一种VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法
技术领域
本发明涉及船舶交通管理领域,特别是一种VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法。
背景技术
VTS系统(船舶交通管理系统),目的是改善江河或海上通航环境,提高船舶交通利用率,减少交通事故的发生,保障安全通航。随着航运业的发展、船舶种类的增多,尤其长江段交通流量越来越密集,航行船舶航行速度的差异性变大,船舶间追越行为的频率逐渐增多。
面对追越行为频繁发生的现象,《1972国际海上避碰规则》等有关条款对追越行为给出了全面的定义,海事部门对船舶追越行为给出了许多细致的规定,部分水域禁止或限制追越,尤其对于重点船舶,如危险品船舶、客轮、客滚轮和其他需要重点监控的船舶。当船舶进入通航管理的禁止追越水域时,更需要近岸VTS时刻明晰船舶动态,为船舶提供有效的指挥和疏导,避免船舶碰撞,提高船舶航行安全。
传统的船舶追越态势判断,一般是从避碰规则中追越的定义角度出发,仅考虑了船舶的相对方位、航向夹角、航速信息,定量划分追越行为,考虑因素过于简单,并且全部水域、全部船舶均参与判断,不仅会造成态势判断不准确的问题,还会产生大量非关注水域、非关注船舶的无效态势判断,不准确态势判断、大量无效判断不仅不会对船舶管理提供帮助,还会给VTS值班员带来更多的困扰。
目前,VTS管理系统中的大多船舶追越行为是由值班人员人工全天时重点水域重点关注后决策的,耗时耗力,值班人员工作强度大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法,该VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法实现了VTS重点关注领域重点关注船舶的追越预警,并且在实现过程中,综合考虑了船舶种类、横距、船宽、距离态势、追越态势持续时间、距离、相对方位、航向夹角等多种因素对追越行为的约束因素,达到了较好的VTS智能预警效果。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法,包括如下步骤。
步骤1,绘制航道区域:在VTS系统的交通管理子系统客户端绘制航道区域。
步骤2,筛选告警船舶类型:对参与告警判断的追越船和被追越船分别进行类型筛选。其中,被追越船为目标船舶。
步骤3,设定追越告警阈值:设定的追越告警阈值包括可见距离阈值Dm、距离阈值Dmax、横距阈值dmax、航向夹角阈值Cmax、正横后夹角阈值ɸmax和追越态势持续时间阈值Tmax;其中,Dmax<Dm。
步骤4,确定空间约束模糊因素和态势约束模糊因素,其中,空间约束模糊因素包括距离D、横距d、航向夹角ΔC和正横后夹角ɸ;态势约束模糊因素包括航速、距离态势和追越态势持续时间T。
步骤5,构建目标船舶的链式映射表:针对步骤1绘制的航道区域中的目标船舶,计算该目标船舶与航道区域内其他船舶间的距离Dis,将距离Dis小于可见距离阈值Dm的所有船舶,均构建其与目标船舶之间的链式映射关系,并形成目标船舶的链式映射表。
步骤6,追越态势智能精算分析,包括如下步骤。
步骤61,空间约束模糊因素分析,分析方法具体包括。
步骤61a,链式映射判断:根据目标船舶与追越船舶之间的距离D,当距离D小于可见距离阈值Dm时,则判断追越船舶处于步骤5构建的目标船舶链式映射表中。
步骤61b,构建扇形船舶领域:以目标船舶的质心为圆心,过圆心作两条角度呈步骤3设定的正横后夹角阈值ɸmax的直线;再以目标船舶的质心为圆心,画半径为距离阈值Dmax的圆弧,该圆弧与角度呈正横后夹角阈值ɸmax的两条直线围合构成的图形,即为构建的扇形船舶领域。
步骤61c,构建船舶追越区域:在步骤61b构建的扇形船舶领域中,作两根与目标船舶航向相平行的平行线,两根平行线与目标船舶过质心航向所在直线之间的距离均为步骤3设定的横距阈值dmax;位于两根平行线之间的扇形船舶领域,则为构建的船舶追越区域。
步骤61d,追越船舶位置判断:根据追越船舶与目标船舶的经纬度信息,计算追越船舶与目标船舶之间的距离D和相对方位∆β,进而判断追越船舶是否处于步骤61c构建的船舶追越区域中。
步骤61e,航向夹角计算:当步骤61d中判断为追越船舶处于船舶追越区域中时,则计算航向夹角∆C,且∆C=180°-∆β。
