CN110648557A - 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法 - Google Patents

一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110648557A
CN110648557A CN201911047996.0A CN201911047996A CN110648557A CN 110648557 A CN110648557 A CN 110648557A CN 201911047996 A CN201911047996 A CN 201911047996A CN 110648557 A CN110648557 A CN 110648557A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ship
distance
target
variable
predicted
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911047996.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110648557B (zh
Inventor
王晓原
孙懿飞
夏媛媛
姜雨函
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao University of Science and Technology
Original Assignee
Qingdao University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao University of Science and Technology filed Critical Qingdao University of Science and Technology
Priority to CN201911047996.0A priority Critical patent/CN110648557B/zh
Publication of CN110648557A publication Critical patent/CN110648557A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110648557B publication Critical patent/CN110648557B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

本发明实施例涉及一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其包括：根据船舶安全会遇距离将目标船的兴趣感知区域划分为多个兴趣感知子区域；计算目标船和干扰船的预计进距；分别计算对驶局面下的船间可变进距和船岸可变进距；在多个兴趣感知子区域内确定船岸可变进距和船间可变进距的权重因子；计算得到兴趣感知子区域对应的可变径距；根据多个可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域。本发明根据船舶集群态势中避碰决策时产生的预计进距、船间可变进距和船岸可变进距以及对应的权重因子进行计算，得到对应的可变径距，在考虑船舶尺寸的影响下实时建立当前航行环境的基于船舶集群态势的相对领域，为船舶安全航行提供基础。

Description

一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法。
背景技术
船舶领域是在船舶周围存在的避免他船进入的区域，是衡量船舶间安全性的重要标准之一，多船会遇情况下船舶领域对航行安全性的判断显得尤为重要。
现有多船会遇船舶领域的研究多以船舶观测数据为基础，通过观测数据中他船位置拟合出目标船舶领域。这种方法考虑因素较为单一，对复杂的环境因素等均未考虑，同时得到的船舶领域较为固定，不能随航行环境实时变化。
基于上述，现有技术中存在无法对复杂环境中实时综合船间情况和船岸情况进行分析，解决船舶避碰的问题。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，解决现有技术无法在复杂环境中对船间及船岸情况进行综合分析而避免船舶碰撞的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明一实施例提供一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其包括：
根据船舶安全会遇距离将目标船的兴趣感知区域划分为多个兴趣感知子区域；
根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距；
根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距；
根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距；
在所述多个兴趣感知子区域内确定岸壁对目标船的船岸可变进距的权重因子以及干扰船对目标船的船间可变进距的权重因子；
根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距；
根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距之前，还包括：
以所述目标船的中心为原点建立坐标轴，在所述坐标轴中获取干扰船相对于目标船的真方位；
根据所述真方位计算在所述兴趣感知子区域内干扰船与所述目标船的相对方位。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距包括：
所述目标船的预计进距的计算公式为：
