CN111199096B - 受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法 - Google Patents

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碰撞危险度建模方法，包括：根据船舶的安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行划分，得到多个兴趣感知子区域；建立模糊综合评判法的目标因素集，在多个兴趣感知子区域中分别计算得到干扰船对目标船的第一危险度隶属度；在多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度；根据碰撞危险贡献对干扰船和岸壁分配相应的权重；根据所述目标因素集中的干扰船因素的危险度隶属度和岸壁因素的危险度隶属度结合相应的权重进行综合计算，得到相对碰撞危险度。本发明利用模糊综合评判，考虑兴趣感知子区域中干扰船、岸壁对目标船的影响产生的危险度隶属度进行计算，实现相对碰撞危险度的建模。

Description

受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法

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碰撞危险度建模方法。

背景技术

智能无人船的路径规划是智能无人船舶自主航行系统的核心内容，船舶碰撞危险度的研究能够更好的为船舶路径规划提供参考依据。

碰撞危险度是对船舶间存在碰撞危险的评价，是对船舶之间发生碰撞可能性大小的度量，例如，可以运用模糊综合评判的方法对碰撞危险度进行研究。碰撞危险度的确定影响因素较多，目前研究较多为两船间的碰撞危险度，主要采用最近会遇距离(DCPA)、最近会遇时间(TCPA)、干扰船与目标船的距离、干扰船与目标船的速度比等因素求解。

基于上述，现有对于船舶碰撞危险度的研究多是两船间的碰撞危险度求解，不能很好的适用于受限水域船舶集群态势的危险度评判。

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碰撞危险度建模方法，解决缺乏对目标船感知区域整体危险度进行的评估的问题。

(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碰撞危险度建模方法，其包括：

根据船舶的安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行划分，得到多个兴趣感知子区域；

基于受限水域船舶航行环境的影响，建立模糊综合评判法的目标因素集，所述目标因素集中包括干扰船因素和岸壁因素；

在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到干扰船对目标船的第一危险度隶属度CR_s；

在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q；

根据碰撞危险贡献对干扰船因素和岸壁因素分配相应的权重为a_s和a_q；

根据所述目标因素集中的干扰船因素的危险度隶属度CR_s和岸壁因素的危险度隶属度CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度。

在本发明的一种示例性实施例中，在所述兴趣感知子区域中根据干扰船与目标船的作用力和方位进行计算，得到作用粒度危险度隶属度CR_f和方位危险度隶属度CR_θ，包括：

根据目标船及干扰船的航行动态和周围环境信息，计算在所述兴趣感知子区域中干扰船对目标船的作用粒度集合f；

根据干扰船对目标船的作用粒度计算干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f；

根据干扰船对目标船的相对方位计算干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ；

为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数和所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数分配相应的危险度隶属度权重集合为W_f和W_θ；

根据所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f结合相应的危险度隶属度权重集合W_f计算得到作用粒度危险度隶属度CR_f；

根据所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ结合相应的危险度隶属度权重集合W_θ计算得到方位危险度隶属度CR_θ。

在本发明的一种示例性实施例中，所述根据干扰船对目标船的作用粒度计算干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数U_f包括：

在所述兴趣感知子区域内计算干扰船对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

其中m、c为常数；

干扰船对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；

干扰船对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1；

根据多个所述兴趣子区域内的作用粒度危险度隶属度得到干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f。

在本发明的一种示例性实施例中，所述根据干扰船对目标船的相对方位计算干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ包括：

根据船舶的会遇类型及经验数据结合不同方位将所述兴趣感知区域划分为三级危险区域，其中方位角θ在350°～112.5°为边界的扇形区域为一级危险区域，方位角θ在247.5°～350°为边界的扇形区域为二级危险区域，方位角θ在112.5°～247.5°为边界的扇形区域为三级危险区域；

对方位危险度隶属度函数进行简化和拟合，得到：

其中v_l表示目标船航速，v_g表示干扰船航速，θ_i表示第i艘干扰船的相对方位；

根据多个所述兴趣子区域内的方位危险度隶属度计算得到干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ。

在本发明的一种示例性实施例中，所述为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数和所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数分配相应的危险度隶属度权重集合为W_f和W_θ包括：

