CN112542064B

CN112542064B - 一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法

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Publication number: CN112542064B
Application number: CN201910901327.9A
Authority: CN
Inventors: 廖秉军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2024-03-26
Anticipated expiration: 2039-09-23
Also published as: CN112542064A

Abstract

本发明公开了一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，所述快速移动物体移动速度大于慢速移动物体移动速度，包括以下步骤：获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数；选取快速移动物体上一点作为基点；以设定的基点和运动方向结合确定的快速物体速度参数和慢速物体速度参数，通过计算获得多个相对方位或根据需要设定多个相对方位；根据操纵特性或安全距离要求，在计算获得或设定的各个相对方位上分别截取一点作为领域模型的顶点；选取并以多种线型连接全部或部分顶点，形成由一个或多个区域组成的避碰安全领域模型；实现动态避碰。

Description

一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法

技术领域

本发明涉及船舶避碰技术领域，尤其涉及一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法。

背景技术

中国沿海海岸线长且渔业资源丰富，渔船密集。在海上航行，渔船没有明确的目的地，在海上进行捕鱼作业为目的，往往根据捕鱼作业需要频繁变向变速。渔船驾驶员的普遍存在船舶驾驶培训不足、疲劳驾驶、瞭望条件差、助航设备不足等情况，常以危险方式驾驶船舶。由于商船尺度大、惯性大、转向变速需要很大空间，使得商、渔船避碰成为难点。渔船有船小人多的特点，商渔船碰撞事故常导致群死群伤事故。

标绘是船舶几何避碰原理的基础，对于定量研究和把握避碰问题具有重要作用。但目前的标绘避碰方法，仅在定向定速的前提下适用，一旦物标变向变速，尤其是渔船频繁变向变速时，则不能有效地识别和管控碰撞风险。

20世纪六七十年代，日本的加藤提出了船舶航行安全领域的概念至今，研究者提出了各种形状、尺度的船舶航行安全领域模型。但这些领域模型存在以下问题，不能适用于渔船频繁变向变速的密集渔区航行：(1)都是以物标定向定速为前提；(2)当物标频繁变向变速时，领域尺度过小则不能有效管控风险，领域尺度过大则在密集水域航行时没有足够安全水域导致无安全航向输出。

发明内容

鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，能够根据渔船速度性能较慢的特性，以渔船在任意时刻均可能变向变速为前提，在一定范围内设置不同碰撞风险级别的船舶领域模型，根据渔船的船位与该领域模型的相对位置即可判断渔船任意时刻变向变速时可能碰撞风险大小，则可通过操纵本船，使渔船船位处于船舶领域安全区域的方法提高渔区航行的安全性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，所述快速移动物体移动速度大于慢速移动物体移动速度，所述动态避碰方法包括以下步骤：

获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数；

选取快速移动物体上一点作为基点；

以设定的基点和运动方向结合确定的快速物体速度参数和慢速物体速度参数，通过计算获得多个相对方位或根据需要设定多个相对方位；

根据操纵特性或安全距离要求，在计算获得或设定的各个相对方位上分别截取一点作为领域模型的顶点；

选取并以多种线型连接全部或部分顶点，形成由一个或多个区域组成的避碰安全领域模型。

依照本发明的一个方面，所述获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数包括：对慢速移动物体进行速度赋值，根据慢速移动物体的速度性能特点设置最大速度，当实际速度小于等于设定速度时取值设定速度，大于设定速度时取值实际速度。

依照本发明的一个方面，所述获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数包括：快速移动物体的速度可选择获取实时速度模式或设定速度模式，需满足快速移动物体速度大于慢速移动物体的最大速度。

依照本发明的一个方面，所述选取快速移动物体上一点作为基点包括：在快速移动物体上末端或末端后方取一点作为基点。

依照本发明的一个方面，所述顶点包括：将基点根据不同的相对方位和距离截取一点或多点，截取的方位和距离可灵活设定，形成顶点的数量可灵活设定对应不同的避碰意义，左右两侧可对称取点或不对称取点。

