CN111176271B - 基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统，包括收发模块、数据处理模块和避碰决策模块；收发模块，用于接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息，以及用于传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶；数据处理模块，用于对感知信息和监测信息进行分析和处理，获得融合数据；避碰决策模块，用于对融合数据进行分析和处理，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。获取的信息全面、准确且稳定，不仅能够实现船舶的局部避碰，还能够实现有碰撞危险的多船协同的有效避碰。本发明还提供一种智能船舶避碰辅助决策系统的实现方法，能够实现有碰撞危险的多船协同的有效避碰。

Description

基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及智能船舶技术领域，尤其涉及一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统及其实现方法。
背景技术
船舶作为历史悠久的运输工具之一，同其他运输工具相比其优点是运载量大，运营成本低。随着世界经济的发展，现代运输船舶的种类繁多，技术复杂和高度专业化的庞大船队，对世界经济的推动起到不可替代的作用。但一直以来，船舶的碰撞事故不断，且超过90％的船舶碰撞事故与人为的因素有关，故船舶碰撞事故规避或减少的重点是减少人为判断与操纵失误。
船舶避碰辅助决策系统能够在船舶面对碰撞危险时提供可执行的解决方案，一定程度上缓解了由人为判断失误引起的船舶碰撞事故，提高船舶航行的安全性。但是在现有的船舶避碰辅助系统的应用中通信导航存在着诸多局限，比如雷达提供的信息有限，其工作易受气象、海况和地形的影响，尤其在恶劣的气象、海况下难以确保监测信息的可靠性；并且关于多船会遇避碰决策问题还没有得到很好的解决，现有船舶智能避碰主要考虑船舶的局部避碰，无法实现有碰撞危险的多船协同的有效避碰。
因此，为减少海上航行事故，加强海上交通管制并提高海域安全管理效率，亟需一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统及其实现方法。
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，本发明提供一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统及其实现方法。获取的信息全面、准确且稳定，不仅能够实现船舶的局部避碰，还能够实现有碰撞危险的多船协同的有效避碰。
(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：
一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统，包括收发模块、数据处理模块和避碰决策模块；收发模块，用于接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息，以及用于传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶；数据处理模块，用于对感知信息和监测信息进行分析和处理，获得融合数据；避碰决策模块，用于对融合数据进行分析和处理，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。
优选地，收发模块通过双通道信息检测，接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息，以及传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶。
优选地，船舶避碰辅助决策系统还包括融合数据服务器；融合数据服务器，用于对融合数据进行权限筛选，并传递权限筛选后的融合数据至避碰决策模块进行分析和处理。
优选地，船舶避碰辅助决策系统还包括显示平台；显示平台，用于显示权限筛选后的融合数据与航行区域海图的叠加结果。
优选地，避碰决策模块包括专家知识库、推理机单元、动态数据库和船舶运动状态模拟单元；专家知识库，用于存放船舶避碰决策和船舶避碰领域的相关知识；动态数据库，用于存放权限筛选后的融合数据和避碰决策模块产生的中间结果；推理机单元，用于根据动态数据库中的融合数据求解中间结果，依据融合数据和中间结果匹配知识库，得出待检验船舶避碰方案；船舶运动模拟单元，用于对待检验船舶避碰方案进行检验，若检验通过，输出船舶避碰方案，否则返回推理机单元重新推理。
一种如上所述智能船舶避碰辅助决策系统的实现方法，包括以下步骤：
S1、避碰决策模块获取融合数据，融合数据包括对指定航行区域内智能船舶感知系统接的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息。
S2、依据预先构建的碰撞危险度评估模型和融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果；根据每个船舶的碰撞危险度评估结果和安全阀值，获取指定航行区域内的碰撞危险船舶；避碰危险度评估模型基于层次分析法构建。
S3、依据预先构建的船舶避碰模型、融合数据和碰撞危险船舶，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。
作为为本发明方法的一种改进，依据预先构建的碰撞危险度评估模型和融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果，包括：
A1、依据融合数据，获取每个船舶危险度影响因素的值，危险度影响因素包括最近会遇距离DCPA、最短会遇时间TCPA、会遇时航速比和最小安全会遇距离。
A2、利用层次分析法为四个危险度影响因素分配权重Wi。
A3、根据每个船舶危险度影响因素的值、危险度影响因素的隶属度函数Ri和危险度影响因素的权重Wi，获取每个船舶的碰撞危险度评估结果CRIx；
