CN111028546A - 基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统和方法，该多船协同避碰系统和方法应用于智能船舶的先进技术领域；该系统包括岸基控制中心、沿海岸线布设的岸基雷达子系统和位于智能船舶上的船舶感知子系统，其中，将船舶感知子系统和岸基雷达子系统感知的监测数据进行融合以生成融合数据，以及将融合数据发送给岸基控制中心；岸基控制中心通过对融合数据进行分析处理以监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，并在监测到待监测海域内的船舶存在碰撞危险时根据智能船舶的航行状况和普通船舶的航行状况生成避碰指令，以及将避碰指令发送给智能船舶，以便智能船舶根据避碰指令对自身航向和航速进行控制、局部航线优化、编队处理。

Description

基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统和方法

技术领域

本发明涉及智能船舶避碰领域，特别涉及一种基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统。

背景技术

随着国民经济的增长，人工智能和数字通信技术的快速发展，航运事业中关于无人驾驶船舶(即智能船舶)的研发越来越受到更多人的关注。航运事业的发展，同样带来了船舶数量和海域交通密度以及危险货物装载量的不断增加，海损事故也时有发生，严重威胁船舶航行安全和海洋生态环境。航运界在对智能船舶翘首以待的同时，对其航行安全也提出了担忧。无人驾驶船舶在一定程度上冲击着人员操作为基础的水域通航秩序，甚至可能威胁整个航运安全。

目前已有的船舶雷达一般都是船载设备，主要用于海域内环境扫测，但是船用雷达容易出现失真的现象，而且受周围雨雪、波浪等杂波的干扰比较严重。另外，在部分沿海港口布设岸基雷达，是为了对港口附近海域内的人工操作船舶实时监控，对其海洋交通动态监测，该岸基雷达只实现了对部分海域内船舶的动态监视功能，无法对大范围海域船舶的航行动态实现智能监测和控制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其基于岸基雷达和船舶自身感知系统，通过多个岸基雷达实现对船舶航行信息的数据监测，和感知系统对海域内船舶航行态势监测，将多源数据传递给岸基控制中心，通过对数据的分析整理，根据碰撞危险度评估标准对智能船舶作出避碰决策方案。

根据本发明的一种基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，包括岸基控制中心、沿海岸线布设的岸基雷达子系统和位于智能船舶上的智能船舶感知子系统，岸基控制中心与岸基雷达子系统之间、岸基控制中心与智能船舶感知子系统之间、智能船舶感知子系统与岸基雷达子系统之间进行无线通信，其中，

智能船舶感知子系统对自身智能船舶信息、周围环境信息和普通船舶信息进行监测以生成第一监测数据，并将第一监测数据发送给岸基雷达子系统；

岸基雷达子系统对待监测海域内的所有船舶信息和环境信息进行监测以生成第二监测数据，并将第二监测数据与第一监测数据进行融合以生成融合数据，以及将融合数据发送给岸基控制中心；

岸基控制中心通过对融合数据进行分析处理以监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，并在监测到待监测海域内的船舶存在碰撞危险时根据智能船舶的航行状况和普通船舶的航行状况生成避碰指令，以及将避碰指令发送给智能船舶，以便智能船舶根据避碰指令对自身航向和航速进行控制。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基控制中心对融合数据进行分析处理以计算待监测海域内船舶之间的安全会遇距离和船舶密集程度，并根据安全会遇距离和船舶密集程度监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险。

作为本技术方案的进一步优选的：安全会遇距离根据以下公式计算：

z₀＝aσ_x

其中，z₀为安全会遇距离，a为会遇距离系数，且根据船舶相遇发生碰撞的概率计算得到，σ_x为均方差，且σ_x＝0.008L²+0.084L，L为船舶长度。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基控制中心还根据船舶密集程度判断待监测海域是否为繁忙海域，并在待监测海域为繁忙海域时，其中，

如果繁忙海域包括智能船舶和普通船舶，则在繁忙海域内的船舶存在碰撞危险时，岸基控制中心向智能船舶发送局部航线规划指令，以便智能船舶通过改变航向和航速的方式进行编队避让；

