范围区间为 [Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n，其中Ti-Δti表示最早预计到达时间，Ti+Δti表示最晚预计 到达时间；这种基于到达各个航点时间区间的航线表示方式还需要充分考虑其中的不确定性， 接下来的规则将予以补充。
规则②：MTCH规定如下的常量并通告给各个船舶：两艘船舶在定线制航道内安全航行 间距为Dissafe；设定船舶在定线制航道内允许的最小航行速度为Vmin，设定船舶在定线制航道 内允许的最大航行速度为Vmax；设定船舶预计到达指定航点WPi时间的许可度为1-ε，其中ε 是一个预设值，作为一个推荐值，ε可以取值为0.05；设定船舶预计到达指定航点WPi时间 的驳回度为1-γ，其中γ为一个大于ε的预设值，作为一个推荐值，γ可以取值为0.15。
任意一条定线制航线满足如下合理性检测：
航线计划不能超过最低、最高速度及安全航行间距的设限，检测方法如下：若有某船舶 A预计到达规范航点WPi的时间区间记为
Figure BDA0001779953430000081
则到达规范航点WPi+1的时 间区间记为
Figure BDA0001779953430000082
规范航点WPi与规范航点WPi+1的距离设为Disi，需满足 每一个WPi的预计到达时间区间
Figure BDA0001779953430000083
不能有重叠，其中i＝1,2,3.....n；还满 足
Figure BDA0001779953430000084
且
Figure BDA0001779953430000085
任意两条定线制航线满足如下合理性检测：
相邻的船舶不能在定线制航道内追越，检测方法如下：若有某两条船舶A、B进入起始 航点WP1的时间区间中点
Figure BDA0001779953430000086
对于其他航点WPi，i＝1,2,3.....n，船舶A预计到达时间 区间表示为
Figure BDA0001779953430000087
船舶B预计到达时间区间表示为
Figure BDA0001779953430000088
两条船在每个航点的时间区间中点Ti (A)和Ti (B)，都需满足Ti (B)>Ti (A)。
规则③：基于正态分布的估计来描述船舶执行航线的进程，并在此基础上实现定线制条 件对航线负载的计算；根据规则①的记法，用[Ti-Δti，Ti+Δti]表示目标船舶按照此区间上 时间以正态分布到达航点WPi；进一步，还假设定线制航道内各船舶到达各航点的时间服从 正态分布且相互独立，具体的参数和计算方法如下：
若有某船舶A，其未来到达航点WPi的时间为
Figure BDA0001779953430000091
该时间服从参数为Ti (A)和
Figure BDA0001779953430000092
的正 态分布，记作
Figure BDA0001779953430000093
其中
Figure BDA0001779953430000094
根据正态分布的基本性质，满足
Figure BDA0001779953430000095
此即是说，若取ε＝0.05，船舶A到达WPi的时间，以不 小于1-ε的可能性落入在区间
Figure BDA0001779953430000096
按照这种参数设定，船舶A到达WPi的时间区间以不小于1-ε的可能性符合规则①的表述。
规则④：根据规则①的记法，假定船舶A的航线已定，若船舶B未来到达WPi的时间
Figure BDA0001779953430000097
服从参数为Ti (B)和
Figure BDA0001779953430000098
的正态分布，其中
Figure BDA0001779953430000099
以不小于1-ε的可能性在区间
Figure BDA00017799534300000910
船舶B预计晚于船舶A到达航点WPi，即Ti (B)>Ti (A)；根据规则②的 要求，此时在每个航点之间的每段航程内，船舶A都保持行驶在船舶B前方。
规则⑤：按照规则①至④，若船舶A的航线已确定，船舶A、B计划到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300000911
则船舶B到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA00017799534300000912
记
Figure BDA00017799534300000913
另
Figure BDA00017799534300000914
根据正态分布的基本性质，Disenvision服从参数为
Figure BDA00017799534300000915
和
Figure BDA00017799534300000916
的正态分布的分布；若满 足P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300000917
其中Φ(x)是统计学中已确定的 函数，则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理；若满足
Figure BDA00017799534300000918
判定船舶B所设定的航线不完全符合航距标准，向船舶B提出航线修改意见，譬如可以均衡分配至其他较为空闲的航线，或者在满足规则①、②的前提下调整船舶B到达各个航点的时间区间，使之满足
Figure BDA00017799534300000919
若
Figure BDA00017799534300000920
此时直接拒绝船舶B的航线请求。
规则⑤的算法依据如下：
船舶A、B未来到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000101
则船舶B到达WPi时，与船舶A的 最小间距为：
Figure BDA0001779953430000102
记
Figure BDA0001779953430000103
另
Figure BDA0001779953430000104
Disenvision服从参数为
Figure BDA0001779953430000105
和
Figure BDA0001779953430000106
的正态分布的分布，记作
Figure BDA0001779953430000107
也可转化为标准正态分布如下：
Figure BDA0001779953430000108
根据正态分布的基本性质有，当
Figure BDA0001779953430000109
时，若满足 P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即如下式：
Figure BDA00017799534300001010
也即
Figure BDA00017799534300001011
则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理。
规则⑥：当船舶A、B的航线使用计划已定且符合前述各条规则，再有某船舶C预计到 达航点WPi的时间ETA插入在船舶A、B之间，有Ti (B)＞Ti (C)＞Ti (A)，则分别考虑船舶B、C 与船舶A、C的航距是否符合标准，具体判断方式如下：
