CN111966965B - 一种浮标沉石移位识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浮标的沉石移位识别技术领域，公开了一种浮标沉石移位识别方法，包括以下步骤：按设定采样间隔采集多个连续时间段内浮标的观测位置；根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置；以最早的时间段内的沉石预估位置作为基准位置，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息；统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果判断沉石是否发生移位。本发明具有准确判断沉石移位情况，保障浮标的导航、助航性能技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及浮标的沉石移位识别技术领域，具体涉及一种浮标沉石移位识别方法、装置以及计算机存储介质。
背景技术
浮标的是由沉石和锚链系留于水中，其中沉石起到海底固定作用，锚链长度通常按照几倍水深配置，富余的锚链起到伸缩调节和增加海底附着力的作用。如图1a中所示，风平浪静情况下，部分锚链20附着于海底，此时浮标10的回旋半径R很小；如图1b中所示，风大浪急时，此时浮标10的回旋半径R则很大，全部锚链20基本上不着海底；如图1c中所示，沉石30受极端恶劣海况和天气影响时，可能会发生沉石移位现象，导致浮标10发生异常漂移，降低浮标导航助航效能，容易使船舶发生碰撞浮标事故，甚至发生搁浅、偏航事故，严重威胁航道运输安全。
目前，浮标的沉石移位方面相关研究相对较少，没有可行的手段来判断沉石是否发生移位。因此，研发一种沉石移位识别方法，对于保障浮标发挥正常的导助航性能，维护船舶通航安全具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种浮标沉石移位识别方法、装置以及计算机存储介质，解决现有技术中无法判断沉石是否移位，影响浮标的正常导航助航性能的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种浮标沉石移位识别方法，包括以下步骤：
按设定采样间隔采集多个连续时间段内浮标的观测位置；
根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置；
以最早的时间段内的沉石预估位置作为基准位置，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息；
统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果判断沉石是否发生移位。
本发明还提供一种浮标沉石移位识别装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述浮标沉石移位识别方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述浮标沉石移位识别方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提出了一种基于浮标的观测位置对沉石的位置进行预估的方案，得到沉石预估位置后，以最早时间段的沉石预估位置作为基准位置，计算后组其它各时间段内沉石预估位置与基准位置之间的移位信息，从而得到沉石的预估移位情况，综合后续各时间段内的移位信息，根据统计结果对沉石的移位情况进行判断，从而实现沉石移位的准确判断，保障浮标的导航、助航性能。
附图说明
图1a是风平浪静时浮标、沉石以及锚链的状态示意图；
图1b是风大浪急时浮标、沉石以及锚链的状态示意图；
图1c是沉石移位时浮标、沉石以及锚链的状态示意图；
图2是本发明提供的浮标沉石移位识别方法一实施方式的流程图；
图3是本发明提供的利用核密度估计算法计算点集中心位置一实施方式的示意图；
图4a是本发明提供的弱风流下的沉石概位云图；
图4b是本发明提供的强风流下的沉石概位云图；
图4c是本发明提供的沉石移位时的沉石概位云图；
附图标记：
10、浮标；20、锚链；30、沉石。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图2所示，本发明的实施例1提供了浮标沉石移位识别方法，包括以下步骤：
S1、按设定采样间隔采集多个连续时间段内浮标的观测位置；
S2、根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置；
S3、以最早的时间段内的沉石预估位置作为基准位置，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息；