如果繁忙海域只包括智能船舶，则在繁忙海域内的船舶存在碰撞危险时，岸基控制中心根据智能船舶的航向角度生成避碰指令，其中，当智能船舶的航向角度在±45°以内时，岸基控制中心向智能船舶发送局部航线重新规划指令，以便智能船舶形成队列航行路线；当智能船舶的航向角度超出45°时，岸基控制中心向智能船舶发送减速指令，以便智能船舶降低航速。

作为本技术方案的进一步优选的：当待监测海域为空闲海域时，其中，

如果空闲海域包括智能船舶和普通船舶，则在空闲海域内的船舶存在碰撞危险时，岸基控制中心向智能船舶发送航线重新规划指令，以便智能船舶对航线重新规划；

如果空闲海域只包括智能船舶，则在空闲海域内的船舶存在碰撞危险时，岸基控制中心根据智能船舶的航向角度生成避碰指令，其中，当智能船舶的航向角度在±45°以内时，岸基控制中心向智能船舶发送局部航线重新规划指令，以便智能船舶形成队列航行路线；当智能船舶的航向角度超出45°时，岸基控制中心向智能船舶发送减速指令，以便智能船舶降低航速。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基控制中心还根据融合数据监测到待监测海域内存在障碍物时，如果待监测海域内的船舶存在碰撞危险，岸基控制中心则向智能船舶发送航线重新规划指令，以便智能船舶对航线重新规划。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基控制中心根据以下公式进行航线重新规划：

其中，Q为油耗，t为时耗，T_w为海洋环境给予的推力，T_R为船舶航行过程中的总阻力，S为航线重新规划的航程，v为船舶航速，f()为航线根据目标函数计算的函数值。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基雷达子系统包括多个岸基雷达，多个岸基雷达沿海岸线均匀布设以形成链状系统。

本发明的第二个目的在于提出一种基于岸基雷达的多船协同避碰方法，其特征在于，岸基雷达沿海岸线布设以形成岸基雷达子系统，岸基雷达子系统与位于智能船舶上的智能船舶感知子系统之间进行无线通信，方法包括以下步骤：

通过智能船舶感知子系统对自身智能船舶信息、周围环境信息和普通船舶信息进行监测以生成第一监测数据，并将第一监测数据发送给岸基雷达子系统；

岸基雷达子系统对待监测海域内的所有船舶信息和环境信息进行监测以生成第二监测数据，并将第二监测数据与第一监测数据进行融合以生成融合数据，以及将融合数据发送给岸基控制中心；

岸基控制中心通过对融合数据进行分析处理以监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，并在监测到待监测海域内的船舶存在碰撞危险时根据智能船舶的航行状况和普通船舶的航行状况生成避碰指令，以及通过与智能船舶进行无线通信以将避碰指令发送给智能船舶，以便智能船舶根据避碰指令对自身航向和航速进行控制。

作为本技术方案的进一步优选的：岸基控制中心通过对融合数据进行分析处理以监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，包括：

岸基控制中心对融合数据进行分析处理以计算待监测海域内船舶之间的安全会遇距离和船舶密集程度，并根据安全会遇距离和船舶密集程度监测待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险。

本发明的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统在监测海域内船舶通过局部航线规划和控制航速的方式实现避碰，局部航线规划以省时且耗费油量较少为原则进行的航线规划；智能船舶对监测海域内事物的避碰分为多种情况，并相应给出避碰方案；岸基雷达和船舶感知设备实现双通道信息交互方式，船舶自身感知数据传递给岸基雷达，雷达接收数据结合自身监测数据，对船舶的航行状态分析更加精准。

附图说明

图1为本发明的岸基雷达面向智能船舶多船协同避碰系统框架图；

图2为本发明的智能船舶之间避碰流程图；

图3为本发明的智能船舶对普通船舶实现避碰功能流程图；

图4为本发明的智能船舶对障碍物实现避碰功能流程图。

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。

在一个实施例中，本发明的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统主要包括智能船舶感知系统、岸基雷达系统和岸基控制中心三部分。