其中
Figure BDA0002254601520000022
为目标船的预计进距，vl为目标船避碰操作前的航速为，
Figure BDA0002254601520000023
为决策反应时间，
Figure BDA0002254601520000024
为操作反应时间，vl(t)为目标船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度；
所述干扰船的预计进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000031
其中
Figure BDA0002254601520000032
为干扰船的预计进距，vg为干扰船避碰操作前的航速为，
Figure BDA0002254601520000033
为决策反应时间，
Figure BDA0002254601520000034
为操作反应时间，vg(t)为干扰船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度。
在本发明的一种示例性实施例中，所述预计进距包括预计横向进距和预计纵向进距。
在本发明的一种示例性实施例中，所述预计纵向进距包括目标船的预计纵向进距和干扰船的预计纵向进距，所述目标船的预计纵向进距计算公式为：
Figure BDA0002254601520000035
其中为目标船的预计纵向进距，
Figure BDA0002254601520000037
为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向；
所述干扰船的预计纵向进距计算公式为：
Figure BDA0002254601520000038
其中
Figure BDA0002254601520000039
为干扰船的预计纵向进距，
Figure BDA00022546015200000310
为所述干扰船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
在本发明的一种示例性实施例中，所述预计横向进距为目标船的预计横向进距，所述目标船的预计横向进距的计算公式为：
其中
Figure BDA00022546015200000312
为所述目标船的预计横向进距，
Figure BDA00022546015200000313
为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000041
其中LS为船间可变进距，
Figure BDA0002254601520000042
为目标船避碰的预计纵向进距，
Figure BDA0002254601520000043
为干扰船避碰的预计纵向进距，L0为目标船的船长，L1为干扰船的船长。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距的计算公式为：
其中LB为船岸可变进距，为目标船避碰的预计横向进距，
Figure BDA0002254601520000046
为船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距，B0为目标船的船宽。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距包括：
Figure BDA0002254601520000047
其中i为不同的兴趣感知子区域，
Figure BDA0002254601520000048
为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的最小安全会遇距离，
Figure BDA0002254601520000049
为兴趣感知子区域i内干扰船对目标船的权重因子，为兴趣感知子区域i内岸壁对目标船的权重因子，θi为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的相对方位，
Figure BDA00022546015200000411
为目标船对兴趣感知子区域i内干扰船的船间可变进距，
Figure BDA00022546015200000412
为目标船对兴趣感知子区域i内岸壁的船岸可变进距。
在本发明的一种示例性实施例中，所述根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域包括：
根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距分别确定得到多个边界点；
将所述多个边界点依次连接，得到不规则六边形，所述不规则六边形为所述基于船舶集群态势的相对领域。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，根据船舶集群态势中避碰决策时产生的预计进距、船间可变进距和船岸可变进距以及对应的权重因子进行计算，得到对应的可变径距，在考虑船舶尺寸的影响下实时建立当前航行环境的基于船舶集群态势的相对领域，为船舶安全航行提供基础。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法的流程图；
图2为本发明一实施例中对目标船兴趣感知区域进行划分的示意图；
图3为本发明一实施例中受限水域目标船所处的船舶集群态势图；
图4为本发明一实施例中预计进距的示意图；
图5为本发明一实施例中两船会遇示意图；
图6为本发明一实施例中避碰反应时间的示意图；
图7为本发明一实施例中预计纵向进距的示意图；
图8为本发明一实施例中预计横向进距的示意图；
图9为本发明一实施例中左前侧兴趣感知子区域船间可变径距的示意图；
图10为本发明一实施例中船舶集群态势下船间可变径距的示意图；