依照本发明的一个方面，所述线型包括：直线、弧线、虚线和实线。

依照本发明的一个方面，所述快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法包括：在模型向运动方向前方增设预警区域，形成新的坐标点。

依照本发明的一个方面，所述快速移动物体为保速保向移动的商船，所述慢速移动物体为频繁变向变速的慢速渔船。

本发明实施的优点：本发明所述的快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，所述快速移动物体移动速度大于慢速移动物体移动速度，包括以下步骤：获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数；选取快速移动物体上一点作为基点；以设定的基点和运动方向结合确定的快速物体速度参数和慢速物体速度参数，通过计算获得多个相对方位或根据需要设定多个相对方位；根据操纵特性或安全距离要求，在计算获得或设定的各个相对方位上分别截取一点作为领域模型的顶点；选取并以多种线型连接全部或部分顶点，形成由一个或多个区域组成的避碰安全领域模型；根据慢速移动物体具有速度性能通常比快速移动物体慢的特性，通过评估并设置慢速移动物体最大速度性能的方法对实际速度小于该设置速度的慢速移动物体进行速度赋值，分析并求取快速移动物体保向保速情况下，慢速移动物体任意时刻以不大于该速度赋值的任意航向航行时，两船不可能发生碰撞所要满足的充要条件是快速移动物体速度比慢速移动物体设置速度快且满足慢速移动物体相对方位大于一定数值。根据操纵特性或安全距离要求，在此相对方位上截取一点。并进一步选取具有避碰意义的其它相对方位或距离获取更多坐标点。将获取的各坐标点连接形成快速慢速移动物体避碰领域模型，使快速移动物体驾驶员能快速识别慢速移动物体任意时刻变向变速的潜在碰撞风险，并通过操纵促使慢速移动物体位置处于安全领域模型外的方法迅速决策避让方案；使用方法简单直观，容易掌握，容易识别风险，容易管控风险，和电子方位线共同使用可以更大范围评估风险，根据商船特性，可以自行设定参数，可迅速将风险控制在“保速保向不可能直接碰撞”。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例所述的求渔船不可能发生碰撞的舷角示意图；

图2为本发明实施例所述的安全舷角对应的唯一可能碰撞点示意图；

图3为本发明实施例所述的设定两个关键坐标点5、6示意图；

图4为本发明实施例所述的设定进一步管控风险坐标点7、8示意图；

图5为本发明实施例所述的设定正横方向坐标点9、10示意图；

图6为本发明实施例所述的设定“警戒区”坐标点1、2示意图；

图7为本发明实施例所述的设定衔接坐标点3、4示意图；

图8为本发明实施例所述的求在渔船正横前不可能发生碰撞的舷角示意图；

图9为本发明实施例所述的设定附加坐标点11、12示意图；

图10为本发明实施例所述的商渔船避碰领域模型示意图；

图11为本发明实施例所述的商渔船避碰领域模型各区域划分示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1至图11所示，本实施例以商船作为快速移动物体，渔船作为慢速移动物体对进行技术方案进行清楚、完整地描述。具体如下：

一、分析商渔船操纵特性，设置商渔船避碰领域模型关键坐标点

1.分析商渔船操纵特性

商船的操纵特性。商船通常有明确目的地，以海速定速航行，加速空间非常小，但一些船出于节油的目的，主机以低负荷运行，加速空间很大。一般天气情况下，以海速航行时航速超过12节。大部分天气条件下，可以做到中等旋回速率15°～20°/min，转向30°约需2min,进距一般约0.2～0.4海里；满舵旋回，转向40°约需1.5min，进距一般约0.2～0.3海里，转向90°约需2.5min，进距一般约0.4～0.5海里。

