CN111445086A - 一种基于pidvca预测复航时间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，基于PIDVCA相关基础模型及算法和船舶碰撞危险及危险度及其避碰行为效果预测动态评判体系，并已计算获取实现本发明所需的相关避碰信息以及获知船舶会遇态势、本船与目标船的交会特征及避让属性、多船会遇态势下的避让参考船和非参考船、初始避让时间(Tsr)及避让幅度(AC)为前提，创建了避让单船预测复航时间的基本模型，在此基础上，提出一种基于PIDVCA预测复航时间的方法。本发明结合PIDVCA算法提供的避让幅度、避让时机构成了船舶航行智能避碰辅助决策的三要素，为船舶驾驶员提供了科学合理的避碰决策。

Description

一种基于PIDVCA预测复航时间的方法
技术领域
本发明涉及交通信息工程及控制与载运工具运用工程交叉学科衍生的船舶航行智能化技术研究领域，特别是指一种基于PIDVCA预测复航时间的方法。
背景技术
据有关资料显示，因船舶驾驶员决策和操作过失、应急反应不当等人为因素导致的避碰事故占海事碰撞事故的80％。要从根本上解决人为因素导致的船舶碰撞事故，实现船舶智能避碰决策的自动化是重要途径之一。然而，船舶避碰决策算法所生成的避碰决策是否遵循《国际海上避碰规则》(以下简称《规则》)精神，是否符合船舶驾驶员的通常做法并体现其优良船艺将成为该技术推广应用的前提。众所周知，船舶驾驶员良好船艺体现在对船舶危险态势的正确评估，对避让幅度、施舵时间和复航时间的合理把握以及采取避让行动后是否构成新危险的正确判断。由此可见，预测复航时间是机器(计算机)为船舶驾驶员提供避让实施方案(避让幅度、施舵时间以及复航时间)三要素之一。
为驾驶员提供的避碰决策必须要遵循《规则》精神和模拟优秀驾驶员并体现其优良船员的通常做法才能被驾驶员所接受，这就需要机器在提供经济科学合理的避让幅度、施舵时间的同时，给出复航时间。在现有的智能避碰决策实现机制中尚未给出复航时间，即避碰决策不完整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，为驾驶员提供准确的复航时间，实现更加科学合理的避碰决策。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，基于PIDVCA相关基础模型及算法和船舶碰撞危险及危险度及其避碰行为效果预测动态评判体系，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：定义船舶会遇目标船交会特征TEC
基于船舶相对运动几何图解，根据目标船真航向Ct、相对运动航向Cr和目标船与本船的速度比Vt/V0，定义多种目标船交会特征TEC；
步骤二：判断会遇目标船是否与本船构成碰撞危险
根据PIDVCA算法中的船舶碰撞危险及危险度评估体系，对本船为中心12海里范围内所有目标船进行碰撞危险及危险度判断：若存在单条存在碰撞危险的目标船，则将该目标船视为避让参考船，执行步骤三，若存在多条存在碰撞危险的目标船，则根据评估体系解算出避让参考船和避让非参考船，执行步骤三，其他不存在碰撞危险的目标船定义为当前非危险目标船；
步骤三：建立本船避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型
基于步骤一定义的船舶会遇目标船交会特征TEC和步骤二解算的避让参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立本船避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型；
步骤四：建立本船避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型
以Tr[n]的模型为基础，根据PIDVCA相关基础模型及算法所解算的避让非参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型；
步骤五：计算初始预测复航时间Trr
根据模型计算的本船避让参考船和避让非参考船的预测复航时间，取其最大值作为初始预测复航时间Trr；
步骤六：判断模拟本船改向后是否会构成新的碰撞危险
计算模拟本船改向后和复航后的目标参数Vrn、Crn、Tcpan和Dcpan，判断本船改向后是否会与当前非危险目标船构成新的碰撞危险；若构成新的碰撞危险，则定义为模拟本船改向后潜在碰撞危险船，执行步骤七；若不构成，则执行步骤九；
步骤七：建立预测复航限制时间Tc的模型
定义本船改向后潜在碰撞危险船的预测复航限制时间Tc，基于目标船交会特征TEC和预测复航时间模型Tr，建立预测复航限制时间Tc的模型；
步骤八：判断若按照初始预测复航时间Trr执行，是否会存在新的碰撞危险
若Tc＞Trr，按照Trr进行复航，并执行步骤九；若Tc≤Trr，则以本船改向后潜在碰撞危险船作为避让参考船并返回步骤三进行重新决策；
步骤九：输出预测复航时间Trr。
所述步骤三中，
Figure BDA0002455516980000031
其中
Figure BDA0002455516980000032
Figure BDA0002455516980000033