图11为本发明一实施例中基于船舶集群态势得到的相对领域的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明在船舶集群态势的基础上，综合考虑船岸影响以及船间影响，提出基于船舶集群态势的相对领域概念。针对目标船所处集群态势实时建立适应当前航行环境的基于船舶集群态势的相对领域，建立的相对领域模型可根据目标船所处集群态势的不同而实时变化。同时由于碰撞发生在船体外壳上，为确保不发生碰撞危险，本发明还考虑了船舶尺寸的影响，从而可以为船舶安全航行提供基础。
图1为本发明一实施例提供的一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
如图1所示，在步骤S110中，根据船舶安全会遇距离将目标船的兴趣感知区域划分为多个兴趣感知子区域；
如图1所示，在步骤S120中，根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距；
如图1所示，在步骤S130中，根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距；
如图1所示，在步骤S140中，根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距；
如图1所示，在步骤S150中，在所述多个兴趣感知子区域内确定岸壁对目标船的船岸可变进距的权重因子以及干扰船对目标船的船间可变进距的权重因子；
如图1所示，在步骤S160中，根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距；
如图1所示，在步骤S170中，根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域。
基于上述方法，根据船舶集群态势中避碰决策时产生的预计进距、船间可变进距和船岸可变进距以及对应的权重因子进行计算，得到对应的可变径距，在考虑船舶尺寸的影响下实时建立当前航行环境的基于船舶集群态势的相对领域，为船舶安全航行提供基础，以便能够提供更加精确、安全的船舶避碰决策。
以下对图1所示实施例的各个步骤的具体实现进行详细阐述：
在步骤S110中，根据船舶安全会遇距离将目标船的兴趣感知区域划分为多个兴趣感知子区域。
在本发明的一个实施例中，兴趣感知区域是指目标船重点关注的范围，即将目标船首前方3海里及船尾后方3海里为边界的区域确定为目标船的兴趣感知区域。在进行兴趣感知子区域划分之前，还包括：对受限水域进行航道数量和航道宽度的划分。例如，根据助航设备获取目标船周围3海里范围内的干扰船数量及位置，并根据船舶操纵性能、所遭受的横风、横向水流、纵向水流以及目标船当前所处环境的水深等确定航道宽度和航道数量。
船舶安全会遇距离一般来说是指避碰过程中为使两船最终能够安全避碰结束，考虑航行环境和船舶运动状态，在让路船采取转向、变速等避碰措施时，两船间的距离。本发明利用船舶安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行标记划分，以目标船位于中间航道中间位置形成的最复杂的会遇情况为例，划分目标船兴趣感知区域。图2为本发明实施例中受限水域目标船兴趣感知区域划分的示意图。
在本公开的一个实施例中，如图2所示，以所述目标船所在航道的最左侧边界线A和最右侧边界线B作为划分所述目标船的左侧区域的界线和右侧区域的界线；其次，以所述目标船的前侧或后侧的距离为所述安全会遇距离作为划分所述目标船的前侧区域的界线和后侧区域的界线(图2中靠近目标船的两条竖向虚线所示)；最后，根据所述左侧区域的界线、右侧区域的界线、前侧区域的界线和后侧区域的界线结合预设距离以及航道宽度将对所述兴趣感知区域进行划分，得到左前侧兴趣感知子区域、前侧兴趣感知子区域、左后侧兴趣感知子区域、右前侧兴趣感知子区域、右侧兴趣感知子区域和右后侧兴趣感知子区域共6个兴趣感知子区域。其中目标船正后侧安全会遇距离之后、目标船船尾后方3n mile之前为目标船后侧兴趣感知区域，目标船正前侧安全会遇距离之前、目标船船首前方3n mile之后为目标船前侧兴趣感知区域。
图3为本发明一实施例中受限水域目标船所处的船舶集群态势图，如图3所示，将各兴趣感知子区域内交通实体编号分别记为：左前侧干扰船n1、左后侧干扰船n2、前侧干扰船n3、后侧干扰船n4、右前侧干扰船n5、右后侧干扰船n6。
针对图3所示船舶集群态势，确定最小安全会遇距离，最小安全会遇距离dDSPA是指在避碰过程中为使两会遇船最终能刚好安全的避碰结束，在让路船全速满舵避让90°时，两船之间的距离，计算公式为：
dDSPA＝a1×a2×y (公式1)
其中a1为水文气象条件系数，a2为船舶密度，y为让路船全速满舵避让90°时两船之间的距离，其中a1的取值范围为0～1。例如，当水文气象条件好的时候a1＝0.1，水文气象条件差的时候a1＝0.9，水文气象条件一般时a1＝0.5。
a2的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000081
其中ρ为所述船舶感知区域内所有船舶的数量，y的计算公式为：
其中ωjk、vjk为中间变量，具体为ωjk为网络系数，vjk为规则层的输出量。
在本实施例中，最小安全会遇距离的求解主要考虑水文气象条件及船舶密度，进一步考虑集群态势中干扰船和岸壁对目标船的影响，增加船舶相对领域的安全性。
由于本发明实施例中基于船舶集群态势的相对领域是由最小安全会遇距离和针对不同影响因素计算的可变距离长度确定的，将这种可变距离长度定义为可变进距。根据相对领域的影响因素，将可变进距分为船间可变进距和船岸可变进距。船间可变进距是指在考虑船间效应及两船船长的基础上，两船在避碰过程中前进的距离。船岸可变进距是指在考虑岸壁效应及目标船宽的基础上，目标船在避碰过程中前进的距离。下述步骤中对船间可变进距、船岸可变进距的计算进行介绍：
在步骤S120中，根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距。
