CN112396869A - 一种极地编队船舶协同航行及预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极地编队船舶协同航行及预警方法，该方法包括以下步骤：1)采集极地编队船舶数据；2)根据采集的极地编队船舶数据计算海冰数值、特定海冰环境下的最大安全航速、船头间距和船舶最优航速函数；3)建立基于多船信息的船舶跟驰模型，指导极地冰区船舶编队安全航行；4)建立船舶编队航行碰撞预警模型，根据TTC指标量化船舶编队航行风险指标。本发明方法根据船舶编队航行过程中的多船信息以及环境信息，建立船舶跟驰模型，与传统跟驰模型相比，兼顾前船和后船的影响，并提出一种船舶碰撞预警方法，对船舶碰撞风险水平进行量化，有效在极地冰区恶劣环境下保障船舶编队航行安全。

Description

一种极地编队船舶协同航行及预警方法
技术领域
本发明涉及极地水域船舶交通安全技术，尤其涉及一种极地编队船舶协同航行及预警方法。
背景技术
自21世纪以来，全球平均气温升高，海冰范围减少，各国掀起探索极地的热潮。极地水域有别于海上、内河等常规水域，能见度、低温、磁暴、海冰等均会对船舶的航行安全造成威胁。船舶编队航行作业模式作为极地冰区商船通航的主要作业模式，编队中的船舶在高危的航行环境下，频繁主动或被动的改变航速，避免船舶碰撞事故的发生。目前极地编队船舶航行主要依赖于船员的经验判断，实际航行中为保证航行安全，往往保持较大安全距离，但这样会造成船舶冰间水道被浮冰阻塞，影响编队船舶航行。如何实现船舶编队协同航行并根据风险水平实时碰撞预警，是编队航行安全的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种极地编队船舶协同航行及预警方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种极地编队船舶协同航行及预警方法，包括以下步骤：
1)采集极地编队船舶数据；
采集船舶的动态信息：速度信息、位置信息；采集船舶的静态信息：船舶尺寸、船舶冰级，以及航行海冰环境数据信息，包括航行冰区水域内海冰的类别，以及各类别海冰的密集度；
2)根据采集的极地编队船舶数据计算海冰数值、特定海冰环境下的最大安全航速、船头间距和船舶最优航速函数；
3)建立基于多船信息的船舶跟驰模型，指导极地冰区船舶编队安全航行；
考虑本船前方紧邻的前船和本船后方紧邻的跟随船的运动状态，确定本船航行时的加速度为：
Figure BDA0002761345640000021
其中，α为敏感系数，p为前船对本船的影响程度，0.5＜p≤1,1-p表示本船后方紧邻的跟随船对本船的影响，vn(t)为船舶n在t时刻的速度，k为本船与前船速度差的反应系数；
4)建立船舶编队航行碰撞预警模型，根据TTC(Time To Collision)指标量化船舶编队航行风险指标。
按上述方案，所述步骤2)中特定海冰环境下的最大安全航速计算方法如下：
根据海冰环境数据计算海冰数值：
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…+(CnIMn)
其中，Ca表示a类冰的海冰密度(十分位)；IMa是表示针对某一种船舶的在a类冰中的海冰乘数；Cn是表示n类冰的海冰密度(十分位)；IMn是表示针对某一种船舶的在n类冰中的海冰乘数；
根据海冰数值求取船舶在特定海冰环境下的最大安全航速，计算公式为：
vmax＝0.0027(IN)2+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385。
按上述方案，所述步骤2)中最优航速函数计算公式如下：
V(Δxn(t))＝(vmax/2)[tanh(Δxn-ds)+tanh(ds)]
其中，Δxn(t)＝xn-1(t)-xn(t)为船舶的船头间距，即本船船首与前船船首之间的距离，ds为船舶跟驰航行需要保持的最小安全距离，在此取冰情最严重下的最短安全距离，一链，即十分之一海里，vmax为海冰环境下的当前最大安全航速。
按上述方案，所述步骤4)中TTC的计算公式如下：
Figure BDA0002761345640000031
式中：xi-1(t)为t时刻船舶i-1的位置坐标，xi(t)为t时刻船舶i的位置坐标，vi-1(t)为t时刻船舶i-1的瞬时航速，vi(t)为t时刻船舶i的瞬时航速，Li-1为船舶i-1的船舶长度；其中，破冰船的航速v1(t)为0。
按上述方案，所述步骤4)中船舶编队航行风险指标基于TTC的船舶碰撞风险水平划分如下：
Figure BDA0002761345640000041
当船舶状态处于低风险时，需要注意本船舶的航行状态，当处于中风险时，需要谨慎驾驶，密切注意前后船的航行状态，当处于高风险时，应做好避碰准备，选择恰当的航行决策进行避碰。
本发明产生的有益效果是：本发明方法根据船舶编队航行过程中的多船信息以及环境信息，建立船舶跟驰模型，与传统跟驰模型相比，兼顾前船和后船的影响，并提出一种船舶碰撞预警方法，对船舶碰撞风险水平进行量化，有效在极地冰区恶劣环境下保障船舶编队航行安全。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于TTC的船舶碰撞事故示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种极地编队船舶协同航行及预警方法，包括以下步骤：
1)采集破冰船护航作业下的船舶编队航行数据，包含船舶航行的动态信息和静态信息；
通过安装在每艘船的船首和船尾的测速测距装置，采集编队航行动态数据信息，包括船舶的航速信息、本船与前后船之间的位置信息其中航行船舶航行的动态信息；