(一)智能船舶感知系统

智能船舶感知系统，可自动采取和追踪目标以及自动显示来船的位置、航向、航速、相对运动和碰撞危险数据，并可用图像方式自动显示相遇船舶运动矢量线、可能碰撞点、预测危险区等信息，还可以进行避碰试操作。随着智能船舶感知系统的不断开发研究，可连续向其他船舶传送船舶自身数据，并可连续接收其他船舶的数据，如船名、船舶种类、船舶尺度、装载情况、航行状态和航行计划等。船舶感知设备能把船舶信息通过高频发送到其他船舶上，使临近船舶及时掌握附近海域所有船舶的动静态信息，得以立刻互相通话协调，采取必要的避让行动，这有利于减少因船舶识别和避碰决策失误引起的船舶碰撞事故。

下面主要对用于智能船舶避碰的设备功能进行描述：

智能船舶避碰系统主要是利用智能船舶AIS(智能船舶自动识别系统)、导航雷达等船用设备对船舶航行信息进行采集和传递，通过对采集信息的分析实现避碰功能。

AIS感知系统是一种应用于船与岸、船与船之间的海事安全与通信的船舶助航系统，能自动对船舶之间、船岸之间的静态信息、动态信息进行交换传递，船舶上的AIS设备在向外发送信息的同时，也可以接收覆盖范围内的其他信息。同时，AIS系统还可以与雷达等智能船舶终端设备实现连接，构成海上交管和监视网络，有效减少船舶碰撞事故的发生。

AIS在恶劣环境下，工作在VHF频段，产生的电磁波具有绕射的功能，对于雷达盲区，如障碍物后的物标可准确的探测，大大增加了海上航行的安全性，而且AIS系统能及时获得目标船的各种信息类型，如静态信息、动态信息和其他信息。当目标船运动模型相对简单时，静态信息可以准确的确定目标的运动模型。动态信息如目标船位置、航速、航向和转向速度等，这些信息可以帮助船舶操作者防止碰撞事故的发生。

导航雷达是利用目标对无线电波的反射、转发或固定辐射现象来发现目标并测定目标位置及运动参数的无线电技术，是船用设备中最重要的组成设备之一，通过对外发射固定频率的电磁波并检测回波信号，回波信号结合其他导航设备和传感器获取数据，实现助航、避碰等，从而增加航行安全。其在船舶上主要用于定位、避碰和导航，雷达所具有的功能有：

1、在沿海航行或出入港时，清晰显示陆地和其他固定危险物；

2、提供回波图像，增强对现场情况的意识；

3、以船对船模式，提供避碰决策辅助；

4、发现小型浮动或固定障碍物，保证自身船舶安全；

5、发现浮动或固定的助航标注；

6、自适应杂波抑制功能，满足各种海况和天气下的使用要求；

7、全自动跟踪标绘，自动预警高速目标。

导航雷达所具有的的特点是：1)自备系统：自发自收；2)微波脉冲雷达：图像分辨率高，测距精度高，具有两种波段，可在不同环境下使用。峰值功率很大，平均功率小；3)显示器采用平面位置显示：用极坐标的形式显示相对本船的方位和距离；4)雷达所能发现的目标：船舶、岛屿、浮标、海浪杂波和雨雪、云雾杂波。直接测得的目标信息：相对位置(距离和方位)。

(二)岸基雷达系统

岸基雷达系统的主要功能是对监测海域内船舶的的航行状态进行识别和跟踪，实时获取最新的信息和数据，高效识别监测目标。雷达组网不仅提高了对船舶的探测和识别能力，而且还增强了雷达的抗干扰能力和识别隐身目标能力。在实际应用中，电磁波干扰会影响雷达的强度，探测、定位、识别等功能被削弱，容易出现错误。在船舶航行过程中，由于航线的多样性和雷达识别范围的限制，部分船舶会发生遮挡情况，导致监测的船舶数据不完善，从而对船舶的航行态势无法及时掌握。

岸基雷达系统是在海岸线范围内均匀布设雷达，雷达位置的合理配置是基于固定的雷达监测范围，在其监测范围内最大化的拓展，进而有效增加其探测覆盖范围。为了保证雷达组网稳定、可靠的的工作运行，区域覆盖冗余度要保证适当。由于海岸线范围变化大、距离长等原因，错开部署频率重叠的雷达，并保持合理的距离是雷达布设的基本依据。