渔船的操纵特性。在海上航行，渔船没有明确的目的地，一般航速不超过8节，新造的渔船可达到10节左右。加速与停船、旋回性能很好，所需时间很短，可以视为瞬时完成。

2.商船保速保向，渔船变速变向，分析不可能发生碰撞的条件

如果能满足商船保速保向时，即使渔船在其性能范围内任意行动两船均不可能发生直接碰撞，该局面具有较好的管控碰撞风险效果。

当渔船以最大速度航行时，所有航向对应的相对运动方向均不能与本船航向线射线产生交点时，两船不存在碰撞的可能性。根据渔船速度特性，设置渔船最大速度性能，对渔船的速度赋值满足设置速度或实际速度二者取大值。

设渔船为F船，速度赋值为V_f，渔船设置最大速度性能为V_f1，渔船实际速度为V_f2。

当V_f1-V_f2≥0时，V_f＝V_f1；当V_f1-V_f2<0时，V_f＝V_f2。 (1)

设商船为O船，速度为V_o，满足V_o>V_f。

当满足F船以速度V_f向所有方向的相对运动速度V_r与O船的航向线射线均无交点，则O船保速保向时不存在碰撞的可能性。如图1所示，以F点为圆心以V_f为半径作圆，MN相切于圆F时，角θ达到最大，若此时Vr与O船的航向线射线的交点有且只有一个，V_f取值其它任意航向均无交点。

此时，舷角θ＝arc sin(V_f/V₀) (2)

V_r为F船到质点的连线方向。

商船通常尺度庞大，不能作为质点，但如果将船尾或船尾后方一点作为求取舷角的基点，则可视为质点。此时，角θ的避碰意义是：当渔船舷角等于θ时，并且以其速度性能内最大速度，以最危险的方式驾驶，与保向保速的商船可能碰撞的位置有且只有一个，大于该舷角则没有直接碰撞可能；V_f速度在实际速度和设置速度之间取值大者，可实时调整，满足V_o>V_f即可适用，角θ可称为“安全舷角”。

3.求取商渔船避碰领域模型关键坐标点

安全舷角θ只能保证两船不会发生直接碰撞，而不能保证两船会遇距离，两船仍可能在很近的距离通过。当渔船舷角为θ，如图2所示，点P即为两船唯一可能碰撞的位置。

OP的距离为OP＝OF/COS(θ) (3)

P点越远，可供商船发现风险和操纵避碰的时间空间就越充分。

设商船抵达P点的时间为T_θ。

T_θ＝OP/V_o (4)

公式(2)代入(3)，可得

OF＝V_o·T_θ·COS(θ) (5)

令T₁＝T_θ·COS(θ) (6)

OF＝V_o·T₁ (7)

根据勾股定理，

OA＝OF·SIN(θ)＝V_o·T₁·SIN(θ)＝V_f·T₁ (9)

OF表示在商船舷角θ上截取OF距离的一点。根据公式(7),该距离表现为商船T₁时间对应的航程；根据公式(9)，对应了渔船与商船的横向距离为渔船以最大速度V_f航行时，T₁时间的航程(V_f取值8～10kt，T₁取值5min时，OA对应0.67～0.83n mile)；根据公式(6)，T₁对应了商船抵达唯一可能碰撞点P点的时间T_θ，且满足T_θ＝T₁/COS(θ)，可得T_θ≥T₁。

商船总是要将渔船置于其中一舷通过的，在接近到一定距离时，由于操纵特性不宜再将渔船置于另一舷。当不再将渔船置于另一舷通过时，OA可视为观察渔船变化和操纵避让所留有的空间，T_θ可视为采取措施所留有的时间。

当不再把渔船置于另一舷时，应使渔船尽早满足舷角大于θ。T₁取值5分钟时，所对应的OA和T_θ基本符合商渔船操纵需要，本文以T₁＝5分钟为例，将其设置为不再把渔船置于另一舷的参数。