式中xp1为第一次转向点的横坐标，yp1为第一次转向点的纵坐标，Vrn为改向后的相对运动速度，Cr和Crn分别表示改向前后的相对运动航向，SDA表示安全会遇距离，Dcpan表示预测本船改向后目标船与本船的最近会遇距离，sign(SDA_Cr)和sign(SDA_Crn)分别根据目标船交会特征TEC进行取值。
所述步骤四中，
Figure BDA0002455516980000041
其中
Figure BDA0002455516980000042
Figure BDA0002455516980000043
所述步骤七中，
Figure BDA0002455516980000044
其中
Figure BDA0002455516980000045
Figure BDA0002455516980000046
式中xp2为第二次转向点的横坐标，yp2为第二次转向点的纵坐标，Dc表示本船全速满舵转90度的旋回进距。
采用上述技术方案后，本发明针对机器如何模拟船舶驾驶员不同会遇局面下改向避让后寻找最优的复航时机，使本船在让过避让参考船并及时复航后能够有效让清所有船舶，既避免碰撞，又体现决策的科学合理性。本发明提出了预测复航时间和预测复航限制时间的概念，通过船舶相对运动几何图解分析总结本船改向避让后目标相对运动线的变化规律，建立预测复航时间模型和预测复航限制时间模型，实现在不构成新的碰撞危险的前提下，本船能够及时复航。本发明结合PIDVCA算法提供的避让幅度、避让时机构成了船舶航行智能避碰辅助决策的三要素，为船舶驾驶员提供了科学合理的避碰决策。
附图说明
图1为本发明预测复航时间的流程示意图；
图2为本发明预测复航时间和预测复航限制时间的几何图解；
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
完整的船舶智能避碰决策方案应包括避让幅度、施舵时间和预测复航时间三个要素，三个要素之间相互关联相互影响，即避让幅度和施舵时间不同，复航时间也不同。现有的船舶智能避碰决策实现机制中尚未明确给出预测复航时间，换言之，提供的避碰决策方案不完整。
为完善避碰决策方案以及正确判断船舶采取改向避让行动后是否会构成新的潜在碰撞危险，本发明引入预测复航时间(Tr-Forecast Recovery Time of Ship)和预测复航限制时间(Tc-Forecast Recovery Time of Ship)的概念，基于相对运动几何图解分析总结本船改向避让后目标相对运动线的变化规律，建立预测复航时间模型，实现在不构成新的潜在避碰危险的前提下本船能够及时复航。预测复航时间可以有效避免船舶采取改向避让后构成新的潜在碰撞危险，保障船舶智能避碰决策支持系统自动试操船功能的有效性。
本发明专利基于发明者先前研究设计的PIDVCA相关基础模型及算法和船舶碰撞危险及危险度及其避碰行为效果预测动态评判体系(具体名称为一种实现船舶拟人智能避碰决策的机器学习方法、一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法)，并已计算获取实现本发明所需的相关避碰信息以及获知船舶会遇态势、本船与目标船的交会特征及避让属性、多船会遇态势下的避让重点船、避让重点船的初始避让时间(Tsr)及避让幅度(AC)为前提，创建了避让单船预测复航时间的基本模型，在此基础上，提出一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：定位船舶会遇目标船交会特征TEC
定义目标船交会特征(Target Encounter Characteristic，简称TEC)的概念，即当目标船与本船的速度比Vt/V0、目标船真航向Ct、相对运动航向Cr取值不同时，同一种会遇类型，本船与目标船会存在不同的交会特征。基于船舶相对运动几何图解，根据目标船真航向Ct、相对运动航向Cr和两船间的速度关系，总结了16种目标船交会特征TEC，如以下的表1所示。
表1目标教会特征取值表
序号 TEC C<sub>t</sub>-C<sub>o</sub> C<sub>r</sub> 速度关系
1 TEC＝1 0°～90° 90°～180° V<sub>o</sub>≤V<sub>t</sub>
2 TEC＝2 270°～360° 180°～270° V<sub>o</sub>≤V<sub>t</sub>
3 TEC＝3 0°～90° 90°～180° V<sub>o</sub>≥V<sub>t</sub>
4 TEC＝4 270°～360° 180°～270° V<sub>o</sub>＞V<sub>t</sub>
5 TEC＝5 180° 180° V<sub>o</sub>≥V<sub>t</sub>
6 TEC＝50 0° 180° V<sub>o</sub>＞V<sub>t</sub>
7 TEC＝6 0° 0° V<sub>o</sub>≤V<sub>t</sub>
8 TEC＝60 C<sub>o</sub> 180° V<sub>t</sub>＝0
9 TEC＝7 0°～90° 0°～90° V<sub>o</sub>＜V<sub>t</sub>
10 TEC＝8 270°～360° 270°～360° V<sub>o</sub>＜V<sub>t</sub>
11 TEC＝10 90°～180° 90°～180° V<sub>o</sub>≤V<sub>t</sub>
12 TEC＝20 180°～270° 180°～270° V<sub>o</sub>≤V<sub>t</sub>
