CN111260529B - 船舶环境数据的确定方法、装置及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶环境数据的确定方法、装置及船舶，涉及船舶控制技术领域，包括获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置确定插值范围；其中，所述插值范围包括指定数量的插值点；所述插值点包括初始环境数据；计算每个所述插值点对应的插值权重；基于所述插值权重和所述初始环境数据，确定所述船舶的当前位置的实时环境数据。本发明在确定船舶当前位置的实时环境数据时，降低了计算的复杂度，同时提升了计算的准确性，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

Description

船舶环境数据的确定方法、装置及船舶

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是涉及一种船舶环境数据的确定方法、装置及船舶。

背景技术

在船舶能耗优化、航迹预测等计算时往往需要获取船舶所处环境的各类环境数据，为了保证能得到整条航线上的环境数据，势必会使模拟的范围很大，同时为了保证精度，又不允许网格精度太低，这样在计算船舶所处环境的环境数据时就需要极大的计算量，同时计算的耗时也相对较长，在船舶航海时无法满足实时控制的需求，容易造成模拟误差，导致结果不准确的问题。

针对上述由于计算船舶所处环境的环境数据时需要极大的计算量，同时计算耗时也相对较长的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶环境数据的确定方法、装置、船舶和计算机可读存储介质，在降低计算的复杂度的同时提升了船舶当前位置环境数据插值的准确性，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

第一方面，实施例提供一种船舶环境数据的确定方法，包括：获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置确定插值范围；其中，所述插值范围包括指定数量的插值点；所述插值点包括初始环境数据；计算每个所述插值点对应的插值权重；基于所述插值权重和所述初始环境数据，确定所述船舶的当前位置的实时环境数据。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：接收岸基发送的点阵数据；所述点阵数据包括多个数据点；所述数据点包括对应的位置信息和所述初始环境数据。

在可选的实施方式中，所述获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置确定插值范围的步骤，包括：获取所述船舶的当前位置对应的位置坐标；基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定所述插值范围。

在可选的实施方式中，所述基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定所述插值范围的步骤，包括：基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的所述插值点；基于指定数量的所述插值点确定所述插值范围。

在可选的实施方式中，所述计算每个所述插值点对应的插值权重的步骤，包括：根据所述插值点对应的初始环境数据选取对应的环境数据控制方程；基于有限元法对所述环境数据控制方程进行计算，确定所述插值点对应的插值权重。

在可选的实施方式中，所述实时环境数据的类型与所述初始环境的类型对应，包括以下至少一种：流速流向、浪高浪向、风速风向、水温、盐度、气温、气压。

第二方面，实施例提供一种船舶环境数据的确定装置，包括：第一确定模块，用于获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置确定插值范围；其中，所述插值范围包括指定数量的插值点；所述插值点包括初始环境数据；权重计算模块，用于计算每个所述插值点对应的插值权重；第二确定模块，用于基于所述插值权重和所述初始环境数据，确定所述船舶的当前位置的实时环境数据。

在可选的实施方式中，所述装置还包括：接收模块，用于接收岸基发送的点阵数据；所述点阵数据包括多个数据点；所述数据点包括对应的位置信息和所述初始环境数据。

第三方面，实施例提供一种船舶，包括控制终端；所述控制终端用于控制所述船舶响应前述实施方式任一项所述方法。

第四方面，实施例提供一种计算机可读存储介质，用于储存如前述实施方式任一项所述方法所用的计算机软件指令。

本发明提供的船舶环境数据的确定方法、装置及船舶，通过获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围，其中，插值范围包括指定数量的插值点，插值点包括初始环境数据，计算每个插值点对应的插值权重，基于插值权重和初始环境数据，确定船舶的当前位置的实时环境数据。通过获取船舶的当前位置并基于船舶的当前位置确定插值范围，并通过计算插值权重最终得到船舶当前位置的实时环境数据，由于插值范围为船舶当前位置附近的较小区域，所以通过确定插值范围计算船舶当前位置的实时环境数据，显著的降低了计算的复杂度，同时由于插值权重的求解是基于物理过程的模拟，因此插值结果更为精确。因此本发明实施例在确定船舶当前位置的实时环境数据时，降低了计算的复杂度，同时提升了计算的准确性，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种船舶环境数据的确定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种随船运动的模拟区域示意图；

图3为本发明实施例提供的一种模拟区域网格示意图；

图4为本发明实施例提供的一种船舶环境数据的确定装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为便于理解，首先对本发明实施例提供的船舶环境数据的确定方法进行详细介绍，参见图1所示的一种船舶环境数据的确定方法的流程示意图，该方法主要包括如下步骤S102至步骤S106：