船舶A、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300001012
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最 小间距为：
Figure BDA00017799534300001013
记
Figure BDA00017799534300001014
另
Figure BDA00017799534300001015
Figure BDA00017799534300001016
Figure BDA00017799534300001017
和
Figure BDA00017799534300001018
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(A，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300001019
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
船舶B、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000111
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA0001779953430000112
记
Figure BDA0001779953430000113
另
Figure BDA0001779953430000114
Disenvision(B，C)服从参数为
Figure BDA0001779953430000115
和
Figure BDA0001779953430000116
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(B，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000117
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
情形①：当船舶C同时满足
Figure BDA0001779953430000118
和
Figure BDA0001779953430000119
两式，MTCH同意船舶C所申报的航线；
情形②：当船舶C满足
Figure BDA00017799534300001110
或
Figure BDA00017799534300001111
MTCH依据搜索算法搜寻是否有满足
Figure BDA00017799534300001112
和
Figure BDA00017799534300001113
的值，并向船舶C提出修改建议；
情形③：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300001114
和
Figure BDA00017799534300001115
MTCH拒绝船舶C所申报的航线；
情形④：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300001116
和
Figure BDA00017799534300001117
MTCH拒绝船舶C所申报的航线；
规则⑦：上述规则对WPi(i＝1,2,3.....n)都成立才能整体生效。
优选的，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供对终议航线执行进度 的监督机制，具体为：针对任意一条终议航线，MTCH通过对所涉船舶的运动进行实时监控， 同步掌握该条航线的执行进度，并同时和终议航线的执行进度进行对比；船舶运动的状态基 于船舶发出的AIS信号来观测，借助AIS报文中的时间和位置信息，判断船舶运动和航线描 述的偏离程度；一旦船舶的实际航行的位置或到达规范航点的时间相对该条终议航线的描述 产生的偏离超出了允许值，MTCH将通过船-岸通信系统呼叫和提醒该条航线的船舶。
优选的，所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供航线计划的重新定制 机制，具体为：若在定线制水域发生了突发航行安全事件，MTCH将根据事件的严重程度， 对正在执行的航线和待执行的航线进行临时调整，并通知所有终议航线所涉及的船舶；对于 正在执行的航线，MTCH将分别为每艘船舶制定避让事故水域的应急方案，并广播给其他船 舶；
对于尚未执行的航线，MTCH先告知所有涉及船舶已有终议航线均失效，然后按照下述 步骤重新协商航线：
应急协商步骤1：对于每一条由于突发事件而被标记为失效的终议航线，并广播到下去 内的其他船舶，同时依次向相关船舶发送航线建议；
应急协商步骤2：船舶向MTCH响应航线建议：
若船舶接受航线建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条航线，MTCH确认船舶侧终端对航线的选择，作为新的终议航线存入航线数据库，并广播到辖区内的其他船舶；
若船舶拒绝接受航线建议，则向MTCH发送拒绝回复，并重新进行正常的航线申报流程。
定线制条件下的航线交换机制一般过程及船岸交流原语如下。
MTCH的岸端航线数据库中，包括航点i(i＝1,2,...,m)、航线c(c＝1,2,...,n)及船舶d(d＝1,2,...,k) 三方面的属性信息管理结构：
Junctioni＝{Positioni,JunctionIDi,Capacityi,SpeedMini,SpeedMaxi,ETAi}
Routec＝{Namec,Authorc,validityPeriodStartc,validityPeriodStopc}
Vesseld＝{Numberd,Typed,Displacementd,SpeedMaxd,SpeedMind}
上述结构中，航点信息结构包括的Positioni表示第i个航点的位置，准确的表示为经纬度 坐标，表示法为Positioni＝{Lati,Loni}；JunctionIDi表示第i个航点的名称；Capacityi表示第i 个航点后一段航道的容量；SpeedMini表示第i个航点的允许最小允许速度；SpeedMaxi表示 第i个航点的最大允许速度；ETAi表示第i个航点的预计到达时间；
航线信息结构包括的Namec表示第c条航线的航线名称，Authorc表示第c条航线的航线制 定者，validityPeriodStartc表示第c条航线的航线有效期开始时间，validityPeriodStopc表示第c 条航线的航线有效期终止时间；
船舶信息结构包括的Numberd表示第d艘船舶的船舶MMSI编号，Typed表示第d艘船舶 的船舶类型，Displacementd表示第d艘船舶的船舶吨位，SpeedMaxd表示第d艘船舶的船舶 最大速度，SpeedMind表示第d艘船舶的船舶最小速度。
图1为本发明航线交换机制架构图，其特征在于：它包括以下模块：
(1)MTCH，MTCH通过岸端通信设备接收船舶初始意向航线信息，并叠加显示在岸端显示 设备上，同时对目标船舶初始意向航线进行优化建议，在船岸协商确定终议航线后将目标船 舶终议航线信息广播至辖区内的其他船舶，并通过动态监控系统保持对目标船舶动态的实时 监控。