13 TEC＝30 90°～180° 90°～180° V<sub>o</sub>＞V<sub>t</sub>
14 TEC＝40 180°～270° 180°～270° V<sub>o</sub>＜V<sub>t</sub>
15 TEC＝70 0°～90° 90° V<sub>o</sub>＜V<sub>t</sub>
16 TEC＝80 270°～360° 270° V<sub>o</sub>＜V<sub>t</sub>
步骤二：判断会遇目标船是否与本船构成碰撞危险
根据PIDVCA算法中船舶碰撞危险及危险度评估体系(下简称评估体系)，对本船为中心12海里范围内所有目标船进行碰撞危险及危险度判断：若存在单条存在碰撞危险的目标船，则将该目标船视为避让参考船，执行步骤三，若存在多条存在碰撞危险的目标船，则根据评估体系解算出避让参考船(即避让重点船)和避让非参考船(即非重点避让船)，执行步骤三，其他不存在碰撞危险的目标船定义为当前非危险目标船。
步骤三：建立本船避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型
定义参考船的预测复航时间Tr[n]的概念，基于船舶会遇目标船交会特征TEC和步骤二解算的避让参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型，如图2所示。
Figure BDA0002455516980000071
其中预测复航点Rp(xr，yr)为
Figure BDA0002455516980000072
Figure BDA0002455516980000073
步骤四：建立本船避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型
以Tr[n]的模型为基础，根据PIDVCA相关基础模型及算法所解算的避让非参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型。
Figure BDA0002455516980000074
其中预测复航点Rp(xr,yr)为
Figure BDA0002455516980000081
Figure BDA0002455516980000082
步骤五：计算初始预测复航时间Trr
根据模型计算的本船避让参考船和避让非参考船的预测复航时间，取其最大值作为初始预测复航时间Trr。
步骤六：判断模拟本船改向后是否会构成新的碰撞危险
计算模拟本船改向后和复航后的目标参数Vrn、Crn、Tcpan和Dcpan等，判断本船改向后是否会与当前非危险目标船构成新的碰撞危险。若构成新的碰撞危险，则定义为模拟本船改向后潜在碰撞危险船，执行步骤七。若不构成，则执行步骤九。
步骤七：建立预测复航限制时间Tc的模型
通过定义本船改向后潜在碰撞危险船的预测复航限制时间Tc，基于目标交会特征和预测复航时间模型Tr，建立预测复航限制时间Tc的模型。
Figure BDA0002455516980000083
其中预测复航限制时间点Rcp(xc，yc)为
Figure BDA0002455516980000084
Figure BDA0002455516980000085
步骤八：判断若按照初始预测复航时间Trr执行，是否会存在新的碰撞危险
若Tc＞Trr，则输出初始预测复航时间，即按照Trr进行复航，执行步骤九输出初始复航限制时间。若Tc≤Trr，则以本船改向后潜在碰撞危险船作为避让参考船返回步骤三进行重新决策。
步骤九：输出预测复航时间Trr
上述方法中，预测复航时间Tr的计算方法如下：
如图2所示，坐标系以本船中心点为原点O，本船艏向正方向为y轴正方向，本船右正横方向为x轴正方向。AC为本船向右改向的避让幅度；RML和RML’分别表示目标船与本船的相对运动线及其平移线；NRML和NRML’分别表示本船向右改向AC前后目标船与本船的相对运动线及其平移线(下同)。当本船已经错过最佳初始施舵时间时，立即在当前时刻C点施舵，不考虑操纵延，目标船到达ACp点本船完成改向AC，即称ACp(xp,yp)为转向点，显然RML1’与NRML1’的交点即为预测复航点Rp(xr，yr)，RML2’与NRML2’的交点即为预测复航限制时间点Rcp(xc，yc)，即为在目标船遵守《国际海上避碰规则》(以下简称规则)保向保速前提下，本船向右避让改向的预测复航转向点和预测复航限制时间点。经过几何分析计算可到：
Figure BDA0002455516980000091
式中，Vrn为改向后的相对运动速度，Tr为预测复航时间，
其中预测复航点Rp(xr，yr)为
Figure BDA0002455516980000092
Figure BDA0002455516980000093
式中，Cr和Crn分别表示改向前后的相对运动航向，SDA表示安全会遇距离，Dcpan表示预测本船改向后目标船与本船的最近会遇距离，sign(SDA_Cr)和sign(SDA_Crn)的取值如以下的表2所示。
表2符号函数sign(SDA_Cr)与sign(SDA_Crn)取值表
Figure BDA0002455516980000101
同理，如图2所示，经几何分析，预测复航限制时间Tc的计算方法如下：
Figure BDA0002455516980000111