合理配置同一区间内的雷达数目，防止雷达过多的重叠而造成资源浪费。调整相邻雷达的单元间距，保证在合适的距离，不宜过远或过近，各雷达能够相互促进和配合，提高工作效率，实现监测海域内的全面覆盖。对于沿线港口等繁忙海域内的雷达布设，需要根据具体要求合理配置雷达，提高繁忙海域内的雷达监测功能。

智能船舶感知系统与岸基雷达之间信息的交互采用双通道方式，智能船舶感知系统将感知的数据信息传递给岸基雷达，岸基雷达通过对监测海域内的船舶航行状态进行检测，结合智能船舶自身传递的数据信息对监测海域内船舶航行态势进行判断分析。采用双通道监测的方式提高了监测信息的准确性，更能准确掌握船舶的航行状态。

(三)岸基控制中心

岸基控制中心是对智能船舶控制的监控中心，通过接收智能船舶自身以及雷达传递的信息对监测海域内的所有船舶的航行状态进行分析，判断该海域内船舶是否会发生碰撞危险。如果监测到海域内船舶有碰撞的危险，对该海域内有碰撞危险的智能船舶发送局部航线规划指令，使涵盖海域内的有碰撞危险的智能船舶对局部航线重新规划。

智能船舶局部航线规划的依据是：对船舶碰撞危险度的判断；船舶危险度是船舶之间发生碰撞可能性的度量。当危险度取值为0时，说明两船没有发生碰撞危险，不可能发生碰撞，即使目标船舶在本船附近也无关；当危险度取值为1时，说明单凭本船无论采取如何避碰行动都无法避免与目标船的碰撞。因此碰撞危险度是衡量船舶会遇时碰撞危险度的一个标准，在多船会遇处于危险界面时，可以作为选在重点避碰船舶的参考依据。

船舶岸基控制中心与船舶自身以及岸基雷达之间实现信息的多源数据交互融合，控制中心系统需要实现多雷达对同一船只探测数据的融合，需要对多雷达的航迹数据的时空配准、误差补偿、相关处理、点迹合并求精、目标跟踪滤波等处理。

在另一个实施例中，本发明的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统通过岸基控制中心对多源数据的交互融合，实现对船舶航行态势的准确判断，对智能船舶的局部航线规划提供可靠依据。

在图1中，智能船舶对自身船舶信息以及普通船舶的船舶信息、周围环境信息进行监测，将采集的所有信息通过无线通讯方式传递给岸基雷达，岸基雷达同时也会对监测海域内的智能船舶和普通船舶进行信息的监测，最后将采集和传递的所有信息进行融合之后发送给岸基控制中心，岸基控制中心根据收集的数据信息，直接对智能船舶发出控制指令，使智能船舶根据控制指令作出相应动作。

其中，智能船舶与普通船舶向岸基雷达传递的信息包括有：环境因素：风、浪、流、能见度、浪高、周围环境海底状况等；船舶因素：船长、船宽、船舶操纵性能、船速比、船舶位置、船舶之间的距离等，智能船舶和普通船舶将信息进行相关信息的融合处理后，以数据库的方式通过无线发送传递给岸基雷达。岸基雷达对监测范围内的船舶以及环境信息进行监测，监测的信息与之前的信息相似，也是通过融合处理之后，以数据库的形式通过无线发送传递给船舶岸基控制中心，为岸基控制中心决策指令的发出提供数据依据。

基于岸基雷达的多船协同避碰系统对船舶在航行过程中危险评估采用的是是否有碰撞危险的存在，根据碰撞危险评估数值的大小决定是否采取避让行为。在船舶航行过程中，采用船舶会遇距离对船舶的安全性能进行评估。其中，船舶的安全会遇距离受多种因素的影响，其中船舶在会遇时，由于存在兴波，二者之间会产生船吸效应，船速越大，船间距离越短，航行船舶之间的这种船吸效应越强烈。计算过程如下：

x₁、x₂分别表示两船舶偏离航道轴线的距离，x₁和x₂是正态分布的随机变量，且x₁和x₂二者无关联，因为一艘船偏离航道轴线与另一艘船偏离航道轴线无关，由此可以得出：

z＝z₀-(x₁+x₂)