根据所述兴趣感知子区域内干扰船对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第一判断矩阵C，为：

其中c₁₁,c₁₂,…,c_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船作用力之间危险性比较来确定；

根据所述第一判断矩阵C对各列元素进行归一化处理得到C'；

根据C'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的干扰船危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的干扰船危险度隶属度权重计算得到干扰船危险度隶属度权重集合W_f；

第二判断矩阵E，为：

其中e₁₁,e₁₂,…,e_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船的方位产生的危险性比较确定；

根据所述第二判断矩阵E对各列元素进行归一化处理得到E'；

根据E'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的危险度隶属度权重计算得到W_θ。

在本发明的一种示例性实施例中，所述根据方位危险度隶属度CR_θ、方位权重d_θ、作用粒度危险度隶属度CR_f和作用力权重d_f进行计算，得到所述第一危险度隶属度CR_s的计算公式为：

CR_s＝d_θ·CR_θ+d_f·CR_f。

在本发明的一种示例性实施例中，在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q包括：

采用模糊逻辑规则根据岸壁效应计算岸壁对目标船的作用粒度q；

根据所述岸壁对目标船的作用粒度q计算岸壁对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

其中m、c为常数；

岸壁对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；

岸壁对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1；

根据多个所述兴趣子区域内的隶属度得到岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_q；

根据所述兴趣感知子区域内根据岸壁对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第三判断矩阵B，为：

其中b₁₁，b₁₂，…，b_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域岸壁对目标船作用力之间危险性比较来确定；

根据所述第三判断矩阵对各列元素归一化得到B′；

根据B′计算得到为所述岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的岸壁危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的岸壁危险度隶属度权重计算得到岸壁隶属度权重集合Q；

根据危险度隶属函数集合U_q和岸壁危险度隶属度权重集合Q计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q。

在本发明的一种示例性实施例中，根据根据所述目标因素集中的因素CR_s和CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度的计算公式为：

CR＝a_sCR_s+a_qCR_q

其中所述相对碰撞危险度的数值范围为[0，1]。

在本发明的一种示例性实施例中，得到相对碰撞危险度之后，还包括：

根据所述相对碰撞危险度进行危险等级划分，包括：

当所述相对碰撞危险度的数值在[0，0.3)时，危险等级为很危险；

当所述相对碰撞危险度的数值在[0.3,0.7)时，危险等级为较危险；

当所述相对碰撞危险度的数值在[0.7,1)时，危险等级为一般危险；

当所述相对碰撞危险度的数值等于1时，危险等级为安全。

(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碰撞危险度建模方法，利用模糊综合评判方法，考虑兴趣感知子区域中干扰船对目标船的作用力和相对方位影响以及岸壁对目标船的作用力产生的危险度隶属度进行计算，完成较为全面综合多方面因素下船舶集群态势的相对碰撞危险度的建模，有利于对受限水域船舶集群态势的危险度进行评判。

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碰撞危险度建模方法的流程图；

图2为本发明一实施例中受限水域中目标船所处的船舶集群态势图；

图3为本发明一实施例中船舶对遇与对驶的示意图；

图4为本发明一实施例中船舶追越的示意图；

图5为本发明一实施例中驶离非冲突的示意图；

图6为本发明一实施例中碰撞危险等级划分示意图。

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。

本文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。本文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。本文所使用的术语“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。

在本发明相关实施例中对船舶碰撞危险度的计算多是对两船碰撞危险度的研究，然后在一一对比得出决策，这样导致效率低，识别速度慢，无法高效的对船舶当前航行状态进行准确的评估，无法为船舶避让提供较为可靠的依据。

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碰撞危险度建模方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

如图1所示，在步骤S110中，根据船舶的安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行划分，得到多个兴趣感知子区域；

如图1所示，在步骤S120中，基于受限水域船舶航行环境的影响，建立模糊综合评判法的目标因素集，所述目标因素集中包括干扰船因素和岸壁因素；

如图1所示，在步骤S130中，在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到干扰船对目标船的第一危险度隶属度CR_s；如图1所示，在步骤S140中，在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q；