在本发明的一个实施例中，该步骤中为方便船间可变进距的求解，提出预计进距的概念。图4为本发明一实施例中预计进距的示意图，如图4所示，预计进距是指船舶从发现碰撞危险到两船避碰结束时预计前进的距离，对于目标船和干扰船都会产生相应的预计进距。计算预计进距之前，需要根据船舶会遇情况结合实例对目标船的兴趣感知区域的划分进行介绍：
图5为本发明一实施例中两船会遇示意图，如图5所示，干扰船相对于目标船的相对方位θ。首先，以目标船的中心为坐标原点，东经方向为X轴正方向，北纬方向为Y轴正方向建立坐标轴，设目标船A此时的速度为va，航向为
Figure BDA0002254601520000093
地理坐标为(xa,ya)；干扰船B此时的速度为vb，航向为
Figure BDA0002254601520000092
地理坐标为(xb,yb)。在所述坐标轴中获取干扰船相对于目标船的真方位；根据所述真方位计算在所述兴趣感知子区域内干扰船与所述目标船的相对方位。相关的计算过程具体为：
两船舶在X轴上的相对速度分量vXr，两船舶在Y轴上相对速度分量vYr：
Figure BDA0002254601520000091
干扰船相对于目标船的真方位αT：
干扰船相对于目标船的相对方位θ：
Figure BDA0002254601520000102
图6为本发明一实施例中避碰反应时间的示意图，相关船舶感知决策时间及操作反应时间的分布如图6所示，本发明实施例将整体的反应时间定义为避碰反应时间。该步骤中还需要考虑船舶的避碰反应时间进行相应的计算，避碰反应时间为决策反应时间和操作反应时间之和。在船舶完成避碰操作前存在一段反应时间，主要是指船舶从发现碰撞危险到完成相应避碰操作的时间。本发明实施例考虑无人船特性，对此段反应时间进行划分、界定，包括船舶感知信息的时间、做出决策的时间及做出相应避碰操作的时间。在决策反应时间内，船舶按照原来的航速、航向航行。
在该步骤中，针对目标船和干扰船分别计算预计进距，具体为，
Figure BDA0002254601520000103
时，根据积分定义，所述目标船的预计进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000104
其中
Figure BDA0002254601520000105
为目标船的预计进距，vl为目标船避碰操作前的航速为，
Figure BDA0002254601520000106
为决策反应时间，
Figure BDA0002254601520000107
为操作反应时间，vl(t)为目标船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度。
时，根据积分定义，所述干扰船的预计进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000109
其中
Figure BDA0002254601520000111
为干扰船的预计进距，vg为干扰船避碰操作前的航速为，为决策反应时间，
Figure BDA0002254601520000113
为操作反应时间，vg(t)为干扰船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度。
在本发明的一个实施例中，预计进距包括预计横向进距和预计纵向进距，因此将预计进距分解为预计纵向进距和预计横向进距，便于进行船间可变进距和船岸可变进距的求解。
(1)预计纵向进距
图7为本发明一实施例中预计纵向进距的示意图，如图7所示，建立坐标轴，以目标船中心为原点，以目标船中心到船首连线为X轴，由目标船中心指向船首方向为正方向，过原点垂直于X轴作Y轴，目标船转向方向为Y轴正方向。预计纵向进距是指在此坐标系下，船舶从发现碰撞危险到两船避碰结束时预计在X轴方向前进的距离。
预计纵向进距计算过程如下：根据建立的坐标轴，假设目标船避碰操作前的航速为vl，感知决策反应时间为
Figure BDA0002254601520000114
操作反应时间为目标船在操作反应时间内任意时刻t的速度为vl(t)、航向为
Figure BDA0002254601520000116
干扰船避碰操作前的航速为vg，感知决策反应时间为
Figure BDA0002254601520000117
操作反应时间为
Figure BDA0002254601520000118
干扰船在操作反应时间内任意时刻t的速度为vg(t)、航向为
Figure BDA0002254601520000119
由于预计纵向进距包括目标船的预计纵向进距和干扰船的预计纵向进距，根据积分定义，所述目标船的预计纵向进距计算公式为：
其中
Figure BDA00022546015200001111
为目标船的预计纵向进距，为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
同理，根据积分定义，所述干扰船的预计纵向进距计算公式为：
Figure BDA00022546015200001113
其中
Figure BDA00022546015200001114
为干扰船的预计纵向进距，
Figure BDA00022546015200001115
为所述干扰船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
本实施例中计算时还需考虑预计进距与原进距的关系，其中原进距是指船舶在避碰反应时间内，若不采取避碰措施，即按照原航速、航向可能前进的距离。若干扰船预计纵向进距小于原进距，则说明干扰船已通过转向或减速操作进行避碰；若预计纵向进距大于或等于原进距，则说明干扰船没有进行避碰操作或干扰船航向改变角度很小，相当于干扰船未做出避让行动，此时必须通过目标船转向进行避碰。船舶在受限水域中转向避让时，受环境影响很难进行大角度转向避让，本发明假设船舶小角度转向后仍保持在原航道上，安全会遇后恢复原航向继续航行。
(2)预计横向进距