式中：z₀是会遇船舶应保持的安全间距；z是会遇船舶的间距。

由上式可以看出，若z＞0，即x₁+x₂＜z₀，则无碰撞危险；若z＜0，即x₁+x₂＞z₀，则碰撞危险存在，若z₀＝z₀-z＝x₁+x₂，则x₁的正态分布函数f(x₁)和x₂的正态分布函数f(x₂)的综合表达式为：

对上式进行计算得出：

由上式可得：

从而得出，相遇船舶的横间距分布规律服从正态分布，因此，船舶相遇发生碰撞的概率可以表示为：

假定

则上式可以变形为：

引入拉普拉斯参数

由于

计算最终可得：

从上式中可以看出，如果在航道设计时预先给出小值概率P，则可求出相应的z₀。

实际情况下，设定船舶碰撞的危险态势出现的概率P控制在0.005，则：

考虑到船舶航行的准确性差异不大，在此情况下，可令σ_x1＝σ_x2，因此可得：

z₀＝3.616σ_x

均方差σ_x与船舶的尺度有关，通常，均方差σ_x与船舶长度L之间具有以下近似关系，σ_x＝0.008L²+0.084L，由此可得：

σ_x＝0.002893L²+0.303744L

根据计算结果可知，不同尺度船舶所需的安全距离不同，相遇船舶的安全会遇距离与船舶尺度有关，船型越大，船舶之间的安全会遇距离越大。

在另一个实施例中，本发明的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统还需对船舶航行海域内的船舶密集高度进行判断。判断航行海域内是否为繁忙海域的方法为：

海域内船舶数量的统计是基于船舶系统实时传递的船舶的经纬度数据，通过实时对船舶位置信息的处理分析，判断船舶一定海域内的船舶密集程度。

设定以本船船舶为中心船舶领域以外1平方海里范围内的海域为船舶密集程度监测范围。该海域内初始船舶存在密度，记为:

ρ＝Q/S

其中，Q表示该海域内的船舶总量，S表示海域面积。初始船舶存在密度为：ρ₀＝Q₀/S₀，其中，Q₀表示当前海域内的初始船舶总数，S₀表示当前初始海域面积。

船舶监测海域是固定的，具有一定的范围，因此将该范围平均划分成N(N＝X×Y)个网格子海域，其中，X表示行数，Y表示列数。将每个网格子海域记为R_ij，i表示行号，j表示列号，统计每个网格子海域内的船舶数量。采用这样的划分方式方便船舶的统计，同时可以知道船舶周围哪个区域内的船舶数量较多，方便及时做出相应的决策。

最终，根据划分好的网格子海域，计算N个网格的船舶密度：

ρ_ij＝Q_ij/S_ij

当ρ≥ρ_ij时，表示当前监测海域船舶密度大，需要对其中的船舶实行避让行为。对于避让行为结束的判断是，当监测海域内ρ＜ρ_ij时，说明已经度过危险区域，可以重新规划航线。采用这种判断方法的好处是，海域内船舶数据是实时更新的，需要实时对海域内的船舶数量及密度进行判断，因此不会因为延迟而导致判断错误原因的发生。

利用上面的航行海域繁忙程度的判断，给出下面几种情况，分别对其中的每种情况进行介绍并给出相应的避碰方案。

(一)繁忙海域内包含有智能船舶与普通船舶的情况

繁忙海域一般是指沿海的港口位置或者特殊航道内船舶数量较多，其中既有普通船舶，同时也有智能船舶，智能船舶对普通船舶的避碰方式是：

1、监测该海域内智能船舶与普通船舶通过危险度分析判断是否存在碰撞危险；

2、根据监测判断结果，无碰撞危险，智能船舶可正常按规划航线航行；存在碰撞危险时，岸基控制中心对该海域内的智能船舶发送航线规划指令。

3、监测海域内有碰撞危险的智能船舶接收岸基指令，通过改变船舶航向和航速的方式，采用编队管理方式行驶。

4、安全行驶过危险海域后，智能船舶自主重新规划航线，继续向目的地航行。

在繁忙海域内，由于船只数量较多，如果智能船舶的局部航线规划仍无法规避碰撞危险，岸基控制中心应在监测到智能船舶有碰撞危险的最远距离处，对智能船舶发送减慢航速行驶的指令，甚至传递锚泊指令，躲避繁忙海域内的碰撞危险。