如图1所示，在步骤S150中，根据碰撞危险贡献对干扰船因素和岸壁因素分配相应的权重为a_s和a_q；

如图1所示，在步骤S160中，根据所述目标因素集中的干扰船因素的危险度隶属度CR_s和岸壁因素的危险度隶属度CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度。

基于上述方法，利用模糊综合评判方法，考虑兴趣感知子区域中干扰船对目标船的作用力和相对方位影响以及岸壁对目标船的作用力产生的危险度隶属度进行计算，完成较为全面综合多方面因素下船舶集群态势的相对碰撞危险度的建模，有利于对受限水域船舶集群态势的危险度进行评判。

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，根据船舶的安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行划分，得到多个兴趣感知子区域。

在本发明的一个实施例中，以船舶安全会遇距离为参考进行子区域的划分，由于船舶安全会遇距离是考虑航行环境和船舶运动状态，使两船能够安全通过的最小会遇距离。因此该步骤中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，得到6个兴趣感知子区域。

图2为本发明一实施例中受限水域中目标船所处的船舶集群态势图，如图2所示，将各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。

另外，除了进行区域划分，还需要对受限水域船舶的会遇类型进行划分，会遇类型主要包括：对遇、对驶、追越和驶离非冲突。

图3为本发明一实施例中船舶对遇与对驶的示意图，图4为本发明一实施例中船舶追越的示意图，图5为本发明一实施例中驶离非冲突的示意图，具体说明如下：

对遇是指两机动船航向相反或接近相反的局面，按照COLREGS对“对遇局面”的规定，需满足：①干扰船出现在目标船船首方向；②干扰船的船首方向与目标船的船首方向接近相反；③在夜间能看见干扰船的前后桅灯成一条直线或接近一条直线。国内外航运界一般认为两船航向接近相反是指一船位于另一船前方355°～360°或0°～5°范围内，如图3(a)。

对驶通常是指顺航道行驶的上行船与下行船或者逆流船与顺流船的两船来往相遇，包括下列具体形式：①对遇或者接近对遇，如图3(b)；②互从左舷或者右舷相遇，它指顺航道行驶两船相互从左舷或者右舷具有一定安全距离的来往相遇，如图3(c)和图3(d)。

追越是指干扰船位于目标船112.5°～247.5°的方位内，如图4(a)，正在赶上目标船的局面，需满足：①追越船来自被追越船正横后大于22.5°的某一方向上；②追越船正在赶上被追越船。如图4(b)、图4(c)、图4(d)所示均属于追越。

驶离非冲突是指干扰船向着远离目标船的方向行驶，对目标船的影响逐渐减小。如图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)所示均属于驶离非冲突。

在本发明的一个实施例中，考虑受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度，主要从干扰船与岸壁两方面因素进行考虑。集群态势中干扰船对目标船的影响主要分为各兴趣感知子区域内干扰船对目标船的作用粒度及各干扰船与目标船的相对方位两个方面。以下步骤分别从干扰船与岸壁两个角度对碰撞危险度进行计算和分析，主要是以目标因素集以及对各因素的权重分配进行综合计算。

在步骤S120中，基于受限水域船舶航行环境的影响，建立模糊综合评判法的目标因素集，所述目标因素集中包括干扰船因素和岸壁因素。

该步骤中通过对干扰船和岸壁两方面对目标船的危险度隶属度建立目标因素集：

U＝{U_s U_q}  公式(1)

其次，目标因素的权重分配：

A＝{a_s a_q}  公式(2)

在步骤S130中，在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到干扰船对目标船的第一危险度隶属度CR_s。