图8为本发明一实施例中预计横向进距的示意图，如图8所示，以船舶中心为原点，以船舶中心到船首连线为X轴，由中心指向船首方向为正方向，过原点垂直于X轴作Y轴，船舶转向方向为Y轴正方向，建立坐标系。预计横向进距是指在此坐标系下，船舶从发现碰撞危险到两船避碰结束时预计在Y轴方向前进的距离。预计横向进距主要是针对目标船的预计横向进距，本实施例中时，根据积分定义，目标船避碰的预计横向进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000122
其中
Figure BDA0002254601520000123
为所述目标船的预计横向进距，为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
在步骤S130中，根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距。
在船舶集群态势中，目标船与干扰船会遇，可能产生不同的船间效应，干扰船对目标船的影响也会产生差异。由于碰撞发生在船体外壳上，为确保不发生碰撞危险，在求解船间可变进距时不仅要考虑不同的会遇类型还需考虑两船船长。即本实施例中的船间可变进距，是目标船基于船舶集群态势的相对领域针对干扰船的影响在最小安全会遇距离基础上添加的距离长度。
两船对驶时，若两船预计纵向进距小于原进距，则两船均已转向或减速避让。两船避让过程中干扰船前进预计纵向进距后，此时干扰船不侵犯目标船周围最小安全会遇距离区域即可保证两船会遇安全。
该步骤中计算对驶局面下的船间可变进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000131
其中LS为船间可变进距，
Figure BDA0002254601520000132
为目标船避碰的预计纵向进距，
Figure BDA0002254601520000133
为干扰船避碰的预计纵向进距，L0为目标船的船长，L1为干扰船的船长。
在步骤S140中，根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距。
船岸可变进距主要是根据船舶集群态势中岸壁效应在目标船避碰中的影响和预计横向进距两个因素进行分析、求解的。在避碰过程中目标船向岸壁一侧转向避碰可能导致岸壁效应的产生，影响船舶安全航行。在受限水域中，船吸现象若不及时发现并加以施舵，极易导致事故发生。本发明实施例的相对领域除了考虑干扰船对目标船的影响，还考虑了船岸间的岸壁效应对目标船的影响。即本实施例中的船岸可变进距，是目标船基于船舶集群态势的相对领域针对岸壁效应的影响添加的距离长度。
本发明利用预计横向进距与船岸间距及船宽确定船岸可变进距。船岸间距即岸距，是指船舶靠近航迹带外侧边缘航行时，能够克服岸壁效应的最小距离。主要依据岸壁形式和船速两个因素来确定岸距，若航道位于波浪较大的水域环境内，岸距具体取值见表1。
若航道不受任何大的波浪影响，岸距具体取值见表2。
表1受较大波浪影响的岸距
Figure BDA0002254601520000134
Figure BDA0002254601520000141
表2不受大的波浪影响的岸距
Figure BDA0002254601520000142
对驶会遇局面下为保证航行的安全，需要保证目标船在安全避碰后到达的位置点航行时能够克服岸壁效应，因此对驶会遇局面下对驶局面下的船岸可变进距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000143
其中LB为船岸可变进距，
Figure BDA0002254601520000144
为目标船避碰的预计横向进距，WBg为船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距，B0为目标船的船宽。
在步骤S150中，在所述多个兴趣感知子区域内确定岸壁对目标船的船岸可变进距的权重因子以及干扰船对目标船的船间可变进距的权重因子。
根据船舶集群态势复杂性分析将各兴趣感知子区域对目标船的影响作用划分为干扰船对目标船的影响作用及岸壁对目标船的影响作用。在船舶集群态势复杂性分析时，通过模糊逻辑方法得到兴趣感知区域内干扰船及岸壁对目标船的作用力，进而获得兴趣感知子区域内干扰船对目标船的作用粒度，及岸壁对目标船的作用粒度。如表3所示，不同力的作用粒度用其所在区间内的实数表示，最大的作用粒度用1表示，为最大引力，最小的作用粒度用-1表示，为最大斥力。
表3不同作用力所对应的作用粒度
Figure BDA0002254601520000151
不同的作用粒度对基于船舶集群态势的相对领域的影响不同，因此本发明将干扰船对目标船的作用粒度fS作为船间可变进距的权重因子，将岸壁对目标船的作用粒度fB作为船岸可变进距的权重因子。
在步骤S160中，根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距。
该步骤中为方便基于船舶集群态势的相对领域的表示，本发明采用“径距”的概念。径距是在干扰船与目标船中心连线方向上，根据最小安全会遇距离与权重因子及可变进距求解得到的。因此兴趣感知子区域对应的可变径距的计算公式为：
Figure BDA0002254601520000152
其中i为不同的兴趣感知子区域，
Figure BDA0002254601520000153
为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的最小安全会遇距离，
Figure BDA0002254601520000154
为兴趣感知子区域i内干扰船对目标船的权重因子，
Figure BDA0002254601520000155
为兴趣感知子区域i内岸壁对目标船的权重因子，θi为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的相对方位，
Figure BDA0002254601520000156
为目标船对兴趣感知子区域i内干扰船的船间可变进距，
Figure BDA0002254601520000157
