CN109887339A - 一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法，建立船舶潜在危险评判阈值SDA量化模型、船舶潜在危险评判模型、船舶碰撞危险度评判阈值模型、初始参考船判定模型，通过所建立的模型对会遇局面和避让方案进行避让效果预测。若避让效果处于安全、次安全或欠安全等级则说明避让方案可行，若处于不安全则启动紧迫危险协调避让方案。通过上述方法，本发明既可以对当前会遇态势下本船采取措施的紧迫程度进行评估，又可以对PIDVCA决策算法形成的避让决策的避让效果进行评估，以确保本船安全避让。采用客观和主观相结合，通过船舶相对运动矢量几何图解分析，综合考虑实际会遇场景，关联改向避让行为，使最终避让决策更加安全经济科学。

Description

一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法

技术领域

本发明涉及交通信息工程及控制与载运工具运用工程交叉学科的船舶航行安全技术领域，特别是指一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法。

背景技术

目前两船之间是否存在潜在碰撞危险及危险度的评判机制：当两船的DCPA小于设置的最小安全会遇距离MINCPA(SDA)且TCPA小于设置的MINTCPA时，系统发出碰撞危险报警。对于两船会遇情况来船的尺度大小、速度快慢以及会遇态势不同，本船驾驶员对两船是否存在潜在碰撞危险的感受度不一样，即对会遇时的MINCPA及MINTCPA有不同的要求，例如对小船或慢船或追越他船情景的MINCPA及MINTCPA可以减小，对于大船或快船或交叉局面，MINCPA及MINTCPA必然要求设置大些。

现有雷达、ARPA功能及岸基VTS的碰撞危险预警及危险度评判机制存在以下不足：1、未能充分考虑目标船尺度大小、速度快慢、会遇态势等因素的不同影响程度，对所有船舶都设置相同的危险评判阈值并不合理且不具科学性；2、没有考虑避让的难易程度，评判结果具有局限性。

有鉴于此，本发明人针对上述结构设计/问题上未臻完善所导致的诸多缺失及不便，而深入构思，且积极研究改良试做而开发设计出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法，既可以对当前会遇态势下本船采取措施的紧迫程度进行评估又可以对PIDVCA决策算法形成的避让决策的避让效果进行评估，以确保本船安全避让。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法，基于PIDVCA相关基础模型及算法，其包括以下步骤：

步骤S1.建立船舶碰撞危险及危险度评判阈值概念及其量化模型

S1-1.建立船舶潜在危险评判阈值量化模型

定义安全会遇距离最大值SDA_max、临界安全会遇距离SDA_L和碰撞临界距离SDA_min，建立船舶潜在危险评判阈值SDA模型；其中，SDA_L＝SDA_min+SM_min，SDA_L定义为两船不采取避让措施且能够通过时的最小容忍距离，通过问卷调查获取，SM_min是两船会遇时安全通过时边缘最小富余量，是从SDA_L中提取的驾驶员对危险感受度的主观成分，根据实际会遇情况对SM_min进行个性化调整，使得SDA_L阈值呈现个性化设置；SDA_max＝SDA_L+SM_C，其中SM_C为改向避让操纵余量；

S1-2.船舶潜在碰撞危险评判模型

以SDA的模糊内边界作为潜在碰撞危险评判阈值，建立船舶潜在碰撞危险评判模型如下：

DCPA[i]<SDA_L and TCPA[i]>0

其中，DCPA[i]为与目标船i的会遇距离；TCPA[i]为与目标船i的会遇时间；

S1-3.建立船舶碰撞危险度评判阈值模型

通过定义一般危险临界距离Dis对应最佳初始施舵时机Tisd(SDA_max)、紧迫局面最大临界距离Dcqs对应最晚施舵时机的临界最小值Tln_min(SDA_max)、紧迫局面最小临界距离Dcqs’对应最晚施舵时机的最小值Tln_min’(SDA_L)以及紧迫危险临界距离Did对应最晚施舵时机的最大值Tln_max(SDA_min)，通过船舶相对运动矢量几何图解分析，对《规则》中的一般危险、紧迫局面和紧迫危险进行合理量化，构建船舶碰撞危险度评判阈值模型：