Figure BDA0002282124940000031
其中，n为危险度影响因素的数目。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、智能船舶避碰辅助决策系统通过接收链状岸基雷达系统的监测信息，利用了链状岸基雷达系统的集群作用，频率互补，性能稳定，不受环境等外在因素的干扰等优点，并且在其所辖海域内无缝连接实现了无盲点信息全方位监测。
2、智能船舶避碰辅助决策系统通过对感知信息和监测信息进行融合处理，避免单个传感器监测船舶信息带来的误差，确保海域内船舶航行信息的准确性。
3、智能船舶避碰辅助决策系统为闭环反馈系统，确保了船舶避碰行为的安全性。
4、智能船舶避碰辅助决策系统可以综合会遇态势的分析，利用合理的转向、变速行为以及对无人船舶编队管理和有人船舶协同的方式来规避障碍，获取辅助避碰方案，实现了船舶的局部避碰和有碰撞危险的多船协同的有效避碰。
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智能船舶避碰辅助决策系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中直线状雷达传感器沿岸配布示意图；
图3为本发明具体实施方式中扇形状雷达传感器沿岸配布示意图；
图4为本发明具体实施方式中避碰决策系统的结构示意图。
【附图标记说明】
1：智能船舶感知系统；2：链状岸基雷达系统；3：收发模块；4：数据处理模块；5：避碰决策模块；6：融合数据服务器；7：显示平台；
21：雷达传感器；22：数据采集装置；
51：专家知识库；52：推理机单元；53：动态数据库；54：船舶运动状态模拟单元。
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。
本发明提供一种基于岸基雷达的智能船舶避碰辅助决策系统，如图1所示，包括收发模块3、数据处理模块4和避碰决策模块5；收发模块，用于接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统1的感知信息和链状岸基雷达系统2对指定航行区域的监测信息，以及用于传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶；数据处理模块4，用于对感知信息和监测信息进行分析和处理，获得融合数据；避碰决策模块5，用于对融合数据进行分析和处理，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。
智能船舶避碰辅助决策系统通过接收链状岸基雷达系统的监测信息，利用了链状岸基雷达系统的集群作用，频率互补，性能稳定，不受环境等外在因素的干扰，并且在其所辖海域内无缝连接实现了无盲点信息全方位监测。智能船舶避碰辅助决策系统通过对感知信息和监测信息进行融合处理，避免单个传感器监测船舶信息带来的误差，确保海域内船舶航行信息的准确性。智能船舶避碰辅助决策系统为闭环反馈系统，确保了船舶避碰行为的安全性。基于智能船舶避碰辅助决策系统不仅能够实现船舶的局部避碰，而且能够实现有碰撞危险的多船协同的有效避碰。
具体地，智能船舶感知系统设置于船舶上，智能船舶感知系统包括AIS设备和导航雷达，用于采集周围船舶的动态信息(船舶航行位置、速度、航向等)、周围船舶的静态信息(船名、呼号、吃水及危险货物等)、自身船舶的动态信息(船舶航行位置、速度、航向等)、自身船舶的静态信息(船名、呼号、吃水及危险货物等)、周围障碍物信息以及风、浪、流等其他环境信息；并经过相关预处理和融合之后由甚高频频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能够及时掌握指定航行区域内所有船舶的动静信息。
具体地，链状岸基雷达系统2包括多个沿岸配布的雷达传感器21和数据采集装置22；雷达传感器21，用于将电磁波能量发射至所监测航行区域并通过接受物体反射的电磁波提取监测信息；数据采集装置22与雷达传感器21通讯连接，用于接收雷达传感器21提取的监测信息并将其转换为数字信号，收发模块3与数据采集装置22通讯连接，用于接收并存储被数据采集装置转换为数字信号的监测信息。对岸基雷达系统进行空间优化部署，可以实现对所辖海域内的船舶及海洋环境信息全方位监测，与智能船舶感知系统进行多源数据融合后，提高数据的精确度。对岸基雷达系统进行空间优化部署具体为，对不同体质、不同频段、不同极化方式的雷达传感器21进行空间优化部署，实现无缝连接且无盲区的网状信息收集与传递，并由岸基控制中心综合处理、控制和管理，从而形成一个统一的有机整体。现有中雷达传感器21沿岸配布的常见方式为直线状(如图2所示)、扇形状(如图3所示)。
具体地，数据处理模块4对感知信息和监测信息进行处理和分析，获得融合数据，包括：对感知信息和监测信息进行时间配准和空间配准，实现感知信息和监测信息的无误差转换；对配准后的数据进行数据筛选，剔除不必要的数据；对筛选后的数据进行融合处理，获取融合数据。
优选地，收发模块3通过双通道信息检测，接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统1的感知信息和链状岸基雷达系统2对指定航行区域的监测信息，以及传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶。提高了信息传播的准确度。
优选地，智能船舶避碰辅助决策系统还包括融合数据服务器；融合数据服务器，用于对融合数据进行权限筛选，并传递权限筛选后的融合数据至避碰决策模块进行分析和处理。
优选地，避碰决策模块包括专家知识库51、推理机单元52、动态数据库53和船舶运动状态模拟单元54，如图4所示；专家知识库51，用于存放船舶避碰决策和船舶避碰领域的相关知识；动态数据库53，用于存放权限筛选后的融合数据和避碰决策模块5产生的中间结果；推理机单元52，用于根据动态数据库53中的融合数据求解中间结果，依据融合数据和中间结果匹配知识库，得出待检验船舶避碰方案；船舶运动模拟单元54，用于对待检验船舶避碰方案进行检验，若检验通过，输出船舶避碰方案，否则返回所述推理机单元52重新推理。避碰决策模块可以综合会遇态势的分析，利用合理的转向、变速行为以及对无人船舶编队管理和有人船舶协同的方式来规避障碍，获取辅助避碰方案，实现了船舶的局部避碰和有碰撞危险的多船协同的有效避碰。