S4、统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果判断沉石是否发生移位。
本实施例基于浮标观测位置和概率密度进行沉石概位估计，通过采集一段时间内浮标漂移的观测位置，即经、纬度坐标值，利用核密度估计方法得到该段时间内的点集中心位置，并认为该位置是对沉石位置的一个估计值。同时，利用多个时间段的沉石预估位置，对沉石改为的偏移趋势进行估计，最后实现沉石移位情况的准确估计，从而实现沉石移位的准确判断，保障浮标的导航、助航性能。
优选的，根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置，具体为：
计算一时间段内每一采样点的观测位置处的核密度：
其中，为第i个采样点的观测位置xi处的核密度，n为时间段内采样点数量，t为带宽，t＝n-1/6，k(u)为二维空间的核函数，k(u)＝(2π)-1exp(-uTu/2)，/>|xi-xj|为观测位置xi与观测位置xj之间的距离，xj为第j个采样点的观测位置，j＝1,2,L,n，观测位置包括经度值和纬度值，T为时间段的采样时间；
根据各采样点观测位置处的核密度，为各采样点设置权重：
其中，wi为第i个采样点的权重；
计算所述时间段内各采样点的观测位置的加权平均数，得到沉石预估位置：
其中，为沉石预估位置的经度值，/>为沉石预估位置的纬度值，xja为第j个采样点的观测位置的经度值，xjb为第j个采样点的观测位置的纬度值。
基于浮标的观测位置和概率密度对沉石位置进行估计，通过采集一段时间内浮标GPS漂移位置数据即经、纬度坐标值，利用核密度估计方法得到该时间段内的点集中心位置，并认为该点集中心位置是对沉石位置的一个估计值。取浮标一时间段内的位置信息即经、纬度数据为样本，样本数量记为n，估计样本的概率密度函数。因浮标位置信息包括经度与纬度，含有两个变量，故采用二维向量核密度估计，k(u)即二维空间的核函数，针对浮标位置使用的是二维标准正态密度函数；计算加权平均数作为沉石概位的估计值，即沉石预估位置。具体为：分别对浮标位置的经度和纬度计算加权平均数，得沉石预估位置的经、纬度估计值。
在进行沉石预估位置计算时，采样间隔和时间段的长短可根据需求进行设置和调整。本实施例中采样间隔设置为一小时，设置了三种不同长短的时间段：一天、一周、一月。时间段为一天，采集一天24个小时浮标漂浮的观测位置(X1，Y1)、(X2，Y2)……(X24，Y24)，利用核密度估计原理对24个漂移位置点进行聚类处理，得到沉石概位的天估计C天。时间段为一周，采集一周7×24个小时浮标漂移的观测位置(X1，Y1)、(X2，Y2)……(X168，Y168)，利用核密度估计原理对168个漂移位置点进行聚类处理，得到沉石概位的周估计C周。时间段为一月，利用核密度估计原理对本月的所有天估计C天进行聚类，得到沉石概位的月估计C月。
本实施例中计算的沉石概位的月估计C月如图3所示，图3中箭头所指的点即为沉石预估位置。
优选的，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息，具体为：
所述移位信息包括偏移距离以及偏移方向；
计算后续各时间段内沉石预估位置与基准位置之间距离作为偏移距离；
以基准位置为中心，绕所述中心设置多条方位边界线，相邻两条方位边界线之间设置一个方位，判断后续各时间段内沉石预估位置落入的对应方位，以对应方位作为偏移方向。
按上述方法，分别以天、周、月为周期，对沉石概位进行估计后，进一步对上述沉石概位的多个估计进行月移位估计，移位估计表示为方位和距离的形式。计算移位信息的时间段同样可以根据需求自行设置，例如，一周、一月或一年。一月内的移位估计：以某月第一周(7天)的估计为参考基准位置，分别对该月其余天数的天估计的方向和距离偏差进行计算，方位按八方位点表示，距离用米表示，如偏向某个方向的天数多且较显著，则可初步估计沉石可能有向该方向偏移的趋势。一年内的移位估计，以某年第一月的沉石概位估计为参考基准位置，分别对该年其余月数的月估计的方向和距离偏差进行计算，方位按八方位点表示，距离用米表示，如偏向某个方向的月数多且较显著，则可初步估计沉石可能有向该方向偏移的趋势。上述月移位估计和年移位估计可以迭代进行。
八方位分别为东(E)、南(S)、西(W)、北(N)、东南(SE)、西南(SW)、东北(NE)、西北(NW)。
以一月为例，统计该月后24天的沉石概位天估计C天相对于该月第一周的周估计C周的方位和距离，进行偏移趋势估计。如表1所示：
表1、天估计C天与周估计C周的方位距离对比表
以一年为例，统计该年后11个月的沉石概位月估计C月相对于该年第一个月的月估计C月之间的方位和距离，进行偏移趋势估计。如表2所示：
表2、月估计C月方位距离对比表
优选的，统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果实现沉石移位识别，具体为：
所述移位信息包括偏移距离以及偏移方向；