步骤61f,横距d计算:当步骤61e中计算出的∆C小于步骤3中设定的航向夹角阈值Cmax,则计算对应的追越船舶与目标船舶之间的横距d,并判断该横距d是否不超过步骤3设定的横距阈值dmax;若超过横距阈值dmax,则判断目标船舶不具有被对应追越船舶在空间约束上的追越行为;否则,判断目标船舶具有被追越船舶在空间约束上的追越行为。
步骤62,态势约束模糊因素分析,具体分析方法为:在步骤5构建的目标船舶链式映射表中,记录着目标船舶与其中任一个追越船舶上一更新时刻的距离为D1,本次更新时刻目标船舶与对应追越船舶的距离为D2,若D2<D1,且对应追越船舶在目标船舶航向上的航速大于目标船舶的航速,则目标船舶具有被对应追越船舶追越的态势。
步骤7,告警仲裁,包括如下步骤:
步骤71,门限阈值S设定:设定N个采集时间段和一个门限阈值S,则S≤N,且S=Tmax/T0;其中,Tmax为步骤3中设定的追越态势持续时间阈值,T0每个采集时间段所对应的采集时间间隔,N为正整数。
步骤72,仲裁决策:在每个采集时间段内,均进行步骤6中的追越态势智能精算分析;当步骤61中判断目标船舶具有被追越船舶在空间约束上的追越行为,同时步骤62中判断目标船舶具有被对应追越船舶追越的态势;则认为该采集时间段内,目标船舶具有被追越的态势,并进行计次。
步骤73,追越告警:在N个采集时间段内,当目标船舶满足被追越态势的累计次数达到门限阀值S时,则产生追越告警。
还包括步骤8,告警控制模块处理:追越告警信息产生后,发送至交通管理子系统,以声音、闪烁、弹窗的方式进行告警提示;VTS值班人员接收到告警提醒后,则对参与告警的追越船舶、被追越船舶重点关注及航行指导。
还包括步骤9,链式映射表更新:重复步骤4至步骤7,更新维护目标船舶的链式映射表,实现船舶追越态势的智能预警。
步骤61f中,当追越船舶在目标船舶的右侧时,横距d的计算公式为:d=D*sin(ΔC)- LD1 - LC2;当追越船舶在目标船舶的左侧时,则横距d的计算公式为:d=D*sin(ΔC) -LD2 - LC1;其中,LC1与LD1之和为目标船舶的船宽,LC2与LD2之和为追越船舶的船宽,LC1与LD1的区分点、LC2与LD2的区分点均为对应船舶上的AIS设备实际安装位置点。
步骤2中,追越船和被追越船的筛选类型包括目标来源、船长范围、船宽范围、船高范围、吃水范围、总吨范围、航速范围、船舶种类、航行状态、时间范围、国籍和航线。
步骤3中,可见距离阈值Dm为3海里。
步骤3中,设定的正横后夹角阈值ɸmax=22.5°。
本发明具有如下有益效果:综合考虑了距离、船长、船宽、航向、航速、正横后夹角范围、横距、航向夹角、距离态势、态势持续时间等多种空间约束和态势约束因素;并且在重点关注水域绘制航道,以及追越船舶、被追越船舶均可进行船舶筛选,筛选出需要时刻重点监控的船舶,从而实现VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警,有效的减轻VTS值班员的工作强度和心理负担,辅助VTS交通管理人员对其所管辖水域内交通的监管及船舶航行安全指导,具有现实意义。
附图说明
图1显示了本发明一种VTS系统船舶追越态势的智能精算预警方法的流程示意图。
图2显示了追越船舶与被追越船舶的筛船规则。
图3显示了目标船舶A与其领域内其他船舶间的链式映射表。
图4显示了目标船舶B与其领域内其他船舶间的链式映射表。
图5显示了目标船舶与被追越船舶之间的空间约束示意图。
图6显示了目标船舶与被追越船舶之间的横距示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中,需要理解的是,术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度,因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案,并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示,一种VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警方法,包括如下步骤。
步骤1,绘制航道区域:在VTS系统的交通管理子系统客户端绘制航道区域。
在重点水域同一航道内同一方向航行的机动船舶是否存在追越局面是VTS系统关注的对象,因此,绘制航道仅需关注该区域内船舶的追越态势。尤其是禁止追越区域等,缩小监控范围,有效减少非关注区域内的大量无关追越告警,提高告警区域有效性。