(1)碰撞危险度评判：

当Dcqs<R<Dis或Tisd(SDA_max)<0且Tln>Tln_min(SDA_max)时，其危险度评判等级为一级；

当Dcqs’<R<Dcqs或Tln∈{Tln_min(SDA_max),Tln_min’(SDA_L)}时，其危险度评判等级为二级；

当Did<R<Dcqs’或Tln∈{Tln_min’(SDA_L),Tln_max(SDA_min)}时，其危险度评判等级为三级；

当R>Did或Tln<Tln_max(SDA_min)时，其危险度评判等级为四级；

其中R为两船当前距离，Tln为最晚施舵时机；

(2)避让效果安全等级预测：

当DCPA_n>＝SDA_max，避让方案的安全等级为安全；

当SDA_L<＝DCPA_n<SDA_max，避让方案的安全等级为次安全；

当SDA_min<＝DCPA_n<SDA_L，避让方案的安全等级为欠安全；

当DCPA_n<SDA_min，避让方案的安全等级为不安全；

其中DCPA_n为与碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船的会遇距离；

S1-4.建立初始参考船判定模型

针对多危险船会遇局面，按照初始参考目标船确定避碰方案，通过定义初始施舵时机Tisr，提出以Tisr作为衡量多目标船碰撞危险度大小的依据，其值愈小，碰撞危险度愈大，其初始参考目标船的判定依据为：

MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}

其中n指碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船，N为危险目标船的总数量，i的取值为1至N之间的整数；

步骤S2.船舶碰撞危险及危险度评估

S2-1.通过船舶潜在危险评判模型判断本船是否存在碰撞危险，若是，则转S2-2；

S2-2.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对本船当前碰撞的危险度进行评判，判断是否错过最佳施舵时机，若否，则根据最佳施舵时机及改向幅度确定避让方案，并转S2-4；若是，则得出当前危险度评判等级，并转S2-3；

S2-3.根据当前会遇情景判断两船会遇还是多船会遇局面，若是两船会遇局面，根据施舵时机为零确定避让方案，并转S2-4；若是多船会遇局面，通过初始参考船判定模型，根据初始施舵时机Tisr以及MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}确定避让重点船，形成初始避让方案，并按初始避让方案执行，通过船舶潜在危险评判阈值量化模型判断是否构成新危险，若是，转S2-2；若否，转S2-4；

S2-4.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对避让方案进行避让效果预测，若避让效果等级为安全、次安全或欠安全等级，则说明避让方案可行，输出避让方案；若避让效果等级为不安全，则执行紧迫协调避让方案。

采用上述方法后，本发明既可以对当前会遇态势下本船采取措施的紧迫程度进行评估又可以对PIDVCA决策算法形成的避让决策的避让效果进行评估，以确保本船安全避让。通过采用客观和主观相结合的方式，综合考虑本船和目标船速度、船舶尺度、会遇态势及本船操纵性能，关联改向避让行为对船舶相对运动矢量几何图解分析，将《规则》中的概念进行合理量化，建立船舶潜在碰撞危险评判阈值模型和危险度评判阈值模型，经评估体系优化后的PIDVCA算法形成的避让决策更加安全、经济、科学。

附图说明

图1为本发明具体实施例关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法流程图；

图2为本发明具体实施例本船过目标船船尾几何示意图(一)；

图3为本发明具体实施例本船过目标船船尾几何示意图(二)；

图4为本发明具体实施例本船过目标船船首几何示意图(一)；

图5为本发明具体实施例本船过目标船船首几何示意图(二)；

图6为本发明具体实施例计算安全操纵余量SM_C几何示意图；

图7为本发明具体实施例船舶碰撞危险及危险度阈值(及其避碰行为效果预测)动态评判示意图；

图8为本发明具体实施例紧迫局面最大临界距离量化几何示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。以下先明确下文中缩略语和关键术语定义：