为目标船对兴趣感知子区域i内岸壁的船岸可变进距。
图9为本发明一实施例中左前侧兴趣感知子区域船间可变径距的示意图，如图9所示，以左前侧兴趣感知子区域为例，判断兴趣感知子区域内干扰船与目标船的会遇类型，分别求解最小安全会遇距离、船间可变进距及船岸可变进距，进而根据公式14求解左前侧径距D1如下：
图10为本发明一实施例中船舶集群态势下船间可变径距的示意图，如图10所示，运用相同的方法对船舶集群态势中其他兴趣感知子区域径距进行分析求解得到：
D＝[D1 D2 D3 D4 D5 D6] 公式(16)
图10中所示为：左前侧船岸可变径距D1、左后侧船岸可变径距D2、前侧船岸可变径距D3、后前侧船岸可变径距D4、右前侧船岸可变径距D5和右后侧船岸可变径距D6。
在步骤S170中，根据所述多个兴趣感知子区域的径距确定基于船舶集群态势的相对领域。
该步骤中，首先，根据所述多个兴趣感知子区域的径距分别确定得到多个边界点；其次，将所述多个边界点依次连接，得到不规则六边形，所述不规则六边形为所述船岸相对领域。
图11为本发明一实施例中基于船舶集群态势得到的船岸相对领域的示意图，如图11所示，确定了船舶集群态势内不同兴趣感知子区域的径距，在此基础上将各个径距靠近干扰船的点依次相连，得到的不规则六边形即为基于船舶集群态势的相对领域。通过以上对最小安全会遇距离及可变进距的分析、研究，得到基于船舶集群态势的相对领域。根据本发明对基于船舶集群态势的相对领域模型的分析、求解，得到受限水域内针对目标船舶集群整体的安全区域。
综上所述，采用本发明实施例提供的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，预计进距求解不仅考虑避碰操作后前进的距离，还考虑了船舶发现危险到完成避碰操作动作时间内船舶前进的距离。充分考虑了环境因素及船舶因素，增加了基于船舶集群态势的相对领域的准确性。建立的基于船舶集群态势的相对领域可实时针对所处集群态势进行改变，提高了船舶航行的安全性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，其包括：
根据船舶安全会遇距离将目标船的兴趣感知区域划分为多个兴趣感知子区域；
根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距；
根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距；
根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距；
在所述多个兴趣感知子区域内确定岸壁对目标船的船岸可变进距的权重因子以及干扰船对目标船的船间可变进距的权重因子；
根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距；
根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域。
2.如权利要求1所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距之前，还包括：
以所述目标船的中心为原点建立坐标轴，在所述坐标轴中获取干扰船相对于目标船的真方位；
根据所述真方位计算在所述兴趣感知子区域内干扰船与所述目标船的相对方位。
3.如权利要求1所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据目标船和干扰船的避碰操作前的航速、决策反应时间、操作反应时间分别计算目标船的预计进距和干扰船的预计进距包括：
所述目标船的预计进距的计算公式为：
其中
Figure FDA0002254601510000022
为目标船的预计进距，vl为目标船避碰操作前的航速为，
Figure FDA0002254601510000023
为决策反应时间，为操作反应时间，vl(t)为目标船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度；
所述干扰船的预计进距的计算公式为：
其中为干扰船的预计进距，vg为干扰船避碰操作前的航速为，
Figure FDA0002254601510000027
为决策反应时间，
Figure FDA0002254601510000028
为操作反应时间，vg(t)为干扰船在所述操作反应时间内任意时刻t的速度。
4.如权利要求3所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述预计进距包括预计横向进距和预计纵向进距。
5.如权利要求4所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述预计纵向进距包括目标船的预计纵向进距和干扰船的预计纵向进距，所述目标船的预计纵向进距计算公式为：
Figure FDA0002254601510000029
其中
Figure FDA00022546015100000210
为目标船的预计纵向进距，
Figure FDA00022546015100000211
为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向；
所述干扰船的预计纵向进距计算公式为：
Figure FDA00022546015100000212
其中
Figure FDA00022546015100000213
为干扰船的预计纵向进距，
Figure FDA00022546015100000214
为所述干扰船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
6.如权利要求4所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述预计横向进距为目标船的预计横向进距，所述目标船的预计横向进距的计算公式为：
Figure FDA0002254601510000031