在本发明的一个实施例中，该步骤中计算第一危险度隶属度CR_s主要包括：

(1)根据干扰船对目标船的作用力与相对方位造成的碰撞危险性程度确定相应的作用力权重d_f和方位权重d_θ；

(2)在所述兴趣感知子区域中根据干扰船与目标船的作用力和方位进行计算，得到作用粒度危险度隶属度CR_f和方位危险度隶属度CR_θ；

(3)根据方位危险度隶属度CR_θ、方位权重d_θ、作用粒度危险度隶属度CR_f和作用力权重d_f进行计算，得到所述第一危险度隶属度CR_s。

其中步骤(1)中干扰船对于目标船的影响因素包括作用力和方位两个方面，其权重的选择根据各因素对目标船相对碰撞危险度的贡献大小来决定，兴趣感知区域的作用粒度是比较重要的参数，而各干扰船的方位属于次重要参数，因此应该基于兴趣感知区域较大的权重。根据各因素重要性比较，建立判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理。

其中判断矩阵：

d₁₁,d₁₂,…,d_kk是根据干扰船对目标船的作用力与相对方位危险性比较及经验数据确定的，此处k取值为2。

对各列元素归一化得到D'，求得权重：

根据上述公式，分别计算得到作用力权重d_f和方位权重d_θ。

步骤(2)用于计算作用粒度危险度隶属度CR_f和方位危险度隶属度CR_θ，具体包括：

(2.1)根据干扰船的航行动态和周围环境信息，计算在所述兴趣感知子区域中干扰船对目标船的作用粒度集合f。

由于在航行过程中，目标船通过分析各兴趣感知子区域内干扰船的航行动态及周围环境去选择更安全的驾驶行为。目标船在与干扰船对驶或追越过程中会受到干扰船船型、航向、航速以及两船产生的船间效应的影响。通过干扰船与目标船的船型、速度数值差、相对距离等因素判断干扰船对目标船的作用力，若处于某一子区域的干扰船对目标船选择该区域起到了正面影响，则处于该兴趣感知子区域的干扰船对目标船施加的作用力为引力，作用粒度大于零，反之为斥力，作用粒度小于零。

两船在受限水域内会遇，可能会产生“船间效应”，极易造成碰撞事故。本实施例中考虑干扰船与目标船的船型、相对距离、横向距离等因素，确定目标船受到的船间作用力。

在本发明的一个实施例中，根据干扰船对目标船的船型、航向、相对距离、横向距离、速度数值差、船间效应以及航道船舶密度等因素对船舶集群态势复杂性进行分析时，通过模糊逻辑规则确定各个兴趣感知子区域的作用粒度：

f＝[f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆]  公式(5)

(2.2)根据干扰船对目标船的作用粒度计算干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f。

在本发明的一实施例中，求解危险度隶属度函数为：

其中x为评定因子的实际值，m、c为常数；

其中x_i+1、x_i分别为危险评判标准的上下界限。

对船舶集群态势中6个兴趣感知子区域进行分析，根据模糊综合评判方法求得各兴趣感知子区域权重为：

W＝[W₁,W₂,W₃,W₄,W₅,W₆]  公式(8)

在所述兴趣感知子区域内计算干扰船对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

利用得到的作用粒度根据公式(6)计算每个兴趣感知子区域的危险度隶属度。根据船舶集群态势复杂性分析得到作用粒度范围为[-1,1]，基于公式(9)，干扰船对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；干扰船对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1。

根据多个所述兴趣子区域内的作用粒度危险度隶属度得到干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f，得到6个兴趣感知子区域的危险度隶属度为：

U_f＝[U_f1,U_f2,U_f3,U_f4,U_f5,U_f6]  公式(10)

(2.3)根据干扰船对目标船的相对方位计算干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ。

由于结合COLREGs的理论知识和多名航行经验丰富的船长的实践知识可知，当目标船在海上与干扰船会遇时，应视不同的冲突类型采取不同的应对措施。各权重的选择应根据各兴趣感知子区域对目标船相对碰撞危险度的贡献大小来决定。目标船各兴趣感知子区域权重的合理分配应根据各干扰船所处区域位置对目标船相对碰撞危险度的贡献大小，根据目标船感受的碰撞危险度最大的大致方位在19°左右，最小时大约在199°时。

本发明结合船长经验及相关研究、会遇态势等进行划分，图6为本发明一实施例中碰撞危险等级划分示意图，如图6所示，根据船舶的会遇类型结合不同方位将所述兴趣感知区域划分为三级危险区域，其中方位角θ在350°～112.5°为边界的扇形区域为一级危险区域，方位角θ在247.5°～350°为边界的扇形区域为二级危险区域，方位角θ在112.5°～247.5°为边界的扇形区域为三级危险区域。

不同方位的干扰船对目标船所构成的危险度不同，对方位危险度隶属度函数进行简化和拟合，得到：

其中v_l表示目标船航速，v_g表示干扰船航速，θ_i表示第i艘干扰船的相对方位；

根据多个所述兴趣子区域内的方位危险度隶属度计算得到干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ，得到6个兴趣感知子区域的危险度隶属度为：

U_θ＝[U_θ1,U_θ2,U_θ3,U_θ4,U_θ5,U_θ6]  公式(13)

(2.4)为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数和所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数分配相应的隶属度权重集合为W_f和W_θ。

由于目标因素的权重分配为：

W＝[W₁,W₂,…,W_n]  公式(14)

其中，W_i(i＝1,2,…,n)为指标i的权重，本发明中n取值为6。

各权重的选择应根据各兴趣感知子区域干扰船对目标船相对碰撞危险度的贡献大小来决定。目标船各兴趣感知子区域干扰船对目标船作用粒度权重的合理分配应根据各干扰船对目标船作用力对相对碰撞危险度的贡献大小，若干扰船对目标船的斥力越大，则此目标船感受的相对碰撞危险度越大，此兴趣感知子区域干扰船对集群态势相对碰撞危险度越重要。根据各兴趣感知子区域干扰船对目标船作用力的重要性比较，建立判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理，具体如下：

(2.4.1)根据所述兴趣感知子区域内干扰船对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第一判断矩阵C，为：

其中c₁₁,c₁₂,…,c_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船作用力之间危险性比较来确定；

(2.4.2)根据所述第一判断矩阵C对各列元素进行归一化处理得到C'；

(2.4.3)根据C'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的干扰船隶属度权重，计算公式为：

(2.4.4)根据多个所述兴趣感知子区域各自的干扰船危险度隶属度权重计算得到干扰船危险度隶属度权重集合W_f，即：

W_f＝[W_f1,W_f2,W_f3,W_f4,W_f5,W_f6]  公式(17)

同理，计算方位危险度隶属度权重集合，具体如下：

根据所述兴趣感知子区域内干扰船对目标船的方位产生的危险性计算得到第二判断矩阵E，为：

其中e₁₁,e₁₂,…,e_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船的方位产生的危险性比较确定；

根据所述第二判断矩阵E对各列元素进行归一化处理得到E'；

根据E'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的危险度隶属度权重计算得到W_θ，即：

W_θ＝[W_θ1,W_θ2,W_θ3,W_θ4,W_θ5,W_θ6] 公式(20)

(2.5)根据所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f结合相应的危险度隶属度权重集合W_f计算得到作用粒度隶属度CR_f；

(2.6)根据所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ结合相应的危险度隶属度权重集合W_θ计算得到方位危险度隶属度CR_θ。

步骤(3)中计算第一危险度隶属度CR_s的公式为：

CR_s＝d_θ·CR_θ+d_f·CR_f 公式(21)

CR_s＝d_θ(W_θ1·U_θ1+W_θ2·U_θ2+…+W_θ6·U_θ6)+d_f(W_f1·U_f1+W_f2·U_f2+…+W_f6·U_f6) 公式(22)

根据上述步骤完成干扰船对目标船的危险度隶属度的计算。

在步骤S140中，在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q。

在受限水域航行时，由于岸壁的影响会产生岸壁效应，岸壁效应的大小与岸距、航速、船型等影响因素有关。参照干扰船对目标船的作用力，考虑受限水域岸壁效应，即目标船受到岸壁的作用力，若船岸间产生岸壁效应，则表示此处岸壁对目标船的影响表现为排斥，作用粒度小于零；若船岸间未产生岸壁效应，则表示此处岸壁对目标船的影响表现为吸引，即岸壁效应对目标船的作用粒度大于零。

计算岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q的具体步骤如下：

(3.1)采用模糊逻辑规则根据岸壁效应计算岸壁对目标船的作用粒度q。

在本发明的一实施例中，主要考虑目标船与岸壁距离的大小、航速、船型3个因素，同样利用模糊推理规则岸壁对目标船的作用粒度。在船舶集群态势复杂性分析时，通过模糊逻辑规则确定各个兴趣感知子区域的作用粒度为：

q＝[q₁,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆] 公式(23)

(3.2)根据所述岸壁对目标船的作用粒度q计算岸壁对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

利用得到的作用粒度根据公式(4)计算每个兴趣感知子区域的隶属度。根据船舶集群态势复杂性分析得到作用粒度范围为[-1,1]，基于公式(24)，岸壁对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；岸壁对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1。

(3.3)根据多个所述兴趣子区域内的隶属度得到岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_q，得到6个兴趣感知子区域的危险度隶属度为：

U_q＝[U_q1,U_q2,U_q3,U_q4,U_q5,U_q6] 公式(25)

其中目标因素的权重分配为：

Q＝[Q₁,Q₂,…,Q_n] 公式(26)

其中，Q_i(i＝1,2,…,n)为指标i的权重，本发明中n取值为6。

各权重的选择应根据各兴趣感知子区域岸壁对目标船相对碰撞危险度的贡献大小来决定。目标船各兴趣感知子区域岸壁对目标船作用粒度权重的合理分配应根据各兴趣感知子区域内岸壁对目标船作用力对相对碰撞危险度的贡献大小，若岸壁作用力越大，则此目标船感受的相对碰撞危险度越大，此兴趣感知子区域岸壁对集群态势相对碰撞危险度越重要。根据各兴趣感知子区域岸壁对目标船作用力的重要性比较，建立判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理，具体如下：

根据所述兴趣感知子区域内根据岸壁对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第三判断矩阵B，为：

其中b₁₁,b₁₂,…,b_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域岸壁对目标船作用力之间危险性比较来确定，n＝6。

根据所述第三判断矩阵对各列元素归一化得到B'；

根据B'计算得到为所述岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的岸壁危险度隶属度权重，计算公式为：

(3.4)对船舶集群态势中6个兴趣感知子区域进行分析，利用模糊规则算法根据多个所述兴趣感知子区域各自的岸壁危险度隶属度权重计算得到岸壁危险度隶属度权重集合Q，即：

Q＝[Q₁,Q₂,Q₃,Q₄,Q₅,Q₆] 公式(29)

(3.5)根据危险度隶属函数集合U_q和岸壁危险度隶属度权重集合Q计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q，计算公式为：

CR_q＝Q₁·U_q1+Q₂·U_q2+…+Q₆·U_q6 公式(30)

在步骤S150中，根据碰撞危险贡献对干扰船因素和岸壁因素分配相应的权重为a_s和a_q。

各权重的选择应根据各因素对目标船相对碰撞危险度的贡献大小来决定，即目标因素集各因素权重的合理分配应根据船舶集群态势中各兴趣感知子区域干扰船及岸壁对相对碰撞危险度的贡献大小来决定，同时考虑规则要求。该步骤中根据实际环境调查，进行各因素重要性比较，建立判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理。

判断矩阵：

a₁,a₂,…,a_kk是根据当前航行环境各因素危险性比较及经验数据确定的，此处k取值为2。

对各列元素归一化得到P'，求得权重：

基于上述，分别得到干扰船对目标船的权重a_s和岸壁对目标船的权重a_q。

在步骤S160中，根据所述目标因素集中的干扰船因素的危险度隶属度CR_s和岸壁因素的危险度隶属度CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度。

相对碰撞危险度CR计算公式为：

CR＝a_sCR_s+a_qCR_q 公式(33)