PIDVCA——Personifying Intelligent Decision-making for VesselCollision Avoidance，中文全称“船舶拟人智能避碰决策”。

一般危险——定义本船最佳改向距离起至紧迫局面形成前属于一般危险。

紧迫局面——以本船全速满舵改向90°或DCPA变化最大且小于90°的最大改向角避让能在SDA_max通过的两船距离作为紧迫局面最大临界距离Dcqs，当R<＝Dcqs且R>Did(紧迫危险最大临界距离)时，两船陷入紧迫局面。

紧迫危险——指单靠一船的行动不能避免碰撞。定义以本船全速满舵改向90°或DCPA变化最大且小于90°的最大改向角避让能在SDA_min通过的两船距离作为紧迫危险临界距离Did，当R<Did时，两船陷入紧迫危险。

《规则》——《国际海上避碰规则》。

本发明为一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法，如图1所示，基于PIDVCA相关基础模型及算法，其包括以下步骤：

步骤S1.船舶碰撞危险及危险度评判阈值概念及其量化模型(建立相关模型)

S1-1.建立船舶潜在危险评判阈值SDA量化模型

定义安全会遇距离最大值SDA_max、临界安全会遇距离SDA_L和碰撞临界距离SDA_min，建立船舶潜在危险评判阈值SDA模型；其中，SDA_L＝SDA_min+SM_min，SDA_L定义为两船不采取避让措施且能够通过时的最小容忍距离，通过问卷调查获取，SM_min是两船会遇时安全通过时边缘最小富余量，是从SDA_L中提取的驾驶员对危险感受度的主观成分，在实际应用中，系统可根据水域、会遇局面以及驾驶员的航行经验(离线获得经验系数)对SMmin进行个性化调整，使得SDA_L阈值呈现个性化设置；SDA_max＝SDA_L+SM_C，其中SM_C为改向避让操纵余量。

S1-2.船舶潜在碰撞危险评判模型

以临界安全会遇距离SDA_L作为潜在碰撞危险评判阈值，建立船舶潜在碰撞危险评判模型如下：

DCPA[i]<SDA_L and TCPA[i]>0

其中，DCPA[i]为与目标船i的会遇距离；TCPA[i]为与目标船i的会遇时间；

S1-3.建立船舶碰撞危险度评判阈值模型

通过定义一般危险临界距离Dis对应最佳初始施舵时机Tisd(SDA_max)、紧迫局面最大临界距离Dcqs对应最晚施舵时机的临界最小值Tln_min(SDA_max)、紧迫局面最小临界距离Dcqs’对应最晚施舵时机的最小值Tln_min’(SDA_L)以及紧迫危险临界距离Did对应最晚施舵时机的最大值Tln_max(SDA_min)，通过船舶相对运动矢量几何图解分析，对《规则》中的一般危险、紧迫局面和紧迫危险进行合理量化，构建船舶碰撞危险度评判阈值模型：

碰撞危险度评判：

当Dcqs<R<Dis或Tisd(SDA_max)<0且Tln>Tln_min(SDA_max)时，其危险度评判等级为一级；

当Dcqs’<R<Dcqs或Tln∈{Tln_min(SDA_max),Tln_min’(SDA_L)}时，其危险度评判等级为二级；

当Did<R<Dcqs’或Tln∈{Tln_min’(SDA_L),Tln_max(SDA_min)}时，其危险度评判等级为三级；

当R>Did或Tln<Tln_max(SDA_min)时，其危险度评判等级为四级；

其中R为两船当前距离，Tln为最晚施舵时机；

避让效果安全等级预测：

当DCPA_n>＝SDA_max，避让方案的安全等级为安全；

当SDA_L<＝DCPA_n<SDA_max，避让方案的安全等级为次安全；

当SDA_min<＝DCPA_n<SDA_L，避让方案的安全等级为欠安全；

当DCPA_n<SDA_min，避让方案的安全等级为不安全；

其中DCPA_n为与碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船的会遇距离；最佳初始施舵时机Tisd，指的是按照《规则》精神本船所应采取的避让改向角定义为最佳初始改向角所对应的最佳初始施舵时机；最晚施舵时机Tln，指的是按照《规则》精神本船全速满舵改向90°或Cm(特殊交会特征DCPA变化最大且小于90°的最大改向角)在SDA外通过所对应的施舵时机。