其中为所述目标船的预计横向进距，
Figure FDA0002254601510000033
为所述目标船在操作反应时间内任意时刻t的航向。
7.如权利要求5所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据所述目标船的预计进距和所述干扰船的预计进距结合目标船的船长以及干扰船的船长计算对驶局面下的船间可变进距的计算公式为：
Figure FDA0002254601510000034
其中LS为船间可变进距，
Figure FDA0002254601510000035
为目标船避碰的预计纵向进距，
Figure FDA0002254601510000036
为干扰船避碰的预计纵向进距，L0为目标船的船长，L1为干扰船的船长。
8.如权利要求5所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据所述目标船的预计进距结合船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距和所述目标船的船宽计算对驶局面下的船岸可变进距的计算公式为：
Figure FDA0002254601510000037
其中LB为船岸可变进距，
Figure FDA0002254601510000038
为目标船避碰的预计横向进距，WBg为船舶靠近航迹带外侧边缘航行时的岸距，B0为目标船的船宽。
9.如权利要求1所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据所述船间可变进距、所述船岸可变进距、所述船岸可变进距的权重因子、所述船间可变进距的权重因子结合干扰船与目标船的最小安全会遇距离进行计算，得到兴趣感知子区域对应的可变径距包括：
Figure FDA0002254601510000039
其中i为不同的兴趣感知子区域，
Figure FDA0002254601510000041
为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的最小安全会遇距离，
Figure FDA0002254601510000042
为兴趣感知子区域i内干扰船对目标船的权重因子，
Figure FDA0002254601510000043
为兴趣感知子区域i内岸壁对目标船的权重因子，θi为兴趣感知子区域i内干扰船与目标船的相对方位，
Figure FDA0002254601510000044
为目标船对兴趣感知子区域i内干扰船的船间可变进距，
Figure FDA0002254601510000045
为目标船对兴趣感知子区域i内岸壁的船岸可变进距。
10.如权利要求9所述的受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法，其特征在于，所述根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距确定基于船舶集群态势的相对领域包括：
根据所述多个兴趣感知子区域的可变径距分别确定得到多个边界点；
将所述多个边界点依次连接，得到不规则六边形，所述不规则六边形为所述基于船舶集群态势的相对领域。
CN201911047996.0A 2019-10-30 2019-10-30 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法 Active CN110648557B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911047996.0A CN110648557B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911047996.0A CN110648557B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110648557A true CN110648557A (zh) 2020-01-03
CN110648557B CN110648557B (zh) 2020-11-10

Family

ID=69013884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911047996.0A Active CN110648557B (zh) 2019-10-30 2019-10-30 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110648557B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113759939A (zh) * 2021-11-11 2021-12-07 武汉理工大学 一种受限水域智能航行方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2078669A1 (en) * 2006-10-31 2009-07-15 The Yokohama Rubber Co., Ltd. Method and system for assisting steering/mooring of vessel
CN103198719A (zh) * 2013-03-27 2013-07-10 集美大学 基于pidvca原理的两船协调避让的优化方法
CN103207937A (zh) * 2013-04-15 2013-07-17 大连海事大学 一种四元船舶安全领域模型及船舶避碰方法
CN103204223A (zh) * 2013-04-15 2013-07-17 大连海事大学 一种模糊四元船舶安全领域模型及船舶避碰方法
CN107886773A (zh) * 2017-10-19 2018-04-06 天津大学 一种基于信息量的船舶所处会遇态势紧迫度量化分析方法