步骤2,筛选告警船舶类型:对参与告警判断的追越船和被追越船分别进行类型筛选。其中,被追越船为目标船舶。
上述筛选种类包括:目标来源、船长范围、船宽范围、船高范围、吃水范围、总吨范围、航速范围、船舶种类、航行状态、时间范围、国籍、航线等;且支持多条筛选规则并列处理,可同时筛选出不同种类的船舶;
本发明中,追越船舶、被追越船舶均可进行分类筛船,筛选规则可新建、修改、删除,有多个筛选项,满足不同的筛选需求,如图2所示的筛选规则。
VTS系统中,禁止追越区域内,海事值班人员重点关注的船舶大部分是危险品船舶、超大型船、客轮、客滚轮等船舶类型,对于一些小型渔船、海巡艇等则无需关注其追越态势,因此,本发明中对参与追越告警判断的追越船舶、被追越船舶均可进行分类筛选,则可大大减少一些非关注船舶的无效告警,从而提高追越告警的有效性和智能化。
步骤3,设定追越告警阈值:设定的追越告警阈值包括可见距离阈值Dm、距离阈值Dmax、横距阈值dmax、航向夹角阈值Cmax、正横后夹角阈值ɸmax、追越态势持续时间阈值Tmax和告警自动确认时间tmax;其中,Dmax<Dm。
上述可见距离阈值Dm优选为3海里,也即为船尾灯的可见范围。上述设定的正横后夹角阈值ɸmax优选为22.5°。考虑到船间效应,横距阈值dmax优选为两船船长之和的倍数。
步骤4,确定空间约束模糊因素和态势约束模糊因素,其中,空间约束模糊因素包括距离D、横距d、航向夹角ΔC和正横后夹角ɸ等;态势约束模糊因素包括航速、距离态势和追越态势持续时间T等。
步骤5,构建目标船舶的链式映射表:针对步骤1绘制的航道区域中的目标船舶,计算该目标船舶与航道区域内其他船舶间的距离Dis,将距离Dis小于可见距离阈值Dm的所有船舶,均构建其与目标船舶之间的链式映射关系,并形成如图3和图4所示的目标船舶的链式映射表。
步骤6,追越态势智能精算分析,包括如下步骤。
步骤61,空间约束模糊因素分析,分析方法具体包括。
步骤61a,链式映射判断:根据目标船舶与追越船舶之间的距离D,当距离D小于可见距离阈值Dm时,则判断追越船舶处于步骤5构建的目标船舶链式映射表中。
目前,关于追越的定义,“一船从他船正横后大于22.5度的某一方向上赶上他船时,即该船对其所追越的船所处的位置,在夜间只能看见被追越船的尾灯而不能看见它的任一舷灯时,应认为是在追越中”,一般船舶尾灯的最小能被见到的距离是3海里,故本申请将可见距离阈值Dm设为默认3海里,首先从此距离排除不具备追越条件的船舶,而对于满足距离条件的船舶与目标船舶再建立链式映射表。
追越过程通常是当距离被追越船较近时开始呈现追越态势,此距离小于追越定义的他船尾灯的可见范围3海里,此距离即本发明中空间约束因素中的距离阈值,可进一步缩小目标船舶的空间约束范围,减小计算量,提高告警准确性。因此,本文设定距离阈值Dmax为追越开始的限定距离,且Dmax<Dm。
目标船舶与被追越船舶依据空间约束判定规则,构建如图5所示的空间约束关系示意图。
以船舶1作为目标船舶,船舶1与C船间的距离小于3n mile,则C船位于目标船舶(船舶1)构建的链式映射表中。
步骤61b,构建扇形船舶领域:以目标船舶的质心为圆心,过圆心作两条角度呈步骤3设定的正横后夹角阈值ɸmax的直线;再以目标船舶的质心为圆心,画半径为距离阈值Dmax的圆弧,该圆弧与角度呈正横后夹角阈值ɸmax的两条直线围合构成的图形,即为构建的扇形船舶领域。
上述构建的扇形船舶领域,作为目标船舶所处追越态势精算分析中空间约束范围的初步条件。
步骤61c,构建船舶追越区域:在步骤61b构建的扇形船舶领域中,作两根与目标船舶航向θ2相平行的平行线,两根平行线与目标船舶过质心航向所在直线之间的距离均为步骤3设定的横距阈值dmax;位于两根平行线之间的扇形船舶领域,则为构建的船舶追越区域。
在扇形船舶领域的空间约束条件下,通过设定横距阈值的约束条件,进一步缩小原扇形船舶领域范围。
步骤61d,追越船舶位置判断:根据追越船舶与目标船舶的经纬度信息,计算追越船舶与目标船舶之间的距离D和相对方位∆β,进而判断追越船舶是否处于步骤61c构建的船舶追越区域中。
步骤61e,航向夹角计算:当步骤61d中判断为追越船舶处于船舶追越区域中时,则计算航向夹角∆C,且∆C=180°-∆β。