统计各时间段内偏移方向，根据偏移方向统计结果判断沉石是否发生移位；
统计各时间段内偏移距离，根据偏移距离统计结果判断沉石是否发生移位；
如果偏移距离统计结果与偏移方向统计结果均为沉石发生移位，则判定沉石发生移位，否则判定沉石没有发生移位。
按上述方法，进行月移位估计后，对月移位估计进行方位加权处理求取各方位上的偏移次数，对月移位估计进行距离加权处理求取各方位上的偏移距离；同样的，进行年移位估计后，对年移位估计估计进行方位加权处理求取各方位上的统计偏移次数，对年移位估计进行距离加权处理求取各方位上的统计偏移距离。
优选的，统计各时间段内偏移方向，根据偏移方向统计结果判断沉石是否发生移位，具体为：
计算各方位的统计偏移次数，计算各偏移方向的统计偏移次数的方差，判断统计偏移次数的方差是否小于次数阈值，如果小于，则判定沉石没有发生移位，否则判定沉石发生移位。
统计偏移次数的方差
优选的，计算各方位的统计偏移次数，具体为：
将后续各时间段内的偏移方向按偏移距离进行排序，并将排序后的偏移方向分为多组，根据各组的排序顺序为各组内偏移方向设置权重，分别统计各组内每一偏移方向的偏移次数，针对每一偏移方向在各组内偏移次数进行加权求和，得到各偏移方向的统计偏移次数。
利用加权计数法对某个月后24天的沉石概位天估计C天与第一周的周估计C周之间不同偏移方向进行次数统计，得出不同方位的统计偏移次数。利用沉石概位偏移距离排序取后30％数据的均值的方法，求出某一方位上沉石概位的偏移距离。
以一月为例，将该月后24天的沉石概位天估计与该月第一周的周估计之间的距离由近及远进行排序，把排序后前八个距离数据归为第一组，中间八个归为第二组，后面八个归为第三组。利用加权计数法对该月后24天的天估计C天与第一周的周估计C周之间不同偏移方向的次数进行统计，权重由三组距离数据的大小决定，因第一组中天估计与周估计之间的距离较小，故第一组对应的权重为1，因第二组中天估计与周估计之间的距离较大，故第二组数据对应的权重为2，同理得出第三组数据对应的权重为3。计算方法如下：
其中，yk为某一偏移方向，例如东，N为该偏移方向yk出现的次数，m为该偏移方向yk的统计偏移次数。加权计数后各偏移方向的统计偏移次数如表3所示：
表3、各偏移方向统计偏移次数表
优选的，统计各时间段内偏移距离，根据偏移距离统计结果判断沉石是否发生移位，具体为：
统计各方位上的统计偏移距离，计算各方位上统计偏移距离的方差，判断统计偏移距离的方差是否小于距离阈值，如果小于，则判定沉石没有发生移位，否则判定沉石发生移位。
优选的，统计各方位上的统计偏移距离，具体为：
将每一方位内及其一定范围内的偏移方向设为所述方位的方位组，将所述方位组内各偏移方向按偏移距离进行排序，并计算偏移距离较大的一部分偏移方向的平均偏移距离，作为相应方位的统计偏移距离。
同样以一月为例，计算该月后24天的天估计C天在某一方位同第一周的周估计C周之间的统计偏移距离，具体计算方法如下：
为求N方位上该月后24天的天估计C天同第一周的周估计C周之间的距离，将N方位、NE方位、NW方位上的偏移距离归为一组，按距离由近及远进行排序，取后30％的数据为样本，计算其均值，作为N方位上的偏移距离。同理计算其他各方位的偏移距离，计算的统计偏移距离如表4所示：
表4、各方位统计偏移距离表
对上述所求的各个偏移方向出现的次数及其偏移距离进行方差计算，判断各个方位的统计偏移次数、统计偏移距离同其各自数学期望(即均值)之间的偏离程度，即方差，若所计算方差小于所定义阈值ξ，判定天估计C天围绕周估计C周呈随机分布，进而判定沉石未发生移位；反之则判定周估计C天出现明显的单方向偏差并围绕新的中心点呈随机分布，进而判定沉石可能发生移位现象。具体的，图4a中示出了弱风流下沉石预估位置的位置云图，图4b中示出了强风流下沉石预估位置的位置云图，图4c中示出了沉石移位时沉石预估位置的位置云图。很显然，图4a中由于沉石预估位置分布较为集中，因此方差较小，图4c中由于沉石预估位置分布较为分散，且有两个中心，因此所计算处的方差较大，图4b介于两者之间，设置合适的方差阈值，即可准确的分辨出沉石移位情况。
若按一年为例，则计算该年后11个月的月估计同第一个月的月估计之间各个偏移方向出现的统计偏移次数及其统计偏移距离，具体计算方法同上所述。
根据长期观测和水域环境情况，将移位距离设置三个阈值，按无偏移、可能偏移、明显偏移三个级别进行划分，并在浮标遥测遥控系统平台进行沉石移位报警，便于管理部门及时出航维修，保障水上交通安全。
本实施例采集浮标的观测位置数据，即经、纬度坐标值，分别按天、周、月、年进行聚类，得到沉石概位估计点，再对上述估计点进行偏差计算，迭代进行，再根据各个方位的统计偏移次数、统计偏移距离同其各自数学期望(即均值)之间的偏离程度，判断沉石是否发生移位现象。若此方法计算过程简单，算法和模型易于解释、性能良好、适合对沉石移位状态进行识别和预测。
本发明可以有效监测沉石移位现象，避免因沉石发生移位未能及时察觉并出航维修，造成船舶碰撞浮标甚至搁浅、偏航事故，对保障浮标导助航效能，维护船舶通航安全具有重要意义。