(二)繁忙海域内只包含智能船舶的情况

繁忙海域内只包含有智能船舶，对监测海域内智能船舶的航行信息进行分析，监测是否存在碰撞危险，当海域内船舶有碰撞危险时，根据航向角度的不同给予不同的指令。

1、监测海域内有碰撞危险的船舶，船舶航行方向偏差在±45度以内，则对该部分智能船舶发送局部航线重新规划指令，使该部分船舶形成队列航行路线，安全驶过危险海域。

2、对监测海域内船舶航行方向大于±45度的情况，岸基控制中心发送船舶减速指令，使智能船舶接收指令，降低船舶航速，躲避碰撞危险海域，待无碰撞危险时，恢复正常航速向目的地航行。

(三)空闲海域内包含智能船舶和普通船舶的情况

空闲海域是指船舶数量较少的海域，该海域内也会包含智能船舶和普通船舶。该海域内对有碰撞危险的船舶的决策方式是：

岸基控制中心结合多源数据分析结果，对该海域内的船舶航行状态进行分析。监测到有碰撞危险的情况下，较早时间内向智能船舶发送航线规划指令，在油耗可承受范围内，依据国际海上避碰规则，对智能船舶的航线进行重新规划，实现对有人操作船舶的避碰操作。

(四)空闲海域内只包含智能船舶的情况

在空闲海域内，只包含智能船舶的情况，船舶岸基控制中心对智能船舶的航行信息进行分析判断，对航行方向偏差不超过±45度的智能船舶采用局部航线规划方式，改变智能船舶的航向和航速，实行编队管理方式；对航行方向偏差超过±45度的智能船舶采用减慢航速的处理方式，躲避碰撞危险，待危险消除之后，恢复航速向目的地航行。

(五)监测海域内存在障碍物的情况

监测海域内障碍物包括有岛屿、浮标、沉船、暗礁等，部分障碍物也在按一定的速度移动，但是移动速度是不断变化的，因此，监测海域内，智能船舶对障碍物的避碰也是需要考虑的重要情况。

在另一个实施例中，本发明的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统的岸基控制中心根据传递的多源数据计算结果对碰撞危险度进行分析，当分析有碰撞危险的同时，发送船舶局部航线规划指令，较早时间使智能船舶对障碍物作出避碰动作，避免因障碍物移动速度不确定导致碰撞和较短时间避碰有碰撞危险情况的发生。

图2-4是监测海域内船舶避碰的信息传递流程图。

如图2所示，当监测海域内只有智能船舶行驶时，对该海域内智能船舶的航行信息通过船舶自身无线通讯设备/感知设备将信息传递给岸基雷达，岸基雷达收集船舶传递的航行信息、自身监测的船舶数据信息、多个岸基雷达对船舶全方位监测数据信息三方面的数据信息，并对数据信息通过交互融合算法计算，最后将融合之后的数据信息传递给岸基控制中心，岸基控制中心根据对数据的分析，对海域内智能船舶发送局部航线规划或船舶航速控制决策指令，保证船舶航行安全。

如图3所示，当海域内智能船舶与普通船舶混合航行时，对该海域内智能船舶和普通船舶的航行信息通过船舶自身无线通讯设备/感知设备将信息传递给岸基雷达，岸基雷达收集船舶传递的航行信息、自身监测的船舶数据信息、多个岸基雷达对船舶全方位监测数据信息三方面的数据信息，对数据信息通过交互融合算法计算，将融合后的数据信息传递给岸基控制中心，岸基控制中心根据对数据的分析，对海域内智能船舶发送局部航线规划或船舶航速控制决策指令，保证船舶航行安全。

如图4所示，当监测海域内有智能船舶和障碍物时，对该海域内智能船舶航行信息和障碍物信息通过船舶自身无线通讯设备/感知设备将信息传递给岸基雷达，岸基雷达收集船舶传递的航行信息、自身监测的船舶数据信息、多岸基雷达对船舶全方位监测数据信息三方面的数据信息，对数据信息通过交互融合算法计算，将融合后的数据信息传递给岸基控制中心，岸基控制中心根据对数据的分析，对海域内智能船舶发送局部航线规划决策指令，保证船舶航行安全。

对于以上智能船舶对智能船舶、普通船舶的避让中有对其进行的局部航线规划，局部航线规划是在不影响智能船舶原本航行路线的基础上寻找一条航行时间最短以及最经济和最安全的航线。在进行局部航线或者全局航线规划时，主要以大圆航线为参考路线，因为大圆航线是公认的最省时的航行路线。针对于此，结合气象环境从油耗和时耗两方面给出最优局部航线：

其中，f(x)为航线根据目标函数计算的函数值；：T_R为船舶航行过程中的总阻力推力；T_w为海洋环境给予的推力；S为局部航线规划的航程，该局部航线的总航程为：

v为船舶航速。

此处局部航线规划采用的方式是：利用当前海上有利风向作为辅助推动力，利用风向是在保证航速不变的情况下，尽量降低船舶主机的推动力，达到省油省时的目的。在船舶行驶的航行上，主机输出力、航行总路程以及油耗之间的关系是：

其中：T_e为主机的有效推力；

N为局部航线上的航路点数；

i为第i段恒向线。

当船舶航速一定时，根据牛顿第一定律，有：

R＝T_e+T_w

其中：R为船舶航行过程中的总阻力；

综合以上有：

当前为了最快速的躲避碰撞危险，采用饶航和改变航向的方式，尽可能的利用当前的海洋环境和当前的监测海域内可能发生碰撞危险的船舶的具体航行信息，对其进行局部航线规划。船舶在局部航线规划时将航线划分成多个N-1段恒向线，在整段局部航线上保证船舶动力不变，此时的航线航时表示为：

其中，v₀为静水速度；v_w为海洋风场速度；α为船体迎风角。

针对当前海域内船舶可能发生的碰撞危险对其进行局部航线规划，结合当前的海洋环境采用最省时、燃油最少的航线。

岸基雷达在该多船协同避碰系统中具有重要作用，船舶自身感知数据可与岸基数据进行交互融合，同时多个岸基雷达的数据信息也可实现信息融合，这样可以实现对监测海域内所有船舶以及障碍物情况实现全方位的监测，收集的数据对岸基控制中心决策的提出具有重要帮助作用。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，包括岸基控制中心、沿海岸线布设的岸基雷达子系统和位于智能船舶上的智能船舶感知子系统，所述岸基控制中心与所述岸基雷达子系统之间、所述岸基控制中心与所述智能船舶感知子系统之间、所述船舶感知子系统与所述岸基雷达子系统之间进行无线通信，其中，

所述智能船舶感知子系统对自身智能船舶信息、周围环境信息和普通船舶信息进行监测以生成第一监测数据，并将所述第一监测数据发送给所述岸基雷达子系统；

所述岸基雷达子系统对待监测海域内的所有船舶信息和环境信息进行监测以生成第二监测数据，并将所述第二监测数据与所述第一监测数据进行融合以生成融合数据，以及将所述融合数据发送给所述岸基控制中心；

所述岸基控制中心通过对所述融合数据进行分析处理以监测所述待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，并在监测到所述待监测海域内的船舶存在碰撞危险时根据所述智能船舶的航行状况和所述普通船舶的航行状况生成避碰指令，以及将所述避碰指令发送给所述智能船舶，以便所述智能船舶根据所述避碰指令对自身航向和航速进行控制。

2.如权利要求1所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述岸基控制中心对所述融合数据进行分析处理以计算所述待监测海域内船舶之间的安全会遇距离和船舶密集程度，并根据所述安全会遇距离和所述船舶密集程度监测所述待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险。

3.如权利要求2所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述安全会遇距离根据以下公式计算：

z₀＝aσ_x

其中，z₀为所述安全会遇距离，a为会遇距离系数，且根据船舶相遇发生碰撞的概率计算得到，σ_x为均方差，且σ_x＝0.008L²+0.084L，L为船舶长度。

4.如权利要求2所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述岸基控制中心还根据所述船舶密集程度判断所述待监测海域是否为繁忙海域，并在所述待监测海域为繁忙海域时，其中，

如果所述繁忙海域包括智能船舶和普通船舶，则在所述繁忙海域内的船舶存在碰撞危险时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送局部航线规划指令，以便所述智能船舶通过改变航向和航速的方式进行编队避让；

如果所述繁忙海域只包括智能船舶，则在所述繁忙海域内的船舶存在碰撞危险时，所述岸基控制中心根据所述智能船舶的航向角度生成所述避碰指令，其中，当所述智能船舶的航向角度在±45°以内时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送局部航线重新规划指令，以便所述智能船舶形成队列航行路线；当所述智能船舶的航向角度超出45°时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送减速指令，以便所述智能船舶降低航速。

5.如权利要求4所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，当所述待监测海域为空闲海域时，其中，

如果所述空闲海域包括智能船舶和普通船舶，则在所述空闲海域内的船舶存在碰撞危险时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送航线重新规划指令，以便所述智能船舶对航线重新规划；

如果所述空闲海域只包括智能船舶，则在所述空闲海域内的船舶存在碰撞危险时，所述岸基控制中心根据所述智能船舶的航向角度生成所述避碰指令，其中，当所述智能船舶的航向角度在±45°以内时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送局部航线重新规划指令，以便所述智能船舶形成队列航行路线；当所述智能船舶的航向角度超出45°时，所述岸基控制中心向所述智能船舶发送减速指令，以便所述智能船舶降低航速。

6.如权利要求2所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述岸基控制中心还根据所述融合数据监测到所述待监测海域内存在障碍物时，如果所述待监测海域内的船舶存在碰撞危险，所述岸基控制中心则向所述智能船舶发送航线重新规划指令，以便所述智能船舶对航线重新规划。

7.如权利要求4-6中任一项所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述岸基控制中心根据以下公式进行航线重新规划：

其中，Q为油耗，t为时耗，T_w为海洋环境给予的推力，T_R为船舶航行过程中的总阻力，S为航线重新规划的航程，v为船舶航速，f()为航线根据目标函数计算的函数值。

8.如权利要求1-7中任一项所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰系统，其特征在于，所述岸基雷达子系统包括多个岸基雷达，所述多个岸基雷达沿海岸线均匀布设以形成链状系统。

9.一种基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰方法，其特征在于，所述岸基雷达沿海岸线布设以形成岸基雷达子系统，所述岸基雷达子系统与位于智能船舶上的智能船舶感知子系统之间进行无线通信，所述方法包括以下步骤：

通过所述智能船舶感知子系统对自身智能船舶信息、周围环境信息和普通船舶信息进行监测以生成第一监测数据，并将所述第一监测数据发送给所述岸基雷达子系统；

所述岸基雷达子系统对待监测海域内的所有船舶信息和环境信息进行监测以生成第二监测数据，并将所述第二监测数据与所述第一监测数据进行融合以生成融合数据，以及将所述融合数据发送给岸基控制中心；

所述岸基控制中心通过对所述融合数据进行分析处理以监测所述待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，并在监测到所述待监测海域内的船舶存在碰撞危险时根据所述智能船舶的航行状况和所述普通船舶的航行状况生成避碰指令，以及通过与所述智能船舶进行无线通信以将所述避碰指令发送给所述智能船舶，以便所述智能船舶根据所述避碰指令对自身航向和航速进行控制。

10.如权利要求9所述的基于岸基雷达面向智能船舶的多船协同避碰方法，其特征在于，所述岸基控制中心通过对所述融合数据进行分析处理以监测所述待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险，包括：

所述岸基控制中心对所述融合数据进行分析处理以计算所述待监测海域内船舶之间的安全会遇距离和船舶密集程度，并根据所述安全会遇距离和所述船舶密集程度监测所述待监测海域内的船舶是否存在碰撞危险。

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