优选地，智能船舶避碰辅助决策系统还包括显示平台7；显示平台7，用于显示权限筛选后的融合数据与航行区域海图的叠加结果。使船只轨迹在一台终端上进行显示，为用户快速决策提供方便。
进一步优选地，智能船舶避碰辅助决策系统设置于岸基控制中心。
本发明还提供一种船舶避碰辅助决策系统的实现方法，包括以下步骤：
S1、避碰决策系统获取融合数据，融合数据包括对指定航行区域内智能船舶感知系统接收到的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息进行融合处理后获取的信息。
S2、依据预先构建的碰撞危险度评估模型和融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果；根据每个船舶的碰撞危险度评估结果和安全阀值，获取指定航行区域内的碰撞危险船舶；避碰危险度评估模型基于层次分析法构建。
S3、依据预先构建的船舶避碰模型、融合数据和碰撞危险船舶，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。
具体地，依据预先构建的碰撞危险度评估模型和融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果，包括：
A1、依据融合数据，获取每个船舶危险度影响因素的值，危险度影响因素包括最近会遇距离DCPA、最短会遇时间TCPA、会遇时航速比和最小安全会遇距离。
A2、利用层次分析法为四个危险度影响因素分配权重Wi。
A3、根据每个船舶危险度影响因素的值、危险度影响因素的隶属度函数Ri和危险度影响因素的权重Wi，获取每个船舶的碰撞危险度评估结果CRIx：
Figure BDA0002282124940000081
其中，n为危险度影响因素的数目。
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 (6)

1.一种智能船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，基于智能船舶避碰辅助决策系统实现，所述系统包括收发模块(3)、数据处理模块(4)和避碰决策模块(5)；所述收发模块(3)，用于接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息，以及用于传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶；所述数据处理模块(4)，用于对所述感知信息和所述监测信息进行分析和处理，获得融合数据；所述避碰决策模块(5)，用于对所述融合数据进行分析和处理，获取指定航行区域内的船舶避碰方案；
所述方法包括以下步骤：
S1、避碰决策模块获取融合数据，所述融合数据包括对指定航行区域内智能船舶感知系统接的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息；
S2、依据预先构建的碰撞危险度评估模型和所述融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果；根据所述每个船舶的碰撞危险度评估结果和安全阀值，获取指定航行区域内的碰撞危险船舶；所述避碰危险度评估模型基于层次分析法构建；
S3、依据预先构建的船舶避碰模型、所述融合数据和所述碰撞危险船舶，获取指定航行区域内的船舶避碰方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据预先构建的碰撞危险度评估模型和所述融合数据，获取指定航行区域内每个船舶的碰撞危险度评估结果，包括：
A1、依据所述融合数据，获取每个船舶危险度影响因素的值，所述危险度影响因素包括最近会遇距离DCPA、最短会遇时间TCPA、会遇时航速比和最小安全会遇距离；
A2、利用层次分析法为四个危险度影响因素分配权重Wi；
A3、根据所述每个船舶危险度影响因素的值、危险度影响因素的隶属度函数Ri和危险度影响因素的权重Wi，获取每个船舶的碰撞危险度评估结果CRIx；
Figure FDA0004139898660000021
其中，n为危险度影响因素的数目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收发模块(3)通过双通道信息检测，接收并存储指定航行区域内智能船舶感知系统的感知信息和链状岸基雷达系统对指定航行区域的监测信息，以及传递船舶避碰方案至指定航行区域内的执行船舶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括融合数据服务器(6)；所述融合数据服务器(6)，用于对所述融合数据进行权限筛选，并传递权限筛选后的融合数据至避碰决策模块进行分析和处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述系统还包括显示平台(7)；所述显示平台(7)，用于显示权限筛选后的融合数据与航行区域海图的叠加结果。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述避碰决策模块(5)包括专家知识库(51)、推理机单元(52)、动态数据库(53)和船舶运动状态模拟单元(54)；
所述专家知识库(51)，用于存放船舶避碰决策和船舶避碰领域的相关知识；
所述动态数据库(53)，用于存放所述权限筛选后的融合数据和所述避碰决策模块产生的中间结果；
所述推理机单元(52)，用于根据动态数据库中的融合数据求解中间结果，依据所述融合数据和所述中间结果匹配知识库，得出待检验船舶避碰方案；
所述船舶运动模拟单元(54)，用于对所述待检验船舶避碰方案进行检验，若检验通过，输出船舶避碰方案，否则返回所述推理机单元重新推理。
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