步骤61f,横距d计算:当步骤61e中计算出的∆C小于步骤3中设定的航向夹角阈值Cmax,则计算对应的追越船舶与目标船舶之间的横距d,并判断该横距d是否不超过步骤3设定的横距阈值dmax;若超过横距阈值dmax,则判断目标船舶不具有被对应追越船舶在空间约束上的追越行为;否则,判断目标船舶具有被追越船舶在空间约束上的追越行为。
对于一些超大型船,计算船舶横距时,考虑到AIS设备的实际安装位置,即报告位置的参考点(经纬度)和船舶尺寸即船长、船宽因素,计算时应考虑两船宽的影响,如图6所示,计算实际两船舶侧舷横距值。本发明中的横距d,同时考虑了两船舶宽度,由于两船间航向夹角ΔC小于夹角阈值,则目标船舶C船可忽略角度变化引起的船舶宽度LC2的变化,当追越船舶在目标船舶的右侧时,横距d的计算公式为:d=D*sin(ΔC) - LD1 - LC2;当追越船舶在目标船舶的左侧时,则横距d的计算公式为:d=D*sin(ΔC) - LD2 - LC1;其中,LC1与LD1之和为目标船舶的船宽,LC2与LD2之和为追越船舶的船宽,LC1与LD1的区分点、LC2与LD2的区分点均为对应船舶上的AIS设备实际安装位置点。
其中,LC1与LD1之和为目标船舶的船宽,LC2与LD2之和为追越船舶的船宽,LC1与LD1的区分点、LC2与LD2的区分点均为对应船舶上的AIS设备实际安装位置点。
步骤62,态势约束模糊因素分析,具体分析方法为:在步骤5构建的目标船舶链式映射表中,记录着目标船舶与其中任一个追越船舶上一更新时刻的距离为D1,本次更新时刻目标船舶与对应追越船舶的距离为D2,若D2<D1,且对应追越船舶在目标船舶航向上的航速大于目标船舶的航速,则目标船舶具有被对应追越船舶追越的态势。
步骤7,告警仲裁,包括如下步骤:
步骤71,门限阈值S设定:设定N个采集时间段和一个门限阈值S,则S≤N,且S=Tmax/T0;其中,Tmax为步骤3中设定的追越态势持续时间阈值,T0每个采集时间段所对应的采集时间间隔,N为正整数。
步骤72,仲裁决策:在每个采集时间段内,均进行步骤6中的追越态势智能精算分析,也即均进行一次仲裁决策;当步骤61中判断目标船舶具有被追越船舶在空间约束上的追越行为,同时步骤62中判断目标船舶具有被对应追越船舶追越的态势;则认为该采集时间段内,目标船舶具有被追越的态势,并进行计次。
步骤61从空间约束因素判断目标船舶与追越船舶是否具备追越的前提条件,步骤62则从态势行为中判定目标船舶是否具有被追越船舶追越的趋势,二者缺一不可,只有同时具备这两个条件,才能精确判定出某一采集时间段内,两船舶之间是否具有追越的态势。
如果仅满足步骤62追越的态势而不满足步骤61中的空间条件,则两船舶很可能相距很远或并行前行等,此种情况下则可能误判从而产生无效告警。同样,仅满足空间条件而不具备追越态势,如果两船航速一致或距离在拉远,则也可能误判而产生无效告警。
当本次目标船舶与他船满足追越态势时,则计数累计加1,当本次目标船舶与他船不满足追越态势时,则计数累计减1。
考虑到船舶航行环境的复杂性,当两船舶呈现追越态势一段时间后,由于特殊情况不再具备追越态势,甚至很有可能追越船舶实施减速,两船舶间距离在拉远,为了提高告警的准确性与可靠性,采取容错机制,则计数累计减1。
步骤73,追越告警:在N个采集时间段内,当目标船舶满足被追越态势的累计次数达到门限阀值S时,则产生追越告警。
此告警仲裁方式是通过滑窗方式剔除异常船舶数据引起的野值计算,增加容错机制处理,从而提高追越告警的准确性与可靠性。
如果追越告警阈值中设置了告警自动确认时间阈值tmax,产生追越告警后,超过告警自动确认时间阈值tmax,则追越告警自动确认,减少了VTS值班员手动确认的工作。
步骤8,告警控制模块处理:追越告警信息产生后,发送至交通管理子系统,以声音、闪烁、弹窗的方式进行告警提示;VTS值班人员接收到告警提醒后,则对参与告警的追越船舶、被追越船舶重点关注及航行指导。
步骤9,链式映射表更新:重复步骤4至步骤7,更新维护目标船舶的链式映射表,实现船舶追越态势的智能预警。
综上所述,本发明重点在于在监控过程中综合考虑了船舶的距离、相对方位、航向夹角、航速、船舶长度、宽度、横距、距离态势、态势持续时间、船舶种类等多种空间约束和态势约束因素的追越态势智能预警方法,并且追越船舶、被追越船舶均可进行船舶筛选,对实现VTS系统中船舶追越态势的智能精算预警,减轻VTS值班员的工作强度和心理负担,辅助交通管理人员对其所管辖水域内交通的监管,具有现实意义。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。