CN109976342A (zh) * 2019-03-22 2019-07-05 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2078669A1 (en) * 2006-10-31 2009-07-15 The Yokohama Rubber Co., Ltd. Method and system for assisting steering/mooring of vessel
CN103198719A (zh) * 2013-03-27 2013-07-10 集美大学 基于pidvca原理的两船协调避让的优化方法
CN103207937A (zh) * 2013-04-15 2013-07-17 大连海事大学 一种四元船舶安全领域模型及船舶避碰方法
CN103204223A (zh) * 2013-04-15 2013-07-17 大连海事大学 一种模糊四元船舶安全领域模型及船舶避碰方法
CN107886773A (zh) * 2017-10-19 2018-04-06 天津大学 一种基于信息量的船舶所处会遇态势紧迫度量化分析方法
CN109976342A (zh) * 2019-03-22 2019-07-05 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROMAN SMIERZCHALSKI 等: "Modeling of Ship Trajectory in Collision Situations by an Evolutionary Algorithm", 《IEEE TRANSACTIONS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION》 *
徐周华 等: "内河水域船舶领域三维模型的研究", 《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》 *
陈厚忠 等: "内河并列桥梁桥区水域船舶领域模型与通过能力研究", 《航海工程》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113759939A (zh) * 2021-11-11 2021-12-07 武汉理工大学 一种受限水域智能航行方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110648557B (zh) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fang et al. A simplified simulation model of ship navigation for safety and collision avoidance in heavy traffic areas
Sawada et al. Path following algorithm application to automatic berthing control
CN110444046B (zh) 一种受限水域非冲突会遇船舶集群态势分析方法
CN109460035A (zh) 一种无人艇高速状态下的二级自主避障系统及避障方法
CN113759939B (zh) 一种受限水域智能航行方法及装置
CN111861155B (zh) 船舶碰撞风险检测方法、系统、计算机设备和存储介质
CN109460021A (zh) 船只智能航行会遇航迹识别精算避碰系统
CN112578793B (zh) 一种快速运动水面艇的避障方法
CN109166355B (zh) 一种船舶航道航行时的变速避让系统
CN110796142B (zh) 一种基于船舶集群态势的船间相对领域获取方法
CN112419787B (zh) 一种船舶内河航行预警与辅助避碰方法及装置
CN107657144A (zh) 一种基于船舶ais和计程仪数据的近岸流场反演方法
CN110648557B (zh) 一种受限水域基于船舶集群态势的相对领域获取方法
CN110618685A (zh) 一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法
Zhao et al. Decision-making for the autonomous navigation of USVs based on deep reinforcement learning under IALA maritime buoyage system
CN110796899B (zh) 一种受限水域基于船舶集群态势的船岸相对领域获取方法
CN110414042B (zh) 一种冲突会遇局面下船舶集群态势分析方法
CN116029554B (zh) 基于受限水域船舶风险评估模型参数校正的风险评估方法
CN112396869A (zh) 一种极地编队船舶协同航行及预警方法
Yasukawa et al. Simulation study of the effect of loading condition changes on the maneuverability of a container ship
CN111984006B (zh) 融合海流及尺度差异影响的无人艇多目标会遇避碰方法
CN112037581B (zh) 船舶碰撞风险量化方法、系统和存储介质
CN110415562B (zh) 一种受限水域冲突会遇船舶集群态势分析方法
Zhang et al. Collision avoidance path planning of open water ships based on velocity obstacle method
CN112373642A (zh) 一种基于船舶领域的内河船舶追越行为检测及跟踪方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant