CN111159918A - 一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法及系统 - Google Patents

一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法，包括：S1、基于三维仿真场景，依据待测目标，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集。S2、依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点。S3、依据待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，进行船舶航行辅助决策。还提供一种沿海船舶航行仿真辅助决策系统，包括：第一存储单元、处理单元和前台呈现单元。使两个较大物体间、或是点与较大物体间最短距离的计算更加简单、精确。

Description

一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶航行辅助决策技术领域，尤其涉及一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法及系统。
背景技术
船舶沿岸航行或在港口码头进行航行时，若与岸边距离过近，极易发生碰撞危险。目前在船舶航行过程中，可通过肉眼预判和测距装置进行测距，其中测距装置包括激光测距传感器、超声波技术和GPS。但是肉眼预判的误差较大，当船舶行驶到与附近陆地距离过近且有碰撞危险时，不能提前预警，航行极具危险性；而购买测距装置会耗费大量的成本，且测距装置需要人工布置，具有一定的复杂性，测距位置单一，并且无法灵活测量船舶在既定航线中的任意位置与岸边的距离。
在船舶航行的三维仿真当中极易自动计算两点间的距离，却无法自动计算两个较大物体之间、或是点与较大物体间的最短距离，因此在仿真场景中快速、准确地自动计算得到船舶与岸边的距离、既定航线中任意位置与岸边的距离是亟需解决的问题。
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，本发明提供了一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法及系统。使两个较大物体间、或是点与较大物体间最短距离的计算更加简单、精确。
(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：
一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法，包括以下步骤：
步骤S1、基于三维仿真场景，依据待测目标，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集。
步骤S2、依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
步骤S3、依据待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，进行船舶航行辅助决策。
作为本发明方法的一种改进，待测目标包括待测船舶和/或既定航线上的待测航路点。
作为本发明方法的一种改进，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，包括：若待测目标包括船舶，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测船舶重心水平距离在20length以下的离散点；若待测目标包括既定航线上的航路点，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测航路点20length以下的离散点。
作为本发明方法的一种改进，步骤S2包括：依据离散点集和预先优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶左侧的每一个离散点与离散点集中每一个位于待测船舶左侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其左侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点；以及，依据离散点集和预先优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶右侧的每一个离散点与离散点集中每一个位于待测船舶右侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其右侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
和/或，
依据离散点集和待测航路点，计算待测航路点与离散点集中每一个海岸线离散点间的距离，获得待测航路点与海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
作为本发明方法的一种改进，在步骤S1之前，还包括：基于三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；和/或，基于三维仿真场景，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
作为本发明方法的一种改进，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合，包括：
A1、在沿海岸线分布的每一相邻离散点i和i+1间，插入与离散点i相距j且在直线l上的离散点elementj；其中，直线l为离散点i和离散点i+1确定的直线，j＝1。
A2、令j＝j+1，判断j是否小于D，若是，重复步骤A1，若否，依据离散点i、离散点i+1和离散点elementj，获取优化的海岸线离散点集合；其中，D为离散点i和离散点i+1之间的距离。
作为本发明方法的一种改进，在步骤S1之前，还包括：基于三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点。
依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点，包括：根据用户所选择的目标位置和既定航线上的航路点确定第一直线；以航路点为切点确定的切线为第二直线；根据第一直线与第二直线相垂直，获得航路点集；从航路点集中选取距目标位置最近的航路点作为待测航路点。
一种沿海船舶航行仿真辅助决策系统，包括：第一存储单元，用于存储预先优化的海岸线离散点集合。处理单元，用于基于三维仿真场景，依据待测目标，从所述预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集；并依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点。前台呈现单元，用于依据预设连线颜色显示规则、所述待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，在前台呈现待测目标与海岸线间最短距离连线及所述连线的颜色。
优选地，上述系统还包括：航路点确定单元，用于基于三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点。第二存储单元，用于存储预先优化的船舶离散点集合。
优选地，上述系统还包括：海岸线离散点优化单元，基于三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；船舶离散点优化单元，基于三维仿真场景，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、通过将较大对象分解为多个离散点集合，使两个较大对象最短距离的计算更加简单、精确。
2、用户可通过点击鼠标来航路点与岸边的最短距离。降低了计算复杂程度，提高了最短距离计算效率。
3、本发明提供的方法以三维仿真的形式自动实时计算船岸最短距离、既定航路上航路点与岸边最短距离，与传统船岸测距方法相比，减少了不必要的测距设备的使用，同时还可预测船舶即将形式区域与岸边最短距离，增加了船岸距离的监控范围。
4、本发明提供的系统能够以颜色的方式直观的展示船岸及已规划航路上任意一点与岸边最短距离，警示方式一目了然，能够更加直观、便捷的方式辅助船舶航行。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1为本发明具体实施方式中沿海船舶航行仿真辅助决策方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中计算待测船舶与其左侧海岸线间的最短距离的流程图；
图3为本发明具体实施方式中对海岸线上及船舶边缘离散点进行优化处理的示意图；
图4为本发明具体实施方式中沿海船舶航行仿真辅助决策系统的结构示意图。
【附图标记说明】
1：海岸线离散点优化单元；
2：船舶离散点优化单元；
3：航路点确定单元；
4：第一存储单元；
5：第二存储单元；
6：处理单元；
7：前台呈现单元。
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。
本发明提供一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、基于沿海船舶航行三维仿真场景，依据待测目标，从优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集。
具体地，沿海船舶航行三维仿真场景的构建包括：基于CAD三维建模技术，在仿真场景中构建船舶航行海域周边港口码头、陆地、岛屿等三维模型；并依据电子海图数据对三维模型进行校验及优化，保证仿真场景的准确度。依据感知设备感知的船舶信息，在仿真场景中进行船舶的三维可视化显示，船舶信息包括船舶类型、大小、当前经纬度、航行、艏向、航速等信息。在仿真场景中输入人工规划或通过算法自动规划的船舶航行路径。
具体地，待测目标包括待测船舶和/或既定航线上的待测航路点。
具体地，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，包括：若待测目标包括船舶，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测船舶重心水平距离在20length(船长)以下的离散点；若待测目标包括既定航线上的航路点，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测航路点20length以下的离散点。
步骤S2、依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
具体地，步骤S2包括：依据离散点集和优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶左侧的每一个离散点与离散点集中每一个位于待测船舶左侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其左侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点；以及，依据离散点集和优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶右侧的每一个离散点与离散点集中每一个位于待测船舶右侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其右侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。和/或，依据离散点集和待测航路点，计算待测航路点与离散点集中每一个海岸线离散点间的距离，获得待测航路点与海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
优选地，如图2所示，步骤S2包括以下步骤：
C1、设置I＝0，mind＝20length
C2、设置J＝0。
C3、计算待测船舶左侧的第I个离散点与所述离散点集中位于待测船舶左侧的第J个离散点间的距离D′＝distance(I,J)；其中，distance(I，J)为上述第I个离散点的中心与上述第J个离散点的中心之间的距离。
C4、判断D′是否小于mind，若是，mind＝D′，若否，mind不变。
C5、令J＝J+1，重复步骤C3，直至J≥M；M为离散点集中位于待测船舶左侧的离散点的数量。
C6、令I＝I+1，重复步骤C2，直至I≥n；n＝(N+1)/2，N为优化的待测船舶离散点集合中离散点的数量。
C7、获得待测船舶与其左侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
同理可获得待测船舶与其右侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
步骤S3、依据待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，进行船舶航行辅助决策。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：基于沿海船舶航行三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；和/或，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
具体地，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合，包括以下步骤：
A1、在沿海岸线分布的每一相邻两离散点i和i+1间，插入与离散点i相距j且在直线l上的离散点elementj；其中，直线l为离散点i和离散点i+1确定的直线，j＝1。
A2、令j＝j+1，判断j是否小于D，若是，重复步骤A1，若否，依据离散点i、离散点i+1和离散点elementj，获取优化的海岸线离散点集合；其中，D为离散点i和离散点i+1之间的距离。
具体地，同样采用上述方法对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。通过将较大对象分解为多个离散点集合，如图3所示，使两个较大对象最短距离的计算更加简单、精确。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：基于沿海船舶航行三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点。
具体地，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点，包括：根据用户所选择的目标位置和既定航线上的航路点确定第一直线；以航路点为切点确定的切线为第二直线；根据第一直线与第二直线相垂直，获得航路点集；从航路点集中选取距目标位置最近的航路点作为待测航路点。用户可通过点击鼠标来进行目标位置的选择。降低了航路点与岸边最短距离的计算复杂程度，提高了最短距离计算效率。
本发明提供的方法以三维仿真的形式自动实时计算船岸最短距离、既定航路上航路点与岸边最短距离，与传统船岸测距方法相比，减少了不必要的测距设备的使用，同时还可预测船舶即将形式区域与岸边最短距离，增加了船岸距离的监控范围。
本发明还提供一种沿海船舶航行仿真辅助决策系统，如图4所示，包括：第一存储单元4，用于存储预先优化的海岸线离散点集合。处理单元6，用于基于三维仿真场景，依据待测目标，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集；并依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点。前台呈现单元7，用于依据预设连线颜色显示规则、待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，在前台呈现待测目标与海岸线间最短距离连线及连线的颜色。
具体地，预先优化的海岸线离散点集合以xml格式存储于第一存储单元中。预设连线颜色显示规则包括：当待测目标与海岸线间最短距离mind＝20length时，HSB为(120,100,100)，颜色为绿色；当mind<10length时，HSB为(0,100,100)，颜色为红色，当10length<mind<20length时，HSB为(12mind/length-120,100,100)。
根据待测目标与海岸线间最短距离连线及连线的颜色，系统可进行报警提醒(比如在HSB为(0,100,100)时)。操船人员可根据系统中待测目标与海岸线间最短距离连线及连线的颜色，进行包括船舶转向、局部航路调整在内的航行策略调整。本发明提供的系统能够以颜色的方式直观的展示船岸及已规划航路上任意一点与岸边最短距离，警示方式一目了然，能够更加直观、便捷的方式辅助船舶航行。
优选地，沿海船舶航行仿真辅助决策系统还包括：航路点确定单元3，用于基于三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点；第二存储单元5，用于存储预先优化的船舶离散点集合。
优选地，沿海船舶航行仿真辅助决策系统还包括：海岸线离散点优化单元1，基于三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；船舶离散点优化单元2，基于三维仿真场景，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种沿海船舶航行仿真辅助决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、基于三维仿真场景，依据待测目标，从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集；
步骤S2、依据所述离散点集和所述待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点；
步骤S3、依据所述待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，进行船舶航行辅助决策。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测目标包括待测船舶和/或既定航线上的待测航路点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，包括：
若所述待测目标包括船舶，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测船舶重心水平距离在20length以下的离散点；
若所述待测目标包括既定航线上的航路点，从预先优化的海岸线离散点集合中选取距待测航路点20length以下的离散点。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
依据所述离散点集和预先优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶左侧的每一个离散点与所述离散点集中每一个位于待测船舶左侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其左侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点；以及，依据所述离散点集和预先优化的待测船舶离散点集合，计算待测船舶右侧的每一个离散点与所述离散点集中每一个位于待测船舶右侧的海岸线离散点间的距离，获得待测船舶与其右侧海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点；和/或，
依据所述离散点集和待测航路点，计算待测航路点与所述离散点集中每一个海岸线离散点间的距离，获得待测航路点与海岸线间的最短距离以及该距离对应海岸线上的离散点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括：基于三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；和/或，基于三维仿真场景，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合，包括：
A1、在沿海岸线分布的每一相邻离散点i和i+1间，插入与离散点i相距j且在直线l上的离散点elementj；其中，直线l为离散点i和离散点i+1确定的直线，j＝1；
A2、令j＝j+1，判断j是否小于D，若是，重复步骤A1，若否，依据离散点i、离散点i+1和离散点elementj，获取优化的海岸线离散点集合；其中，D为离散点i和离散点i+1之间的距离。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括：基于三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点；
依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点，包括：
根据用户所选择的目标位置和既定航线上的航路点确定第一直线；以所述航路点为切点确定的切线为第二直线；
根据所述第一直线与所述第二直线相垂直，获得航路点集；
从所述航路点集中选取距所述目标位置最近的航路点作为待测航路点。
8.一种沿海船舶航行仿真辅助决策系统，其特征在于，包括：
第一存储单元，用于存储预先优化的海岸线离散点集合；
处理单元，用于基于三维仿真场景，依据待测目标，从所述预先优化的海岸线离散点集合中选取满足预设距离条件的离散点，组成离散点集；并依据离散点集和待测目标，获取待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点；
前台呈现单元，用于依据预设连线颜色显示规则、所述待测目标与海岸线间用于航行辅助决策的距离以及该距离对应海岸线上的离散点，在前台呈现待测目标与海岸线间最短距离连线及所述连线的颜色。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
航路点确定单元，用于基于三维仿真场景，依据预设区域内用户所选择的目标位置和既定航线，获取既定航线上的待测航路点；
第二存储单元，用于存储预先优化的船舶离散点集合。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，还包括：
海岸线离散点优化单元，基于三维仿真场景，对海岸线上的离散点进行优化处理，获取优化的海岸线离散点集合；
船舶离散点优化单元，基于三维仿真场景，对船舶边缘的离散点进行优化处理，获取优化的船舶离散点集合。
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