其中预测复航限制时间点Rcp(xc，yc)为
Figure BDA0002455516980000112
Figure BDA0002455516980000113
上述公式中,Dc表示本船全速满舵转90度的旋回进距,Cr或Crn的取值都不为特殊角0°、90°、180°、270°。
通过上述方案，本发明针对机器如何模拟船舶驾驶员在多船会遇局面下改向避让后寻找最优的复航时机，使本船在让过避让参考船并及时复航后能够有效让清所有船舶，既避免碰撞，又体现决策的科学合理性。本发明提出了预测复航时间和预测复航限制时间的概念，通过船舶相对运动几何图解分析总结本船改向避让后目标相对运动线的变化规律，建立预测复航时间模型和预测复航限制时间模型，实现在不构成新的碰撞危险的前提下，本船能够及时复航。本发明结合PIDVCA算法提供的避让幅度、避让时机构成了船舶航行智能避碰辅助决策的三要素，为船舶驾驶员提供了科学合理的避碰决策。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，基于PIDVCA相关基础模型及算法和船舶碰撞危险及危险度及其避碰行为效果预测动态评判体系，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：定义船舶会遇目标船交会特征TEC
基于船舶相对运动几何图解，根据目标船真航向Ct、相对运动航向Cr和目标船与本船的速度比Vt/V0，定义多种目标船交会特征TEC；
步骤二：判断会遇目标船是否与本船构成碰撞危险
根据PIDVCA算法中的船舶碰撞危险及危险度评估体系，对本船为中心12海里范围内所有目标船进行碰撞危险及危险度判断：若存在单条存在碰撞危险的目标船，则将该目标船视为避让参考船，执行步骤三，若存在多条存在碰撞危险的目标船，则根据评估体系解算出避让参考船和避让非参考船，执行步骤三，其他不存在碰撞危险的目标船定义为当前非危险目标船；
步骤三：建立本船避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型
基于步骤一定义的船舶会遇目标船交会特征TEC和步骤二解算的避让参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立本船避让参考船的预测复航时间Tr[n]的模型；
步骤四：建立本船避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型
以Tr[n]的模型为基础，根据PIDVCA相关基础模型及算法所解算的避让非参考船，结合船舶相对运动几何图解分析，建立避让非参考船的预测复航时间Tr[i]的模型；
步骤五：计算初始预测复航时间Trr
根据模型计算的本船避让参考船和避让非参考船的预测复航时间，取其最大值作为初始预测复航时间Trr；
步骤六：判断模拟本船改向后是否会构成新的碰撞危险
计算模拟本船改向后和复航后的目标参数Vrn、Crn、Tcpan和Dcpan，判断本船改向后是否会与当前非危险目标船构成新的碰撞危险；若构成新的碰撞危险，则定义为模拟本船改向后潜在碰撞危险船，执行步骤七；若不构成，则执行步骤九；
步骤七：建立预测复航限制时间Tc的模型
定义本船改向后潜在碰撞危险船的预测复航限制时间Tc，基于目标船交会特征TEC和预测复航时间模型Tr，建立预测复航限制时间Tc的模型；
步骤八：判断若按照初始预测复航时间Trr执行，是否会存在新的碰撞危险
若Tc＞Trr，按照Trr进行复航，并执行步骤九；若Tc≤Trr，则以本船改向后潜在碰撞危险船作为避让参考船并返回步骤三进行重新决策；
步骤九：输出预测复航时间Trr。
2.如权利要求1所述的一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，其特征在于：
所述步骤三中，
Figure FDA0002455516970000021
其中
Figure FDA0002455516970000022
Figure FDA0002455516970000023
式中xp1为第一次转向点的横坐标，yp1为第一次转向点的纵坐标，Vrn为改向后的相对运动速度，Cr和Crn分别表示改向前后的相对运动航向，SDA表示安全会遇距离，Dcpan表示预测本船改向后目标船与本船的最近会遇距离，sign(SDA_Cr)和sign(SDA_Crn)分别根据目标船交会特征TEC进行取值。
3.如权利要求2所述的一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，其特征在于：
所述步骤四中，
Figure FDA0002455516970000031
其中
Figure FDA0002455516970000032
Figure FDA0002455516970000033
4.如权利要求2所述的一种基于PIDVCA预测复航时间的方法，其特征在于：
所述步骤七中，
Figure FDA0002455516970000034
其中
Figure FDA0002455516970000035
Figure FDA0002455516970000036
式中xp2为第二次转向点的横坐标，yp2为第二次转向点的纵坐标，Dc表示本船全速满舵转90度的旋回进距。
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