获取船舶的静态信息，包括船舶尺寸、船舶冰级，获取海冰环境数据信息，包括航行冰区水域内海冰的类别，以及各类别海冰的密集度；
2)根据采集的数据计算海冰数值，计算公式为：
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…+(CnIMn)
其中Cn是表示n类冰的海冰密度(十分位)，IMn是表示针对某一种船舶的在n类冰中的海冰乘数。
3)根据步骤2)求得的海冰数值，计算船舶在特定海冰环境下的最大安全航速，不同船舶的冰级不同，其最大安全航速也不同，具体计算公式为：
vmax＝0.0027(IN)2+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385
4)计算船舶的最优航速函数V(Δxn(t))，计算方法如下：
V(Δxn(t))＝(vmax/2)[tanh(Δxn-ds)+tanh(ds)]
其中Δxn(t)＝xn-1(t)-xn(t)为船舶的船头间距，ds为船舶跟驰航行需要保持的最小安全距离，在此取冰情最严重下的最短安全距离，一链，即十分之一海里。
5)建立基于前后船多船信息的跟驰模型，考虑领航船(前船)和后方跟随船的运动状态，模型的具体形式为本船航行时的加速度，
Figure BDA0002761345640000061
α为敏感系数，p为前船对本船的影响程度，由于在实际航行过程中，主要观测前船的航行状态，评估自身的碰撞风险水平，因此取0.5＜p≤1,则1-p表示后方紧邻的跟随船对本船的影响，vn(t)为船舶n在t时刻的速度，k为本船与前船速度差的反应系数。
6)在前后船多船信息的跟驰模型基础上，提出基于TTC的船舶碰撞预警方法，碰撞冲突示意图如图2所示。
TTC的公式表达为：
Figure BDA0002761345640000062
特别地，对于编队内的第一艘船(破冰船)和第二艘船(第一艘跟随船)而言，船舶碰撞的概率较大，主要原因为破冰船可能遭遇坚硬冰脊，航速瞬间为零，发生冰困，此时船舶1(破冰船)的航速v1(t)为0。
7)基于TTC将船舶编队航行碰撞风险等级Rl分为三种：
Figure BDA0002761345640000071
当船舶状态处于低风险时，船员需要注意船舶的航行状态，当处于中风险时，船员需要谨慎驾驶，密切注意前后船的航行状态，当处于高风险时，船员应做好避碰准备，选择恰当的航行决策进行避碰。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种极地编队船舶协同航行及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采集极地编队船舶数据；
采集船舶的动态信息：速度信息、位置信息；采集船舶的静态信息：船舶尺寸、船舶冰级，以及航行海冰环境数据信息，包括航行冰区水域内海冰的类别，以及各类别海冰的密集度；
2)根据采集的极地编队船舶数据计算海冰数值、特定海冰环境下的最大安全航速、船头间距和船舶最优航速函数；
3)建立基于多船信息的船舶跟驰模型，指导极地冰区船舶编队安全航行；
考虑本船前方紧邻的前船和本船后方紧邻跟随船的运动状态，确定本船航行时的加速度为：
Figure FDA0002761345630000011
其中，α为敏感系数，p为前船对本船的影响程度，0.5＜p≤1,1-p表示本船后方紧邻的跟随船对本船的影响，vn(t)为船舶n在t时刻的速度，k为本船与前船速度差的反应系数；
4)建立船舶编队航行碰撞预警模型，根据TTC指标量化船舶编队航行风险指标。
2.根据权利要求1所述的极地编队船舶协同航行及预警方法，其特征在于，所述步骤2)中特定海冰环境下的最大安全航速计算方法如下：
根据海冰环境数据计算海冰数值：
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…+(CnIMn)
其中，Ca表示a类冰的海冰密度(十分位)；IMa是表示针对某一种船舶的在a类冰中的海冰乘数；Cn是表示n类冰的海冰密度(十分位)；IMn是表示针对某一种船舶的在n类冰中的海冰乘数；
根据海冰数值求取船舶在特定海冰环境下的最大安全航速，计算公式为：
vmax＝0.0027(IN)2+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385。
3.根据权利要求1所述的极地编队船舶协同航行及预警方法，其特征在于，所述步骤2)中最优航速函数计算公式如下：
V(Δxn(t))＝(vmax/2)[tanh(Δxn-ds)+tanh(ds)]
其中，Δxn(t)＝xn-1(t)-xn(t)为船舶的船头间距，即本船船首与前船船首之间的距离，ds为船舶跟驰航行需要保持的最小安全距离，vmax为海冰环境下的当前最大安全航速。
4.根据权利要求1所述的极地编队船舶协同航行及预警方法，其特征在于，所述步骤4)中TTC的计算公式如下：
Figure FDA0002761345630000031
式中：xi-1(t)为t时刻船舶i-1的位置坐标，xi(t)为t时刻船舶i的位置坐标，vi-1(t)为t时刻船舶i-1的瞬时航速，vi(t)为t时刻船舶i的瞬时航速，Li-1为船舶i-1的船舶长度；其中，破冰船的航速v1(t)为0。
5.根据权利要求1所述的极地编队船舶协同航行及预警方法，其特征在于，所述步骤4)中船舶编队航行风险指标基于TTC的船舶碰撞风险水平划分如下：
Figure FDA0002761345630000032
当船舶状态处于低风险时，需要注意本船舶的航行状态，当处于中风险时，需要谨慎驾驶，密切注意前后船的航行状态，当处于高风险时，应做好避碰准备，选择航行决策进行避碰。
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