其中得到的相对碰撞危险度CR的数值范围为[0,1]。

在本发明的一实施例中，得到相对碰撞危险度之后，还包括：

根据所述相对碰撞危险度进行危险等级划分，可以将相对碰撞危险度划分为以下4个等级，如表1所示。

表1

相对碰撞危险度等级	很危险	较危险	一般危险	安全
					数值	[0,0.3)	[0.3,0.7)	[0.7,1)	1

如表1所示，等级的划分包括：

当所述相对碰撞危险度CR的数值在[0,0.3)时，危险等级为很危险；

当所述相对碰撞危险度CR的数值在[0.3,0.7)时，危险等级为较危险；

当所述相对碰撞危险度CR的数值在[0.7,1)时，危险等级为一般危险；

当所述相对碰撞危险度CR的数值等于1时，危险等级为安全。

基于上述，在船舶集群态势中判断目标船相对领域是否被侵犯，若相对领域被侵犯可认为此集群态势的碰撞危险度为0，此时目标船很危险；若相对领域未被侵犯则碰撞危险度大于0，且随着数值的增大，目标船的碰撞危险度逐渐减小，碰撞危险度为1时表示目标船处于安全状态。

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碰撞危险度建模方法，通过对船舶集群态势复杂性分析，利用模糊综合评判方法，以相对领域为界限，在分析干扰船对目标船的碰撞危险度时，考虑分析兴趣感知子区域内对目标船作用力的碰撞危险度的影响以及不同方位的干扰船对目标船的碰撞危险度的影响；在分析岸壁对目标船的碰撞危险度时，考虑岸壁对目标船的作用力的硬性，从而建立受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度模型，有利于对受限水域船舶集群态势的危险度进行评判。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

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 (8)

1.一种受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，其包括：

根据船舶的安全会遇距离对目标船的兴趣感知区域进行划分，得到多个兴趣感知子区域；

基于受限水域船舶航行环境的影响，建立模糊综合评判法的目标因素集，所述目标因素集中包括干扰船因素和岸壁因素；

在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到干扰船对目标船的第一危险度隶属度CR_s，包括：

根据干扰船对目标船的作用力与相对方位造成的碰撞危险性程度确定相应的作用力权重d_f和方位权重d_θ；

在所述兴趣感知子区域中根据干扰船与目标船的作用力和方位进行计算，得到作用粒度危险度隶属度CR_f和方位危险度隶属度CR_θ；

根据方位危险度隶属度CR_θ、方位权重d_θ、作用粒度危险度隶属度CR_f和作用力权重d_f进行计算，得到所述第一危险度隶属度CR_s；

在所述多个兴趣感知子区域中分别计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q，包括：

采用模糊逻辑规则根据岸壁效应计算岸壁对目标船的作用粒度q；

根据所述岸壁对目标船的作用粒度q计算岸壁对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

其中m、c为常数；

岸壁对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；

岸壁对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1；

根据多个所述兴趣子区域内的危险度隶属度得到岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_q；

根据所述兴趣感知子区域内根据岸壁对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第三判断矩阵B，为：

其中b₁₁,b₁₂,…,b_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域岸壁对目标船作用力之间危险性比较来确定；

根据所述第三判断矩阵对各列元素归一化得到B'；

根据B'计算得到为所述岸壁对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的岸壁危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的岸壁危险度隶属度权重计算得到岸壁危险度隶属度权重集合Q；

根据危险度隶属函数集合U_q和岸壁危险度隶属度权重集合Q计算得到岸壁对目标船的第二危险度隶属度CR_q；

根据碰撞危险贡献对干扰船因素和岸壁因素分配相应的权重为a_s和a_q；

根据所述目标因素集中的干扰船因素的危险度隶属度CR_s和岸壁因素的危险度隶属度CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度。

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碰撞危险度建模方法，其特征在于，所述在所述兴趣感知子区域中根据干扰船与目标船的作用力和方位进行计算，得到作用粒度危险度隶属度CR_f和方位危险度隶属度CR_θ，包括：

根据目标船及干扰船的航行动态和周围环境信息，计算在所述兴趣感知子区域中干扰船对目标船的作用粒度集合f；

根据干扰船对目标船的作用粒度计算干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f；

根据干扰船对目标船的相对方位计算干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ；

为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数和所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数分配相应的危险度隶属度权重集合为W_f和W_θ；