当渔船在右舷时，令点“F”为点“5”，则点“5”即为O点沿着θ方向平移OF距离。当渔船在左舷时，令点“F”为点“6”，则点“6”即为O点沿着θ方向平移OF距离。

4.具体算例

设商船的船尾位置O为(0，0)，航向000°，V_o＝12节，V_f1设定8节，T₁＝5分钟。则当渔船实际速度当V_f1-V_f2≥0时，V_f＝V_f1＝8节。

根据公式(1)，θ＝arc sin(8/12)＝41.8°

根据公式(6)，OF＝V_o·T₁＝1n mile

推导点“5”的坐标(x₅,y₅),为5(0.67，0.75)n mile。

推导点“6”的坐标(x₆,y₆),为6(-0.67，0.75)n mile。

如图3所示，推算点“5”和点“6”坐标，获取商渔船避碰领域模型的两个关键坐标点。

二、设定更多商渔船避碰领域模型辅助避碰坐标点

当渔船的舷角大于角θ时，只能保证在渔船性能范围内不会发生直接碰撞，并不能保证安全距离，同时为使渔船在安全距离通过，在渔船接近到更近的距离时，应设置更大的富余量。为此，可以设定更多的领域模型辅助避碰坐标点，以满足安全避碰需要。

1.设定坐标点7、8

以θ和OF为参数设定坐标点，参数可以根据需要设定。

例如令θ＝60°，OF＝0.5n mile。根据公式(9)，OA＝OF·SIN(θ)＝0.43n mile。表示渔船与商船的横距为0.43n mile。

根据公式(2)，V_f＝Vo·SIN(θ)＝0.87Vo＝10.4kt。根据公式(6)、(7)T_θ＝T₁/COS(θ)>2.58min，在V_f＝10.4kt时，T_θ≈5min,即可供商船观察和操纵的时间大于2.58min，在商船12节时约5分钟。

其避碰意义是：以V_o速度航行的商船，保速保向时，满足渔船以最大速度V_f<0.87V_o时，无论其以怎样的危险方式驾驶均不可能发生直接碰撞。商船速度越大，可应对的渔船最大速度性能就越大。根据目前渔船的速度性能大于10.4kt的情况极其罕见，其设置对于大于12kt速度性能的商船，具备一定的富余量。

以θ和OF为参数设定坐标点的方法，也可以对商渔船避碰决策具有一定实用意义。本文以θ＝60°，OF＝0.5n mile为例，设置更多商渔船避碰领域模型坐标。渔船在右舷时，令点“F”为点“7”，则点“7”即为O点沿着60°方向平移0.5n mile距离。渔船在左舷时，令点“F”为点“8”，则点“8”即为O点沿着-60°方向平移0.5n mile距离。

推导点“7”的坐标(x₇,y₇),则7(0.43，0.25)n mile；推导点“8”的坐标(x₈,y₈),则8(-0.43，0.25)n mile。如图4所示。

2.设定坐标点9、10

将商船视为质点时，如果商船速度大于渔船最大速度，且渔船位于商船正横后时，两船距离开始增大，可视为两船驶过让清。但渔船在海上捕鱼作业，有时有渔具外伸于渔船相连。根据渔船捕鱼作业的特点，一般于渔船的后方拖网作业时，渔具外伸最长在200m左右，正在拖网的渔船一般速度不大于6kt。为使商船不会与渔船及其外伸网具造成直接碰撞以及间接碰撞，需要使渔船在正横时具有富余量。

以θ和OF为参数设定正横方向坐标点，参数可以根据需要设定。

例如令θ＝90°，OF＝0.3n mile。其避碰意义是：使渔船在驶过让清时具有一定的富余量，不会与渔船本身直接碰撞与间接碰撞；当驶过渔船船尾方向时，两船距离约540m，如果外伸网具在500m以内，则可避免与外伸网具接触。