设置在MTCH的岸基通信设备，用于与船端通信设备进行数据传输，从船舶侧获取船舶 航线信息，发送航线建议、航行安全信息至船舶等；
设置在MTCH的岸基显示设备，用于显示岸基通信设备接收到的船舶航线信息、航行安 全信息等；
设置在MTCH的动态监控系统，用于在岸基显示设备上对船舶动态进行监管，一旦船舶 偏离协议航线，动态监控系统将进行报警；
设置在MTCH的岸端航线数据库，用于存储和调用所有参与本机制船舶的航线信息、航 行安全信息等。
(2)船舶侧，用于通过船端通信设备向MTCH发送初始意向航线信息，接收MTCH发送的航 线建议与航行风险，并显示在船端显示设备上。
设置在船端的船端通信设备，用于与岸基通信设备进行数据传输，发送船舶航线信息至 岸基通信设备，接收航线建议、航行安全信息等；
设置在船端的船端显示设备，用于显示自身船舶动态、建议航线信息、航线安全信息等；
设置在船端的船端航线管理模块，用于存储和调用自身船舶航线信息、航行安全信息等。
(3)MTCH与船舶侧的船岸之间的联系主要通过通信链路来完成，船与船之间、船与岸基之 间利用通信链路建立数据传输，AIS/VDES、VHF、卫星通信都能够提供海上通信服务。
图2为本发明航线交换机制流程图，其中包括船舶设计航线、航线申报、航线优化与建 议、航线确认、航线修改、修改后确定、航线广播与推送等流程。当MTCH感知到风险时，也会立即反馈到船舶并提出航线建议，与船舶协商确定新的航线，从而避险。
图3为本发明航线申报流程图，其中船舶在航行前从MTCH处获取现有航线，并根据现 有航线及航行安全信息设计意向航线。MTCH对船舶意向航线进行查看审核通过后，将其录 入岸端数据库中。意向航线可以调整航线数据，如名称，航点位置，弦长，平均航速以及预 计到达时间(Estimated Time of Arrival，ETA)。
图4为本发明MTCH航线建议流程图，其中MTCH通过从岸端相关数据部门获取实时特 殊情况信息，对船舶航线进行风险分析并提出航线建议。一旦发送了航线建议，MTCH可以 对航线交换状态进行监视。最初的状态将是“待处理”。MTCH除了能够监控航线建议的运行 状态之外，还可以查看当前数据库传输状态的消息如下：
a.未发送：MTCH没有正确连接到数据库。
b.发送：当邮件已提交到数据库时。
c.发送消息失败：发送消息时发生错误。
d.发送和接收：消息已成功发送并被数据库接收。
e.由船端发送和接收：当目标船舶收到消息时。
f.由船端发送并确认：当目标船舶收到并确认消息时。
图5为本发明船岸航线信息协商流程图，其中MTCH根据岸端数据库中的相关安全信息， 与船舶进行航线协商后，将修改航线存入系统数据库中。船岸航线信息协商过程包括以下具 体步骤：
(1)船舶接收航线建议信息；
(2)船舶确认航线建议信息，并响应航线建议。回复MTCH的选项可以是：
a.接受：将接受航线建议，并向MTCH中心发送回复。随后，MTCH可以根据建议修改现有的活动航线，或者简单地将建议的航线添加到系统中，使其成为活动航线。
b.拒绝：拒绝航线建议并向MTCH发送回复。
c.等待：将向MTCH中心发送短信，并说明航线建议将在以后处理；
(3)MTCH确认船舶航线更新信息，当目标船舶对优化航线建议作出回复时，MTCH可以 通过岸端通知中心接收。如果船舶拒绝MTCH发送的建议航线则监视船舶原来的航线，同时 航线建议的状态将在MTCH通知中心更新为“拒绝”。如果船舶选择接受，则建议航线将覆盖 船舶目前的航线，MTCH将收到“接受”的反馈信息，MTCH开始监测船舶；
(4)船舶确认航线更新信息，船舶在完成修改航线后，开始按照协定的建议航线航行，同时 MTCH的显示设备ECDIS上可以显示船舶的最新航线和航迹，通过对船舶航迹和建议航线的 时刻监视，了解船舶航行情况，一旦船舶偏离协议的建议航线，MTCH和船舶都会自动报警。
(5)MTCH和船舶侧的共同协商确认后，建议航线确定为终议航线，同时变更为新的船舶活 动航线。此时MTCH发出向辖区过往船舶进行终议航线广播。
所述航线许可标准计算方法如下：
若船舶A的航线已确定，船舶A、B计划到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000151
则船舶B到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA0001779953430000152
记
Figure BDA0001779953430000153
另
Figure BDA0001779953430000154
根据正态分布的基本性质，Disenvision服从参数为
Figure BDA0001779953430000155
和
Figure BDA0001779953430000156
的正态分布的分布。若满 足P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000157
其中Φ(x)是统计学中已确定的 函数，则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理；若满足
Figure BDA0001779953430000158
判定船舶B所设定的航线不完全符合航距标准，向船舶B提出航线修改意见，譬如可以均衡分配至其他较为空闲的航线，或者在满足规则①、②的前提下调整船舶B到达各个航点的时间区间，使之满足
Figure BDA0001779953430000159
若
Figure BDA00017799534300001510
此时直接拒绝船舶B的航线请求。
当船舶A、B的航线使用计划已定且符合前述各条规则，再有某船舶C预计到达航点WPi的时间ETA插入在船舶A、B之间，有Ti (B)＞Ti (C)＞Ti (A)，可分别考虑船舶B、C与船舶A、C 的航距是否符合标准，具体判断方式如下：
船舶A、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300001511
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最 小间距为：
Figure BDA00017799534300001512
记
Figure BDA00017799534300001513
另
Figure BDA00017799534300001514
Disenvision(A，C)服从参数为
Figure BDA00017799534300001515
和
Figure BDA00017799534300001516
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(A，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300001517
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
船舶B、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300001518
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA00017799534300001519
记
Figure BDA00017799534300001520
另