根据所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f结合相应的危险度隶属度权重集合W_f计算得到作用粒度危险度隶属度CR_f；

根据所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ结合相应的危险度隶属度权重集合W_θ计算得到方位危险度隶属度CR_θ。

3.如权利要求2所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，所述根据干扰船对目标船的作用粒度计算干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数U_f包括：

在所述兴趣感知子区域内计算干扰船对目标船的作用粒度危险度隶属度函数的计算公式为：

其中m、c为常数；

干扰船对目标船的作用粒度范围为[-1,0)时，表示兴趣感知子区域的作用力为斥力，根据危险度隶属度函数计算公式进行计算；

干扰船对目标船的作用粒度范围为(0,1]时，表示兴趣感知子区域的作用力为引力，危险度隶属度为1；

根据多个所述兴趣子区域内的作用粒度危险度隶属度得到干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数集合U_f。

4.如权利要求2所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，所述根据干扰船对目标船的相对方位计算干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ包括：

根据船舶的会遇类型及经验数据结合不同方位将所述兴趣感知区域划分为三级危险区域，其中方位角θ在350°～112.5°为边界的扇形区域为一级危险区域，方位角θ在247.5°～350°为边界的扇形区域为二级危险区域，方位角θ在112.5°～247.5°为边界的扇形区域为三级危险区域；

对方位危险度隶属度函数进行简化和拟合，得到：

其中v_l表示目标船航速，v_g表示干扰船航速，θ_i表示第i艘干扰船的相对方位；

根据多个所述兴趣子区域内的方位危险度隶属度计算得到干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数集合U_θ。

5.如权利要求2所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，所述为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数和所述干扰船与目标船相对方位的危险度隶属函数分配相应的危险度隶属度权重集合为W_f和W_θ包括：

根据所述兴趣感知子区域内干扰船对目标船的作用粒度之间危险性计算得到第一判断矩阵C，为：

其中c₁₁,c₁₂,…,c_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船作用力之间危险性比较来确定；

根据所述第一判断矩阵C对各列元素进行归一化处理得到C'；

根据C'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的干扰船危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的干扰船危险度隶属度权重计算得到干扰船危险度隶属度权重集合W_f；

根据所述兴趣感知子区域内干扰船对目标船的方位产生的危险性计算得到第二判断矩阵E，为：

其中e₁₁,e₁₂,…,e_nn为根据当前航行环境所述兴趣感知子区域干扰船对目标船的方位产生的危险性比较确定；

根据所述第二判断矩阵E对各列元素进行归一化处理得到E'；

根据E'计算得到为所述干扰船对目标船作用粒度的危险度隶属函数分配的危险度隶属度权重，计算公式为：

根据多个所述兴趣感知子区域各自的危险度隶属度权重计算得到W_θ。

6.如权利要求2所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，所述根据方位危险度隶属度CR_θ、方位权重d_θ、作用粒度危险度隶属度CR_f和作用力权重d_f进行计算，得到所述第一危险度隶属度CR_s的计算公式为：

CR_s＝d_θ·CR_θ+d_f·CR_f。

7.如权利要求1所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，根据根据所述目标因素集中的因素CR_s和CR_q结合相应的权重a_s和a_q进行综合计算，得到相对碰撞危险度的计算公式为：

CR＝a_sCR_s+a_qCR_q

其中所述相对碰撞危险度的数值范围为[0,1]。

8.如权利要求7所述的受限水域基于船舶集群态势的相对碰撞危险度建模方法，其特征在于，得到相对碰撞危险度之后，还包括：

根据所述相对碰撞危险度进行危险等级划分，包括：

当所述相对碰撞危险度的数值在[0,0.3)时，危险等级为很危险；

当所述相对碰撞危险度的数值在[0.3,0.7)时，危险等级为较危险；

当所述相对碰撞危险度的数值在[0.7,1)时，危险等级为一般危险；

当所述相对碰撞危险度的数值等于1时，危险等级为安全。

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