如图5所示。渔船在右舷时，令点“F”为点“9”，则点“9”即为O点沿着右正横方向平移0.3n mile距离，9(0.3，0)。渔船在左舷时，令点“F”为点“10”，点“10”即为O点沿着左正横方向平移0.3n mile距离，10(-0.3，0)。

三、设定商渔船避碰领域模型警戒区坐标点

商渔船避碰领域模型中6～10点是根据速度性能的特性分析舷角和距离的关系使两船不碰撞所要满足的条件，并设定具有一定富余量的参数以充分管控渔船任意时刻在速度性能范围内随意变向变速所产生的碰撞风险。商船只需要满足使渔船不进入此区域即可具备上文所述的碰撞风险管控富余量，可视为“管控区”。但5、6两个坐标点之间的夹角较大，使驾驶员在判断和操控的过程中不容易把握适当时机使渔船位于以上各点所围区域。可在以上六点区域前方设置合适区域的“警戒区”，作为以上六点围成区域的补充，一方面有利于识别风险促使驾驶员及早采取措施管控风险，另一方面可以设置更多的风险管控措施。

1.简介渔船感知碰撞风险的规律

驾驶员的瞭望条件，眼高和相对运动速度，对驾驶员感知碰撞危险的规律产生重要影响因素，相同眼高的船舶，因为具有近似的感知规律，所作的判断和决策相似。渔船的眼高e约3m，视距为约3.5n mile,可见水线时约2.5n mile，该眼高的渔船关注的船舶一般在2.5n mile范围内；渔船的眼高特性判断DCPA的需求在不考虑速度时约为DCPA＝e/tan(0.6)＝0.15n mile，为更广泛地适应更多船舶，可取值0.2n mile。

2.设定坐标点1、2

当渔船开始关注商船时，如果其判断的DCPA太小，对应危险感知强度较大，会对渔船驾驶员的行动产生影响。由于其决策的不可预测性，可能会增加商船的决策难度。可设定区域使2.5n mile距离内0.2n mile横距的区域，并合理运用，其避碰意义是：引导驾驶员及早将渔船置于“管控区”外，并避免渔船慌乱行动。

为简化模型，可使用矩形区域，在商船前方取值2.5n mile，横向取值0.2n mile，参数可以根据需要设定。

如图6所示。渔船在右舷时，令点“F”为点“1”，则点“1”即为O点沿着右正横方向平移0.2n mile距离，再沿着航向方向平移2.5n mile，1(0.2，2.5)。渔船在左舷时，令点“F”为点“2”，可得2(-0.2，2.5)。

2.设定坐标点3、4

“警戒区”是一个长为2.5n mile，宽为0.4n mile的矩形区域，与“管控区”有重叠部分，“管控区”的要求高于“警戒区”，因此重叠部分被“管控区”覆盖。为了更好地引导商船驾驶员将渔船置于“管控区”外，在“警戒区”与“管控区”的衔接部分可预留操纵所需的空间。

只要比坐标点“5”和“6”取值T₁略大，留有转向需要的时间即可，本文T₁取值5min，在“警戒区”沿航向方向截取T₂时间航程,本文T₂取值6min。

当渔船在右舷时，令点“F”为点“3”，则点“3”即为O点沿着右正横方向平移0.2nmile距离，再沿着航向方向平移V_oT₂ n mile，3(0.2，V_oT₂)。当渔船在左舷时，令点“F”为点“4”，则可得4(-0.2，V_oT₂)。

以V_o＝12kt为例，V_oT₂＝1.2n mile，3(0.2，1.2)、4(-0.2，1.2)，如图7所示。

四、设置商渔船避碰领域模型附加坐标点

如图8所示，如果渔船以V_f速度航行，在垂直于商船航向的方向航向时，恰好能发生碰撞，即MN方向的相对运动线恰好过O点，则当渔船以接近对驶的方向航行时，MN’方向的相对运动线必定在O点的后方，不可能发生碰撞。