实施例2
本发明的实施例2提供了浮标沉石移位识别装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的浮标沉石移位识别方法。
本发明实施例提供的浮标沉石移位识别装置，用于实现浮标沉石移位识别方法，因此，浮标沉石移位识别方法所具备的技术效果，浮标沉石移位识别装置同样具备，在此不再赘述。
实施例3
本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的浮标沉石移位识别方法。
本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现浮标沉石移位识别方法，因此，浮标沉石移位识别方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种浮标沉石移位识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
按设定采样间隔采集多个连续时间段内浮标的观测位置；
根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置；
以最早的时间段内的沉石预估位置作为基准位置，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息；
统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果判断沉石是否发生移位；
统计后续各时间段内的移位信息，根据统计结果实现沉石移位识别，具体为：
所述移位信息包括偏移距离以及偏移方向；
统计各时间段内偏移方向，根据偏移方向统计结果判断沉石是否发生移位；
统计各时间段内偏移距离，根据偏移距离统计结果判断沉石是否发生移位；
如果偏移距离统计结果与偏移方向统计结果均为沉石发生移位，则判定沉石发生移位，否则判定沉石没有发生移位；
统计各时间段内偏移方向，根据偏移方向统计结果判断沉石是否发生移位，具体为：
计算各方位的统计偏移次数，计算各偏移方向的统计偏移次数的方差，判断统计偏移次数的方差是否小于次数阈值，如果小于，则判定沉石没有发生移位，否则判定沉石发生移位；
统计各时间段内偏移距离，根据偏移距离统计结果判断沉石是否发生移位，具体为：
统计各方位上的统计偏移距离，计算各方位上统计偏移距离的方差，判断统计偏移距离的方差是否小于距离阈值，如果小于，则判定沉石没有发生移位，否则判定沉石发生移位。
2.根据权利要求1所述的浮标沉石移位识别方法，其特征在于，根据浮标的观测位置，利用核密度估计算法计算每一时间段内浮标的点集中心位置，作为各时间段内的沉石预估位置，具体为：
计算一时间段内每一采样点的观测位置处的核密度；
根据各采样点观测位置处的核密度，为各采样点设置权重；
计算所述时间段内各采样点的观测位置的加权平均数，得到沉石预估位置。
3.根据权利要求1所述的浮标沉石移位识别方法，其特征在于，计算后续各时间段内的沉石预估位置与基准位置之间的移位信息，具体为：
所述移位信息包括偏移距离以及偏移方向；
计算后续各时间段内沉石预估位置与基准位置之间距离作为偏移距离；
以基准位置为中心，绕所述中心设置多条方位边界线，相邻两条方位边界线之间设置一个方位，判断后续各时间段内沉石预估位置落入的对应方位，以对应方位作为偏移方向。
4.根据权利要求1所述的浮标沉石移位识别方法，其特征在于，计算各方位的统计偏移次数，具体为：
将后续各时间段内的偏移方向按偏移距离进行排序，并将排序后的偏移方向分为多组，根据各组的排序顺序为各组内偏移方向设置权重，分别统计各组内每一偏移方向的偏移次数，针对每一偏移方向在各组内偏移次数进行加权求和，得到各偏移方向的统计偏移次数。
5.根据权利要求1所述的浮标沉石移位识别方法，其特征在于，统计各方位上的统计偏移距离，具体为：
将每一方位内及其一定范围内的偏移方向设为所述方位的方位组，将所述方位组内各偏移方向按偏移距离进行排序，并计算偏移距离较大的一部分偏移方向的平均偏移距离，作为相应方位的统计偏移距离。
6.一种浮标沉石移位识别装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-5任一所述的浮标沉石移位识别方法。
7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一所述的浮标沉石移位识别方法。
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- 2020-07-08 CN CN202010649935.8A patent/CN111966965B/zh active Active
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