(1)碰撞临界距离SDA_min的量化说明：

①本船过目标船尾的SDA_min的计算方法：

a.当本船与目标船航向夹角α(C_t为目标船船艏向，C₀为本船船艏向，α为从本船船艏向沿顺时针方向到目标船船艏向夹角，当C_t-C₀＞0时，α＝C_t-C₀否则α＝C_t-C₀+360°，下同)满足θ₁≤α<180°-θ₁且过目标船尾时，θ₁＝tan^-1B_t/L_t。几何关系如图2所示，L_t为目标船船长，L₀为本船船长，B_t为目标船船宽，B₀为本船船宽，A为本船雷达所在位置点，B为目标船中心点，C为本船与目标船接触点，D为目标船中轴线与船尾交点，O为本船中轴线(或中轴线的延长线)与目标船中轴线(或中轴线的延长线)的交点，μ为我船雷达位置点到船头的距离与船长的比值，P为雷达定位误差，经过几何分析计算得到：

b.当本船与目标船航向夹角α满足180°+θ₂≤α<360°-θ₂，θ₂＝tan^-1B_t/L_t且过目标船尾时，几何关系如图3所示，经过几何分析可得：

②本船过目标船首的SDA_min的计算方法：

a.当本船与目标船航向夹角α满足θ₃≤α<180°-θ₃，θ₃＝tan^-1B₀/L₀且过目标船首时，几何关系如图4所示，经几何分析计算可得：

b.当本船与目标船航向夹角α满足180°+θ₄≤α<360°-θ₄，θ₄＝tan^-1B₀/L₀且过目标船船首时，几何关系如图5所示，经几何分析计算可得：

(2)改向避让操纵余量SM_C的计算说明：

如图6所示，C_t为目标船船艏向，C₀为本船船艏向，α为从本船船艏向沿顺时针方向到目标船船艏向夹角(当C_t-C₀＞0时，α＝C_t-C₀否则α＝C_t-C₀+360°)，L_t为目标船船长，L₀为本船船长，V_t为目标船船速，t为本船避让时间，Adm为本船避让时旋回进距。经几何分析计算可得：

(3)最小富余量SM_min的计算说明：

驾驶员主观感受度经验知识，即SM_min的提取采用离线与在线相结合的方式：

离线方式指通过大量问卷调查获取不同水域、不同船舶尺度在不同会遇局面下过船首或船尾的临界安全会遇距离SDA_L调查结果，再运用SM_min＝SDA_L-SDA_min提取驾驶员对碰撞危险感受度的主观成分。具体做法如下：

1)通过问卷获取不同会遇局面及不同船舶尺度过船首或船尾的临界安全会遇距离SDA_L；

2)根据几何模型及位置误差，计算不同会遇局面及不同船舶尺度过船首或船尾的SDA_min(客观成分)；

3)根据SM_min＝SDA_L-SDA_min公式，获得不同会遇局面及不同船舶尺度过船首或船尾的SM_min(主观成分)；

4)根据SM_min的分析结果，以每种船舶尺度下的最大SM_min可以得到不同局面不同尺度下过船首或船尾的SM_min相对其最大值的比例系数(λ_SM＝SM_min/maxSM_min)。

上述调查问卷分析可获取下表所示的某尺度船舶在某水域各典型会遇态势下过船首或船尾的两船间SM_min的比例系数λ_SM(λ_SM＝SM_min/maxSM_min)：