其避碰意义是：当渔船舷角大于角γ时，若商船保速保向，渔船以不大于V_f的航速航行，则两船发生碰撞的位置必定远于渔船垂直横越商船前方Q点，以接近对驶的局面不可能发生碰撞，可留有的观察和操纵时间相对较长。

此时，γ＝arc tan(V_f/V₀) (10)

γ舷角对应的坐标点作为一个辅助坐标点，平移的距离既可以根据OQ设定，也可以固定设定，本文取值商船4min对应的航程。

当渔船在右舷时，令点“F”为点“11”，则点“11”即为O点沿着γ方向平移V_oT₃n mile距离。当渔船在左舷时，令点“F”为点“12”，则点“11”即为O点沿着-γ方向平移V_oT₃n mile距离。

以V_o＝12kt，V_f＝8kt，T₃＝4min为例，得11(0.55，0.83)、12(-0.44，0.67)，如图9所示。

五、商渔船避碰领域模型及避碰方法

以上各坐标点即为基点坐标按下表所示平移，总结如下：

表1商渔船避碰领域模型顶点坐标

可以适当增加或减少取点数量，可以左右对称取值，也可不对称取值。

六、商渔船避碰领域模型及避碰方法

1.商渔船避碰领域模型

如图10所示，本文以V_o＝12kt，V_f＝V_f1＝8kt为例，将上述坐标点1～10实线连接，将3、11、7虚线连接，将4、12、8虚线连接，即共同构成“商渔船避碰领域模型”。具体参数设置和连线方式并不限于此。

2.基于商渔船避碰领域模型的避碰方法

如图11所示，该模型适用于船速12kt以上的商船在渔船速度性能不大于10kt的渔区航行。坐标点1～4所围区域构成“警戒区”，应尽量减少渔船在此区域的时间；坐标点5～10所围成的区域构成“管控区”，应尽量使渔船不进入该区域；7～12所围成的区域构成“危险区”，应极力避免渔船进入该区域；3～6所围成的区域构成“过渡区”，为避免进入管控区和危险区的引导区域，应避免渔船进入该区域或使渔船快速脱离该区域。

“警戒区”可防止渔船感知强烈碰撞风险而慌乱驾驶，也有利于避免渔船进入“管控区”；使渔船不进入“管控区”，可达到渔船在其速度性能范围内不具有碰撞保速保向商船的能力；使渔船不进入“危险区”，可达到两船不会在接近对驶的局面时发生碰撞，碰撞位置在“危险区”远处的位置，同时商船将渔船调整至“管控区”外所需转向的幅度不大，在商船向另一舷转向避让的操纵中具有富余量。。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，其特征在于，所述快速移动物体移动速度大于慢速移动物体移动速度，所述动态避碰方法包括以下步骤：

获取各快速移动物体与各慢速移动物体的运动参数；对慢速移动物体进行速度赋值，根据慢速移动物体的速度性能特点设置最大速度，当实际速度小于等于设定速度时取值设定速度，大于设定速度时取值实际速度，快速移动物体的速度可选择获取实时速度模式或设定速度模式，需满足快速移动物体速度大于慢速移动物体的最大速度；

选取快速移动物体上一点作为基点，包括，在快速移动物体上末端或末端后方取一点作为基点；

2.根据权利要求1所述的快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，其特征在于，所述顶点包括：将基点根据不同的相对方位和距离截取一点或多点，截取的方位和距离可灵活设定，形成顶点的数量可灵活设定对应不同的避碰意义，左右两侧可对称取点或不对称取点。

3.根据权利要求1所述的快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，其特征在于，所述线型包括：直线、弧线、虚线和实线。

4.根据权利要求1至3之一所述的快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，其特征在于，所述快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法包括：在模型向运动方向前方增设预警区域，形成新的坐标点。

5.根据权利要求4所述的快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法，其特征在于，所述快速移动物体为保速保向移动的商船，所述慢速移动物体为频繁变向变速的慢速渔船。