步骤S102：获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围，其中，插值范围包括指定数量的插值点，插值点包括初始环境数据。

在一种实施方式中，船舶的当前位置可以由船基设备进行获取，船舶的当前位置通常通过船舶所在位置的经纬度进行表征，插值范围为船舶的当前位置附近的一个小区域的范围，可以通过实际需要选择对应的插值手段确定插值点，进而确定对应的插值范围。插值点的数量以及对应的插值范围根据不同的插值手段会有不同的形式。插值点是由岸基进行发送的一系列点阵数据中的点，每个插值点包括初始环境数据，初始环境数据也即由海洋环境预报机构提供的环境数据，诸如，浪高浪向、流速流向、风速风向、水温、盐度等。

步骤S104：计算每个插值点对应的插值权重。

在一种实施方式中，基于船舶当前的位置上确定插值点及对应的插值范围后，根据插值点的上不同的初始环境数据的运动特征选择相应的控制方程，不同物理量一般具有不同的运动特征和控制方程，如描述海流运动的浅水方程，描述波浪运动的能量方程，描述盐度的对流扩散方程以及其他一系列方程。根据不同物理量的运动特征选择相应的控制方程后，可以通过诸如有限元的方法进行插值权重的计算，从而得到插值点对应的插值权重。

步骤S106：基于插值权重和初始环境数据，确定船舶的当前位置的实时环境数据。

在一种实施方式中，实时环境数据的类型与插值点上的初始环境数据的类型对应，通过上述计算所得的插值权重及由海洋环境预报机构提供的初始环境数据可以求得船舶当前位置的实时环境数据，也即根据船舶航行和/或能耗需要求取的各类相关物理量的准确结果。具体的，可以通过将插值点上的相关初始物理量乘以对应的插值权重后求和，计算获取船舶当前位置上的准确物理量结果，也即获取船舶当前位置的实时环境数据情况，为船舶下一步操作提供更为精准、快速的数据判断基础，应对特殊的航行环境。

本发明提供的船舶环境数据的确定方法，通过获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围，其中，插值范围包括指定数量的插值点，插值点包括初始环境数据，计算每个插值点对应的插值权重，基于插值权重和初始环境数据，确定船舶的当前位置的实时环境数据。通过获取船舶的当前位置并基于船舶的当前位置确定插值范围，并通过计算插值权重最终得到船舶当前位置的实时环境数据，由于插值范围为船舶当前位置附近的较小区域，所以通过确定插值范围计算船舶当前位置的实时环境数据，显著的降低了计算的复杂度，同时由于插值权重的求解是基于物理过程的模拟，因此插值结果更为精确。因此本发明实施例在确定船舶当前位置的实时环境数据时，降低了计算的复杂度，同时提升了计算的准确性，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

在一种实施方式中，在确定插值范围之前首先需要读取岸基传送的数据，该数据包括一系列点阵，故也可以称为点阵数据，点阵数据中的每个数据点均包含位置信息(也即经纬度坐标)和初始环境数据(也即环境数据信息)，诸如这里的H表示浪高，表示流速矢量，这些数据点包含的信息均由海洋环境预报机构提供。

为便于对上述步骤S102进行理解，上述获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围的步骤，可以包括如下步骤1和步骤2：

步骤1，获取船舶的当前位置对应的位置坐标。其中，船舶位置坐标为船舶当前所在的位置坐标对应的经纬度坐标，可以用表示，其中/>为船舶所在位置的纬度坐标，λ_s为经度坐标。

步骤2，基于船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定插值范围。预设方式可以包括任意一种插值方式，根据实际情况进行选择。

在一种实施方式中，上述步骤2可以还包括如下步骤2.1和步骤2.2：

步骤2.1，基于船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的插值点。

为便于理解，参见图2所示的一种随船运动的模拟区域示意图，模拟区域也即上述提到的插值范围，图中所示的网格上的空心黑点即为点阵数据中的数据点，插值点为如图2中坐标为(j+1，i)、(j+1，i+1)、(j，i)和(j，i+1)所示的四个点，由于插值点为相互正交的点阵，且同一行上点的纬度相同，同一列上点的经度相同，因此可以先检索其中一列点上的纬度坐标，比较各点上的纬度与船舶所在位置纬度的大小，当且/>时，保存这两个纬度；随后检索同一行点上的经度坐标，比较各点上的经度与船舶所在位置经度的大小，当λ_i<λ_s且λ_i+1>λ_s时，保存这两个经度。检索完成后便得到了两个纬度和两个经度，这四个坐标进行组合便得到了四个对应的插值点/>需要注意的，当在检索过程中出现某些被检索的数据点上的纬度或经度坐标与船舶所在位置坐标/>或λ_s相同时，可以将这些数据点所在行与列一同删去，然后重新进行检索，直至找到上述提到的四个插值点。

步骤2.2，基于指定数量的插值点确定插值范围。

在一种实施方式中，通过上述检索得到的插值点确定插值范围的方式可以通过对上述四个插值点进行围合的方式，围合构成的区域即为检索所确定插值范围，该插值范围为在船舶的当前位置附近的一个小范围的模拟区域，在此模拟区域范围内对物理过程进行模拟，完成插值。

为了能够得到船舶的当前位置更准确的实时环境数据，需要计算插值点的插值权重，上述步骤S104中计算插值权重进一步可以包括如下步骤A和步骤B：

步骤A，根据插值点对应的初始环境数据选取对应的环境数据控制方程。

可选的，由于环境数据包括流速流向、浪高浪向、风速风向、水温、盐度、气温、气压等参数数据，因此可以根据不同环境数据的运动特征选择相应的控制方程，以盐度的模拟求解过程为例，其控制方程为盐度对流扩散方程：

其中，φ表示盐度，U为速度矢量，k为盐在水中的扩散系数(可以根据水温查表所得，为已知量)，计算时，船舶所在位置的速度U由其他模型求得，在模拟海水盐度时为已知量，这里的未知量仅为船舶所在位置处的盐度。

步骤B，基于有限元法对环境数据控制方程进行计算，确定插值点对应的插值权重。

在一种实施方式中，对环境数据控制方程进行计算可以通过有限元方法进行求解，具体的，在前述确定的模拟区域中，根据船舶与插值点间的相对位置划分网格，参见图3，根据划分后的网格确定各点之间的相互关系，为物理过程的数值模拟做准备，船舶所在位置处的盐度可由图3所示的四个插值点1-4上的盐度值插值所得，其表达式为φ_s＝ω₁φ₁+ω₂φ₂+ω₃φ₃+ω₄φ₄，其中，φ₁，φ₂，φ₃，φ₄为气象预报数据，由岸基传送，为已知量。为了得到船舶所在位置的环境数据值，则需要上述四个权重ω₁，ω₂，ω₃和ω₄。插值权重通过有限元方法进行求解，上述盐度对流扩散方程的求解表达式则可以写为：

其中，∫∫_S表示面积分，在有限元计算插值权重时，上述划分的A、B、C、D四个区域都需要满足式(2)，因此有：

进一步，对上述式(3)进行离散，通过将导数项变为差分项，诸如将随后对式(3)中的四个方程进行面积分，此时与船舶位置坐标相关的变量Δi,Δj已在求解过程中消去，与时间相关的变量Δt作为常数保留。通过将常数项移到等号右边便得到了四个关于权重ω₁，ω₂，ω₃和ω₄的方程。将四个方程联立，并合并同类项后便得到了一个对应的代数方程：

AX＝Y (4)

其中，A为系数矩阵为一个已知量，X为待求解的权重向量/>Y为与时间间隔Δt相关的常数向量/>

进一步，上述权重向量X可表示为X＝A^-1Y。此时的权重向量X的值与时间间隔Δt有关，在实际应用中，通过设置计算机计算的不同时间间隔，便可以得到当前时刻以及不同时间间隔之后各个时刻上的权重向量X。由于得到了权重向量X，由此便可得到不同物理量不同时刻时在船舶所在位置处的插值权重值。

通过上述得到的权重向量X，将插值点上的初始物理量乘以插值权重值并全部相加便得到了不同时刻船舶所在位置上的准确物理量结果，参见式(5)：

其中，Θ为物理量，ω为各插值点上的插值权重值，n为插值点个数。插值点上的初始的物理量对应上述由海洋环境预报机构提供的初始环境数据，插值点上的初始物理量乘以插值权重值并全部相加得到的准确物理量结果对应上述船舶当前位置的实时环境数据。本发明提供的实施例，各个插值点的插值权重值是根据物理过程模拟所得，比简单的线性插值更加合理准确，同时由于模拟计算的范围较小，网格点数不必太多，整个计算过程可以在几秒内完成，因此整个计算过程快速高效，且计算结果准确率高，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

对于上述的船舶环境数据的确定方法，本发明实施例还提供了一种船舶环境数据的确定装置，参见如图4所示的一种船舶环境数据的确定装置的结构示意图，该装置主要包括以下部分：

第一确定模块402，用于获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围；其中，插值范围包括指定数量的插值点；插值点包括初始环境数据；

权重计算模块404，用于计算每个插值点对应的插值权重；

第二确定模块406，用于基于插值权重和初始环境数据，确定船舶的当前位置的实时环境数据。

本发明提供的船舶环境数据的确定装置，通过获取船舶的当前位置，并基于船舶的当前位置确定插值范围，其中，插值范围包括指定数量的插值点，插值点包括初始环境数据，计算每个插值点对应的插值权重，基于插值权重和初始环境数据，确定船舶的当前位置的实时环境数据。通过获取船舶的当前位置并基于船舶的当前位置确定插值范围，并通过计算插值权重最终得到船舶当前位置的实时环境数据，由于插值范围为船舶当前位置附近的较小区域，所以通过确定插值范围计算船舶当前位置的实时环境数据，显著的降低了计算的复杂度，同时由于插值权重的求解是基于物理过程的模拟，因此插值结果更为精确。因此本发明实施例在确定船舶当前位置的实时环境数据时，降低了计算的复杂度，同时提升了计算的准确性，满足船舶在特殊环境中的决策应用。

在一种实施方式中，上述装置还包括：接收模块，用于接收岸基发送的点阵数据；点阵数据包括多个数据点；数据点包括对应的位置信息和初始环境数据。

在一种实施方式中，上述第一确定模块402，进一步用于获取船舶的当前位置对应的位置坐标；基于船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定插值范围。

在一种实施方式中，上述装置还包括第三确定模块，用于基于船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的插值点；基于指定数量的插值点确定插值范围。

在一种实施方式中，上述权重计算模块404，进一步用于根据插值点对应的初始环境数据选取对应的环境数据控制方程；基于有限元法对环境数据控制方程进行计算，确定插值点对应的插值权重。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明还提供了一种船舶，具体的，该船舶包括控制终端；该控制终端包括如上所述实施方式的任一项所述的方法。

本发明还提供一种船舶环境数据的确定方法、装置及船舶的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种船舶环境数据的确定方法，其特征在于，包括：

获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的插值点，通过插值点进行围合，基于围合构成的区域确定插值范围；其中，所述插值范围包括指定数量的插值点；所述插值点包括初始环境数据；所述初始环境数据至少包括浪高浪向、流速流向、风速风向、水温和盐度；

根据所述插值点对应的初始环境数据选取对应的环境数据控制方程；控制方程为盐度对流扩散方程：

其中，φ表示盐度，U为速度矢量，k为盐在水中的扩散系数；

在所述插值范围中，根据船舶与插值点间的相对位置划分网格，根据划分后的网格确定各点之间的相互关系，确定所述插值点对应的插值权重；

基于所述插值权重和所述初始环境数据，确定所述船舶的当前位置的实时环境数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收岸基发送的点阵数据；所述点阵数据包括多个数据点；所述数据点包括对应的位置信息和所述初始环境数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置确定插值范围的步骤，包括：

获取所述船舶的当前位置对应的位置坐标；

基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定所述插值范围。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定所述插值范围的步骤，包括：

基于所述船舶的当前位置对应的所述位置坐标，在所述数据点对应的所述位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的所述插值点；

基于指定数量的所述插值点确定所述插值范围。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时环境数据的类型与所述初始环境的类型对应，包括以下至少一种：流速流向、浪高浪向、风速风向、水温、盐度、气温、气压。

6.一种船舶环境数据的确定装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于获取所述船舶的当前位置，并基于所述船舶的当前位置对应的位置坐标，在数据点对应的位置信息中按照预设方式进行检索，确定指定数量的插值点，通过插值点进行围合，基于围合构成的区域确定插值范围；其中，所述插值范围包括指定数量的插值点；所述插值点包括初始环境数据；所述初始环境数据至少包括浪高浪向、流速流向、风速风向、水温和盐度；

权重计算模块，根据所述插值点对应的初始环境数据选取对应的环境数据控制方程；控制方程为盐度对流扩散方程：

其中，φ表示盐度，U为速度矢量，k为盐在水中的扩散系数；在所述插值范围中，根据船舶与插值点间的相对位置划分网格，根据划分后的网格确定各点之间的相互关系，确定所述插值点对应的插值权重；

第二确定模块，用于基于所述插值权重和所述初始环境数据，确定所述船舶的当前位置的实时环境数据。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

接收模块，用于接收岸基发送的点阵数据；所述点阵数据包括多个数据点；所述数据点包括对应的位置信息和所述初始环境数据。

8.一种船舶，其特征在于，包括控制终端；所述控制终端用于控制所述船舶响应权利要求1至5任一项所述方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于储存如权利要求1至5任一项所述方法所用的计算机软件指令。