表1不同会遇局面及不同船舶尺度过船首或船尾的λ_SM

续表1

在线方式指算法实际应用中，允许驾驶员设置最大SDA_L，根据典型会遇局面调用相应的SDA_min计算公式，并根据SM_min＝SDA_L-SDA_min计算结果获得最大SM_min，再根据实际会遇态势及表1中的λ_SM系数，获得相应的SM_min，最终由实际会遇态势下的SM_min和SDA_min获得个性化的实际SDA_L。

(4)以下以紧迫局面最大临界距离Dcqs的计算方法为例，对S1-2和图7中的各临界距离参数进行说明：

如图8所示，根据船舶相对运动几何分析可得，紧迫局面最大临界距离Dcqs为到达L(Xa,Ya)的最晚施舵时机Tln为

S1-4.建立多危险船会遇局面下确定初始参考目标船(避让重点船)的初始参考船判定模型

针对多危险船会遇局面，按照初始参考目标船(避让重点船)确定避碰方案，通过定义初始施舵时机Tisr，提出以Tisr作为衡量多目标船碰撞危险度大小的依据，其值愈小，碰撞危险度愈大，其初始参考目标船的判定依据为：

MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}(i＝1,2,……N)

其中，“n”指碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船，N为危险目标船的总数量。

步骤S2.船舶碰撞危险及危险度评估

S2-1.通过船舶潜在危险评判模型判断本船是否存在碰撞危险，若是，则转S2-2；

S2-2.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对本船当前碰撞的危险度进行评判，判断是否错过最佳施舵时机，若否，则根据最佳施舵时机及改向幅度确定避让方案，并转S2-4；若是，则得出当前危险度评判等级，并转S2-3；

S2-3.根据当前会遇情景判断两船会遇还是多船会遇局面，若是两船会遇局面，根据施舵时机为零确定避让方案，并转S2-4；若是多船会遇局面，通过初始参考船判定模型，根据初始施舵时机Tisr以及MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}确定避让重点船，形成初始避让方案，并按初始避让方案执行，通过船舶潜在危险评判阈值量化模型判断是否构成新危险，若是，转S2-2；若否，转S2-4；

S2-4.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对避让方案进行避让效果预测，若避让效果等级为安全、次安全或欠安全等级，则说明避让方案可行，输出避让方案；若避让效果等级为不安全，则执行紧迫协调避让方案。

通过上述方法，本发明既可以对当前会遇态势下本船采取措施的紧迫程度进行评估又可以对PIDVCA决策算法形成的避让决策的避让效果进行评估，以确保本船安全避让。由于采用客观和主观相结合的方式，综合考虑本船和目标船速度、船舶尺度、会遇局面及本船操纵性能，关联改向避让行为，运用船舶相对运动矢量几何图解分析，将《规则》中的概念进行合理量化，建立船舶潜在碰撞危险评判阈值模型和危险度评判阈值模型，经评估体系优化后的PIDVCA算法形成的避让决策更加安全、经济、科学。其安全性体现在输出的避让决策以DCPA最大化为前提并经过避让效果推演验证后提供给船员实施；其经济性体现在多船会遇情况下满足安全前提下的航迹偏移量达到最小为经济指标；其科学性体现在将定量的相对运动几何图解分析与定性的《规则》及经验知识自动推理分析机制有机融合。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (1)

1.一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法，基于PIDVCA相关基础模型及算法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1.建立船舶碰撞危险及危险度评判阈值概念及其量化模型

S1-1.建立船舶潜在危险评判阈值SDA量化模型

定义安全会遇距离最大值SDA_max、临界安全会遇距离SDA_L和碰撞临界距离SDA_min，建立船舶潜在危险评判阈值SDA模型；其中，SDA_L＝SDA_min+SM_min，SDA_L定义为两船不采取避让措施且能够通过时的最小容忍距离，通过问卷调查获取，SM_min是两船会遇时安全通过时边缘最小富余量，是从SDA_L中提取的驾驶员对危险感受度的主观成分，根据实际会遇情况对SM_min进行个性化调整，使得SDA_L阈值呈现个性化设置；SDA_max＝SDA_L+SM_C，其中SM_C为改向避让操纵余量；

S1-2.船舶潜在碰撞危险评判模型

以临界安全会遇距离SDA_L作为潜在碰撞危险评判阈值，建立船舶潜在碰撞危险评判模型如下：

DCPA[i]<SDA_L and TCPA[i]>0

其中，DCPA[i]为与目标船i的会遇距离；TCPA[i]为与目标船i的会遇时间；

S1-3.建立船舶碰撞危险度评判阈值模型

定义一般危险临界距离Dis对应最佳初始施舵时机Tisd(SDA_max)、紧迫局面最大临界距离Dcqs对应最晚施舵时机的临界最小值Tln_min(SDA_max)、紧迫局面最小临界距离Dcqs’对应最晚施舵时机的最小值Tln_min’(SDA_L)以及紧迫危险临界距离Did对应最晚施舵时机的最大值Tln_max(SDA_min)，通过船舶相对运动矢量几何图解分析，对《规则》中的一般危险、紧迫局面和紧迫危险进行合理量化，构建船舶碰撞危险度评判阈值模型：

(1)碰撞危险度评判：

当Dcqs<R<Dis或Tisd(SDA_max)<0且Tln>Tln_min(SDA_max)时，其危险度评判等级为一级；

当Dcqs’<R<Dcqs或Tln∈{Tln_min(SDA_max),Tln_min’(SDA_L)}时，其危险度评判等级为二级；

当Did<R<Dcqs’或Tln∈{Tln_min’(SDA_L),Tln_max(SDA_min)}时，其危险度评判等级为三级；

当R>Did或Tln<Tln_max(SDA_min)时，其危险度评判等级为四级；

其中R为两船当前距离，Tln为最晚施舵时机；

(2)避让效果安全等级预测：

当DCPA_n>＝SDA_max，避让方案的安全等级为安全；

当SDA_L<＝DCPA_n<SDA_max，避让方案的安全等级为次安全；

当SDA_min<＝DCPA_n<SDA_L，避让方案的安全等级为欠安全；

当DCPA_n<SDA_min，避让方案的安全等级为不安全；

其中DCPA_n为与碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船的会遇距离；

S1-4.建立初始参考船判定模型

针对多危险船会遇局面，按照初始参考目标船确定避碰方案，通过定义初始施舵时机Tisr，提出以Tisr作为衡量多目标船碰撞危险度大小的依据，其值愈小，碰撞危险度愈大，其初始参考目标船的判定依据为：

MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}

其中n指碰撞危险度最大的初始避让重点船或初始避让参考目标船，N为危险目标船的总数量，i的取值为1至N之间的整数；

步骤S2.船舶碰撞危险及危险度评估

S2-1.通过船舶潜在危险评判模型判断本船是否存在碰撞危险，若是，则转S2-2；

S2-2.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对本船当前碰撞的危险度进行评判，判断是否错过最佳施舵时机，若否，则根据最佳施舵时机及改向幅度确定避让方案，并转S2-4；若是，则得出当前危险度评判等级，并转S2-3；

S2-3.根据当前会遇情景判断两船会遇还是多船会遇局面，若是两船会遇局面，根据施舵时机为零确定避让方案，并转S2-4；若是多船会遇局面，通过初始参考船判定模型，根据初始施舵时机Tisr以及MinTisr[n]＝min{Tisr[i]}确定避让重点船，形成初始避让方案，并按初始避让方案执行，通过船舶潜在危险评判阈值量化模型判断是否构成新危险，若是，转S2-2；若否，转S2-4；

S2-4.通过船舶碰撞危险度评判阈值模型对避让方案进行避让效果预测，若避让效果等级为安全、次安全或欠安全等级，则说明避让方案可行，输出避让方案；若避让效果等级为不安全，则执行紧迫协调避让方案。