Figure BDA0001779953430000161
Disenvision(B，C)服从参数为
Figure BDA0001779953430000162
和
Figure BDA0001779953430000163
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(B，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000164
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
情形①：当船舶C同时满足
Figure BDA0001779953430000165
和
Figure BDA0001779953430000166
两式，MTCH同意船舶C所申报的航线；
情形②：当船舶C满足
Figure BDA0001779953430000167
或
Figure BDA0001779953430000168
MTCH可依据搜索算法搜寻是否有满足
Figure BDA0001779953430000169
和
Figure BDA00017799534300001610
的值，并向船舶C提出修改建议；
情形③：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300001611
和
Figure BDA00017799534300001612
MTCH将拒绝船舶C所申报的航线；
情形④：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300001613
和
Figure BDA00017799534300001614
MTCH也将拒绝船舶C所申报的航线。
下面给出成山角海域航道的具体实例。
定线制条件下的航线交换机制一般过程及船岸交流原语如下。
MTCH的岸端航线数据库中，包括航点i(i＝1,2,...,m)、航线c(c＝1,2,...,n)及船舶d(d＝1,2,...,k) 三方面的属性信息管理结构：
Junctioni＝{Positioni,JunctionIDi,Capacityi,SpeedMini,SpeedMaxi,ETAi}
Routec＝{Namec,Authorc,validityPeriodStartc,validityPeriodStopc}
Vesseld＝{Numberd,Typed,Displacementd,SpeedMaxd,SpeedMind}
上述结构中，航点信息结构包括的Positioni表示第i个航点的位置，准确的表示为经纬度 坐标，表示法为Positioni＝{Lati,Loni}；JunctionIDi表示第i个航点的名称；Capacityi表示第i 个航点后一段航道的容量；SpeedMini表示第i个航点的允许最小允许速度；SpeedMaxi表示 第i个航点的最大允许速度；ETAi表示第i个航点的预计到达时间；
航线信息结构包括的Namec表示第c条航线的航线名称，Authorc表示第c条航线的航线制 定者，validityPeriodStartc表示第c条航线的航线有效期开始时间，validityPeriodStopc表示第c 条航线的航线有效期终止时间；
船舶信息结构包括的Numberd表示第d艘船舶的船舶MMSI编号，Typed表示第d艘船舶 的船舶类型，Displacementd表示第d艘船舶的船舶吨位，SpeedMaxd表示第d艘船舶的船舶 最大速度，SpeedMind表示第d艘船舶的船舶最小速度。
步骤(A1)：船舶在航行前从MTCH处获取现有航线，并根据现有航线及航行安全信息 设计意向航线，向MTCH进行申报。申报的具体航线表示法为：
确定位置(即规范航点)可用表示wpi，预计到达时间用ETA表示，其范围区间为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n。类似的，MTCH可以拟定船舶航线的相关属性包括航点的位 置坐标pi(xi,yi)、航点名称wpi和船舶预计到达时间ETA，ETA的范围区间可表示为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n。所以船舶航线可表示为：
Figure BDA0001779953430000171
步骤(A2)：MTCH收到船舶的航线申报请求后，通过从岸端相关数据部门获取实时特殊 情况信息，对船舶航线进行风险分析并提出航线建议。MTCH提出具体航线建议表示法为：
Figure BDA0001779953430000172
其中，wpi表示确定位置(即规范航点)；pi(xi,yi)表示航点的位置坐标；ETA表示船舶预 计到达时间ETA的范围区间可表示为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n；Detail表示具体或其他 建议内容。
所述航线许可标准计算方法如下：
若船舶A的航线已确定，船舶A、B计划到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000173
则船舶B到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA0001779953430000174
记
Figure BDA0001779953430000175
另
Figure BDA0001779953430000181
根据正态分布的基本性质，Disenvision服从参数为
Figure BDA0001779953430000182
和
Figure BDA0001779953430000183
的正态分布的分布。若满 足P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000184
其中Φ(x)是统计学中已确定的 函数，则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理；若满足
Figure BDA0001779953430000185
判定船舶B所设定的航线不完全符合航距标准，向船舶B提出航线修改意见，譬如可以均衡分配至其他较为空闲的航线，或者在满足规则①、②的前提下调整船舶B到达各个航点的时间区间，使之满足
Figure BDA0001779953430000186
若
Figure BDA0001779953430000187
此时直接拒绝船舶B的航线请求。
当船舶A、B的航线使用计划已定且符合前述各条规则，再有某船舶C预计到达航点WPi的时间ETA插入在船舶A、B之间，有Ti (B)＞Ti (C)＞Ti (A)，可分别考虑船舶B、C与船舶A、C 的航距是否符合标准，具体判断方式如下：
船舶A、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA0001779953430000188
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最 小间距为：
Figure BDA0001779953430000189
记
Figure BDA00017799534300001810
另
Figure BDA00017799534300001811
Disenvision(A，C)服从参数为
Figure BDA00017799534300001812
和
Figure BDA00017799534300001813
的正态分布的分布，若满足 P(Disenvision(A，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA00017799534300001814
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
船舶B、C将到达航点WPi的时间差为
Figure BDA00017799534300001815
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure BDA00017799534300001816
记
Figure BDA00017799534300001817
另
Figure BDA00017799534300001818
Disenvision(B，C)服从参数为
Figure BDA00017799534300001819
和
Figure BDA00017799534300001820
的正态分布的分布，若满足P(Disenvision(B，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure BDA0001779953430000191
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
情形①：当船舶C同时满足
Figure BDA0001779953430000192
和
Figure BDA0001779953430000193
两式，MTCH同意船舶C所申报的航线；
情形②：当船舶C满足
Figure BDA0001779953430000194
或
Figure BDA0001779953430000195
MTCH可依据搜索算法搜寻是否有满足
Figure BDA0001779953430000196
和
Figure BDA0001779953430000197
的值，并向船舶C提出修改建议；
情形③：当船舶C同时满足
Figure BDA0001779953430000198
和
Figure BDA0001779953430000199
MTCH将拒绝船舶C所申报的航线；
情形④：当船舶C同时满足
Figure BDA00017799534300001910
和
Figure BDA00017799534300001911
MTCH也将拒绝船舶C所申报的航线。
步骤(A3)：船舶确认航线建议信息，并响应航线建议。回复MTCH的具体内容表示为：
Reply＝{Accept/Refuse/Wait，Detail}
Accept代表船舶接受MTCH的航线建议。随后，MTCH可以根据建议修改现有的活动航线，使其成为活动航线；Refuse表示拒绝航线建议；Wait表示航线建议将在稍后处理；Detail表示具体或其他原因。
当船舶回复Accept时，步骤将转入(A4)；当船舶回复Refuse时，需重新对航线进行设 计并再次申报航线，即回到步骤(A2)；当船舶回复Wait时，MTCH需向船舶询问具体原因。
步骤(A4)：MTCH确认船舶航线更新信息，当目标船舶对优化航线建议作出回复时，MTCH可以通过岸端通知中心接收。如果船舶回复“拒绝”或“等待”时需解释具体原因，MTCH将监视船舶原来的航线，同时航线建议的状态将在MTCH通知中心更新为“拒绝”或“等待”。如果船舶选择接受，则建议航线将覆盖船舶目前的航线，MTCH将收到“接受”的反馈信息，MTCH开始监测船舶更新后的航线。
步骤(A5)：船舶确认航线更新信息，船舶在完成修改航线后，开始按照协定的建议航 线航行，同时MTCH的显示设备ECDIS上可以显示船舶的最新航线和航迹，通过对船舶航迹和建议航线的时刻监视，了解船舶航行情况，一旦船舶偏离协议的建议航线，MTCH和船舶都会自动报警。
步骤(A6)：MTCH和船舶侧的共同协商确认后，建议航线确定为终议航线，同时变更为新的船舶活动航线，此时MTCH将终议航线在岸端数据库进行备案同时向辖区过往船舶进行终议航线广播。具体备案与广播的终议航线表示为：
Figure BDA0001779953430000201
其中，确定位置(即规范航点)表示为wpi；预计到达时间用ETA表示，其范围区间为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n；航点的位置坐标表示为pi(xi,yi)；航点名称表示为wpi；船 舶预计到达时间表示为ETA，具体的，ETA的范围区间可表示为(ti±Δt)，i＝1,2,3.....n。
特殊情况下的处理：
特殊情形1：当MTCH在对更新后的航线进行监控过程中，获取到一些临时特殊情况信 息，如前方有渔船占用船舶航线，需对船舶航线进行一个紧急调整，此时临时发送的警告信 息具体表示为：
Figure BDA0001779953430000202
其中，wpi表示确定位置(即规范航点)；pi(xi,yi)表示航点的位置坐标；ETA表示船舶预 计到达时间ETA的范围区间可表示为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n；Detail表示具体或其他 警告内容。
特殊情形2：当某条航道出现满负载情况，依然申请此条航道的船舶将接收到MTCH的 航道建议，即建议驶入另一空闲航道，实现负载均衡，此时具体建议信息表示为：
Figure BDA0001779953430000203
其中，Channeli表示推荐第i条航道；Detail表示具体或其他建议内容。
图6为实例船舶及航道位置图，图中所示航道为成山角海域分道通航的具体情况，每条 航道皆是单向且不可追越的，其中每个航点都由MTCH制定，供来往船舶选取，便于船舶意 向航线的申报。如图6所示的船舶A、船舶B、船舶C都是同向船舶，如下表1为船舶A具体参数、表2为船舶B具体参数、表3为船舶C具体参数：
表1船舶A具体参数
参数名称 参数值
Number 104973171
Type Normal
Displacement 120,000GT
SpeedMax 16km/h
SpeedMin 5km/h
表2船舶A具体参数
参数名称 参数值
Number 104973172
Type Normal
Displacement 100,000GT
SpeedMax 18km/h
SpeedMin 6km/h
表3船舶A具体参数
参数名称 参数值
Number 104973173
Type Normal
Displacement 110,000GT
SpeedMax 15km/h
SpeedMin 8km/h
实例中其他参数：设定当前图6船舶所处位置时刻为2016-6-6 12:10:00，船舶A经纬度 坐标为(37°36'.11N,122°19'.11E)，船舶B经纬度坐标为(37°34'.23N,122°23'.30E)，船舶C 经纬度坐标为(37°38'.60N,122°22'.28E)。
所涉实例中，船舶航线交换机制过程如下：
步骤(A1)：船舶A在航行前从MTCH处获取现有航线，并根据现有航线及航行安全信息设计意向航线并申报，申报的意向航线为：
ROUTE1＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:20:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:25:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:30:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°01'.60N，122°56'.60E),[12:40:00±Δ00:02:00]＞}
船舶B申报的意向航线为：
ROUTE2＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:14:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:19:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:24:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:29:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°08'.60N，122°52'.60E),[12:34:00±Δ00:02:00]＞}
船舶C申报的意向航线为：
ROUTE3＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:19:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:24:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:29:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:34:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°08'.60N，122°52'.60E),[12:39:00±Δ00:02:00]＞}
步骤(A2)：MTCH收到各船舶的航线申报请求后，通过从岸端相关数据部门获取实时特 殊情况信息，发现船舶A航线将侵占相邻航道，向船舶A提出航线建议：
Suggestion＝{＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:35:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°01'.60N，122°56'.60E),[12:40:00±Δ00:02:00]＞}
同时，实例中设置船舶安全航行间距为0.75km，船舶在定线制航道内允许的最大航行速 度为15km/h，船舶在定线制航道内允许的最小航行速度为8km/h，
Figure BDA0001779953430000221
另
Figure BDA0001779953430000222
取
Figure BDA0001779953430000223
Figure BDA0001779953430000224
ε＝0.05，γ＝0.15。则此时σi′＝0.192，
Figure BDA0001779953430000225
将上述值带入公式，求得
Figure BDA0001779953430000226
判定船舶B与船舶A请求航 点时间间隔过短，拒绝船舶B的航线请求。同时计算当
Figure BDA0001779953430000227
时，根据公式 求得船舶B建议时间，向船舶B提出航线建议：
Suggestion＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:12:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:17:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:22:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:27:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°08'.60N，122°52'.60E),[12:32:48±Δ00:02:00]＞}
计算船舶C：
Figure BDA0001779953430000231
此时启用负载均衡规则以及就近选择 原则，将ETA过密的船舶均衡分配至其他空闲航点，所以MTCH向船舶C提出航道建议：
Suggestion＝{Channel2,Free}
步骤(A3)：船舶A、船舶B、船舶C分别确认航线建议信息，并接受航线建议。回复MTCH的具体内容表示为：
Reply＝{Accept，None}
步骤(A4)：MTCH确认各船舶航线更新信息，建议航线覆盖船舶目前的航线，MTCH收到“接受”的反馈信息，MTCH开始监测船舶更新后的航线。
步骤(A5)：船舶A、船舶B、船舶C分别确认航线更新信息，船舶在完成修改航线后，开始按照协定的建议航线航行。
步骤(A6)：MTCH和船舶侧的共同协商确认后，建议航线确定为终议航线，同时变更为新的船舶活动航线，MTCH将终议航线在岸端数据库进行备案同时向辖区过往船舶进行终议航线广播。具体备案与广播的终议航线表示为：
ROUTE1＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:20:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:25:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:30:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:35:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°01'.60N，122°56'.60E),[12:40:00±Δ00:02:00]＞}
Suggestion＝{＜WP1-001,p1(37°38'.20N,122°435'.13E),[12:12:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-002,p2(37°29'.69N,122°44'.13E),[12:17:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-003,p3(37°24'.49N，122°45'.91E),[12:22:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-004,p4(37°11'.60N，122°45'.91E),[12:27:48±Δ00:02:00]＞，
＜WP1-005,p5(37°08'.60N，122°52'.60E),[12:32:48±Δ00:02:00]＞}
ROUTE3＝{＜WP2-001,p1(37°38'.82N，122°47'.76E),[12:19:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP2-002,p2(37°38'.30N,122°51'.00E),[12:24:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP2-003,p3(37°31'.08N，122°56'.60E),[12:29:00±Δ00:02:00]＞，
＜WP2-004,p4(37°11'.60N，122°56'.60E),[12:34:00±Δ00:02:00]＞}
综上，本发明提供的定线制条件下的航线交换系统，使船舶能够将初始意向航线发送至 公共的协调机构，协调机构根据实时气象、交通流和禁航区等信息优化目标船舶的初始意向 航线并通告给该航线的相关船舶，从而使这些船舶能够在一个公共的平台上掌握航线的使用 情况。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能 够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发 明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种定线制条件下的航线交换系统，其特征在于：它包括：
MTCH，通过船-岸通信系统接收目标船舶的初始意向航线，对目标船舶的初始意向航线进行优化并给出航线优化建议，在船岸协商确定终议航线后将目标船舶的终议航线广播至辖区内的其他船舶，并通过动态监控系统保持对目标船舶动态的实时监控；MTCH是指岸基协调中心；目标船舶指主动与MTCH取得联系并获得航线建议的船舶，其他船舶是指已经针对定线制航道制订了航线计划的所有船舶，终议航线是指MTCH和目标船舶都确定了的、将被执行的航线计划；删除航线是指当船舶侧终端撤销己方的终议航线时，MTCH在收到撤销操作后，将在本方的数据库中删除该条终议航线，并将删除信息广播到辖区内的其他船舶；船舶侧终端，设置在船舶上用于通过船-岸通信系统与MTCH通信；
船-岸通信系统，用于MTCH和船舶之间进行双向数据传输；
所述的MTCH与船舶侧终端按以下步骤进行航线交换：
步骤1：目标船舶从MTCH处获取已登记、且尚未执行完成的定线制航线，并根据现有航线及航行安全信息设计初始意向航线，向MTCH进行申报；
步骤2：MTCH收到航线申报请求，进行以下处理：
情形①：MTCH不同意目标船舶的初始意向航线，根据辖区交通流情况和气象条件信息对该初始意向航线进行优化，并向目标船舶发送航线优化建议；航线优化建议包括若干条与初始意向航线相似、但更满足对该定线制航道使用约束的航线；
目标船舶接收航线优化建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条航线，MTCH将确认的该条航线定为终议航线，存储并通知目标船舶，然后将这条航线信息广播到辖区内的其他船舶；或者拒绝所有航线优化建议，结束本轮航线交换过程，返回步骤1；
情形②：MTCH直接认可目标船舶的初始意向航线，将其定为终议航线并通知目标船舶，然后将这条航线信息广播到辖区内的其他船舶；
情形③：MTCH不认可目标船舶的初始意向航线，也无法提供能够优化调整的建议，则向目标船舶发送拒绝初始意向航线的消息，并提供拒绝理由，结束本轮航线交换过程，返回步骤1；
所述的定线制航线按以下规则表示和计算：
规则①：MTCH通过在航道入口、航道出口和航道转弯处设置规范航点，在各个规范航点处生成目标船舶在同一确定位置的预计到达时间区间；在此表示方法中，确定位置即规范航点，用表示WPi，预计到达时间用ETA表示，范围区间为[Ti-Δti，Ti+Δti]，i＝1,2,3.....n，其中Ti-Δti表示最早预计到达时间，Ti+Δti表示最晚预计到达时间；
规则②：MTCH规定如下的常量并通告给各个船舶：两艘船舶在定线制航道内安全航行间距为Dissafe；设定船舶在定线制航道内允许的最小航行速度为Vmin，设定船舶在定线制航道内允许的最大航行速度为Vmax；设定船舶预计到达指定航点WPi时间的许可度为1-ε，其中ε是一个预设值，介于0.05与0.1之间；设定船舶预计到达指定航点WPi时间的驳回度为1-γ，其中γ为一个大于ε的预设值；
任意一条定线制航线满足如下合理性检测：
航线计划不能超过最低、最高速度及安全航行间距的设限，检测方法如下：若有某船舶A预计到达规范航点WPi的时间区间记为
Figure FDA0002930723960000021
则到达规范航点WPi+1的时间区间记为
Figure FDA0002930723960000022
规范航点WPi与规范航点WPi+1的距离设为Disi，需满足每一个WPi的预计到达时间区间
Figure FDA0002930723960000023
不能有重叠，其中i＝1,2,3.....n；还满足
Figure FDA0002930723960000024
且
Figure FDA0002930723960000025
任意两条定线制航线满足如下合理性检测：
相邻的船舶不能在定线制航道内追越，检测方法如下：若有某两条船舶A、B进入起始航点WP1的时间区间中点
Figure FDA0002930723960000026
对于其他航点WPi，i＝1,2,3.....n，船舶A预计到达时间区间表示为
Figure FDA0002930723960000027
船舶B预计到达时间区间表示为
Figure FDA0002930723960000028
两条船在每个航点的时间区间中点
Figure FDA0002930723960000029
和
Figure FDA00029307239600000210
都需满足
Figure FDA00029307239600000211
规则③：基于正态分布的估计来描述船舶执行航线的进程，并在此基础上实现定线制条件对航线负载的计算；根据规则①的记法，用[Ti-Δti，Ti+Δti]表示目标船舶按照此区间上时间以正态分布到达航点WPi；进一步，还假设定线制航道内各船舶到达各航点的时间服从正态分布且相互独立，具体的参数和计算方法如下：
若有某船舶A，其未来到达航点WPi的时间为
Figure FDA00029307239600000212
该时间服从参数为
Figure FDA00029307239600000213
和
Figure FDA00029307239600000214
的正态分布，记作
Figure FDA00029307239600000215
其中
Figure FDA00029307239600000216
规则④：根据规则③的记法，假定船舶A的航线已定，若船舶B未来到达WPi的时间
Figure FDA00029307239600000217
服从参数为
Figure FDA0002930723960000031
和
Figure FDA0002930723960000032
的正态分布，其中
Figure FDA0002930723960000033
以不小于1-ε的可能性在区间
Figure FDA0002930723960000034
船舶B预计晚于船舶A到达航点WPi，即
Figure FDA0002930723960000035
根据规则②的要求，此时在每个航点之间的每段航程内，船舶A都保持行驶在船舶B前方；
规则⑤：按照规则①至④，若船舶A的航线已确定，船舶A、B计划到达航点WPi的时间差为
Figure FDA0002930723960000036
则船舶B到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure FDA0002930723960000037
记
Figure FDA0002930723960000038
另
Figure FDA0002930723960000039
根据正态分布的基本性质，Disenvision服从参数为
Figure FDA00029307239600000310
和
Figure FDA00029307239600000311
的正态分布的分布；若满足P(Disenvision≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure FDA00029307239600000312
其中Φ(x)是统计学中已确定的函数，则认为在航点WPi船舶B与船舶A之间的间距合理；若满足
Figure FDA00029307239600000313
判定船舶B所设定的航线不完全符合航距标准，向船舶B提出航线修改意见；若
Figure FDA00029307239600000314
此时直接拒绝船舶B的航线请求；
规则⑥：当船舶A、B的航线使用计划已定且符合前述各条规则，再有某船舶C预计到达航点WPi的时间ETA插入在船舶A、B之间，有
Figure FDA00029307239600000315
则分别考虑船舶B、C与船舶A、C的航距是否符合标准，具体判断方式如下：
船舶A、C将到达航点WPi的时间差为
Figure FDA00029307239600000316
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure FDA00029307239600000317
记
Figure FDA00029307239600000318
另
Figure FDA00029307239600000319
Disenvision(A，C)服从参数为
Figure FDA00029307239600000320
和
Figure FDA00029307239600000321
的正态分布的分布，若满足P(Disenvision(A，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure FDA00029307239600000322
则认为在航点WPi船舶A与船舶C之间的间距合理；
船舶B、C将到达航点WPi的时间差为
Figure FDA00029307239600000323
则船舶C到达WPi时，与船舶A的最小间距为：
Figure FDA00029307239600000324
记
Figure FDA00029307239600000325
另
Figure FDA0002930723960000041
Disenvision(B，C)服从参数为
Figure FDA0002930723960000042
和
Figure FDA0002930723960000043
的正态分布的分布，若满足P(Disenvision(B，C)≥Dissafe)≥1-ε，也即
Figure FDA0002930723960000044
则认为在航点WPi船舶B与船舶C之间的间距合理；
情形①：当船舶C同时满足
Figure FDA00029307239600000415
和
Figure FDA00029307239600000416
两式，MTCH同意船舶C所申报的初始意向航线；
情形②：当船舶C满足
Figure FDA0002930723960000047
或
Figure FDA0002930723960000048
MTCH依据搜索算法搜寻是否有满足
Figure FDA0002930723960000049
和
Figure FDA00029307239600000410
的值，并向船舶C提出修改建议；
情形③：当船舶C同时满足
Figure FDA00029307239600000417
和
Figure FDA00029307239600000412
MTCH拒绝船舶C所申报的初始意向航线；
情形④：当船舶C同时满足
Figure FDA00029307239600000413
和
Figure FDA00029307239600000414
MTCH拒绝船舶C所申报的初始意向航线；
规则⑦：上述规则对WPi(i＝1,2,3.....n)都成立才能整体生效。
2.根据权利要求1所述的定线制条件下的航线交换系统，其特征在于：所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，为船舶侧终端提供有对终议航线的撤销操作，具体如下：
当船舶侧终端撤销己方的终议航线时，MTCH在收到船舶侧终端对某条终议航线的撤销操作后，将在本方的数据库中删除该条终议航线，然后将这条终议航线的删除信息广播到辖区内的其他船舶；
同时MTCH判断船舶侧终端的撤销操作的时间，若撤销操作的时间晚于该条终议航线的执行时间之前的一个固定阈值，则记录该船舶的不良记录。
3.根据权利要求1所述的定线制条件下的航线交换系统，其特征在于：所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供对终议航线执行进度的监督机制，具体为：
针对任意一条终议航线，MTCH通过对所涉船舶的运动进行实时监控，同步掌握该条终议航线的执行进度，并同时和终议航线的执行进度进行对比；船舶运动的状态基于船舶发出的AIS信号来观测，借助AIS报文中的时间和位置信息，判断船舶运动和终议航线描述的偏离程度；一旦船舶的实际航行的位置或到达规范航点的时间相对该条终议航线的描述产生的偏离超出了允许值，MTCH将通过船-岸通信系统呼叫和提醒该条终议航线的船舶。
4.根据权利要求1所述的定线制条件下的航线交换系统，其特征在于：所述的MTCH与船舶侧终端在航线交换时，本系统还提供航线计划的重新定制机制，具体为：
若在定线制水域发生了突发航行安全事件，MTCH将根据事件的严重程度，对正在执行的终议航线和待执行的终议航线进行临时调整，并通知所有终议航线所涉及的船舶；对于正在执行的终议航线，MTCH将分别为每艘船舶制定避让事故水域的应急方案，并广播给其他船舶；
对于尚未执行的终议航线，MTCH先告知所有涉及该航线的船舶，使其知晓已有的终议航线均失效，然后按照下述步骤重新协商航线：
应急协商步骤1：对于每一条由于突发事件而被标记为失效的终议航线，MTCH将其广播到辖区内其他将要使用该终议航线的船舶，同时依次向相关船舶发送更新的航线建议；
应急协商步骤2：船舶向MTCH响应航线建议：
若船舶接受航线建议，选择其中一条，并向MTCH发送回复确认该条更新的航线，MTCH确认船舶侧终端对更新的航线的选择，作为新的终议航线存入航线数据库，并广播到辖区内的其他船舶；
若船舶拒绝接受航线建议，则向MTCH发送拒绝回复，此即意味着放弃更新的航线的使用计划；此后若还需使用该更新的航线，则重新进行正常的航线申报流程。
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