CN112820150B - 一种基于ais的船舶避碰决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AIS的船舶避碰决策方法，包括：运用真运动作图法建立二维笛卡尔坐标系，根据解析几何原理以及AIS信息计算本船和他船的速度分量以及两船会遇时的最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA；根据最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA判断碰撞危险；基于最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA通过对坐标进行相应变换以转化为新的位置向量，判断本船和他船的会遇局面；根据最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA计算转向点和船舶避碰的转向角度；在采取避碰行动之后重新根据AIS信息确定避碰行动的有效性；根据整个避碰过程中他船相对本船的各个位置坐标确定航向复原点、航线复原点及复航时的转向角度。

Description

一种基于AIS的船舶避碰决策方法

技术领域

本发明涉及船舶避碰技术领域，尤其涉及一种基于AIS的船舶避碰决策方法。

背景技术

目前在大多数船舶智能避碰研究中，其所需避碰信息的来源主要有雷达、船舶自识别系统(AIS)及电子海图(ECDIS)等，其中，动态信息主要靠前两者获取,而ECDIS则主要提供通航水域的静态信息(如水深、礁石等)，雷达早在上世纪中后期就逐渐普遍应用于航海，基于雷达信号的自动雷达标绘(ARPA)能够方便地求出来船的DCPA(两船间的最近会遇距离)和TCPA(到达最近会遇点所需时间)，进而判断两船是否存在碰撞危险，因而现有的避碰决策多基于雷达信号；然而，雷达对小物标的探测能力较差，雨雪及大风浪天气时存在杂波干扰，且物标较多时还存在回波重叠、目标丢失或假跟踪等问题。因此，对于船舶智能避碰而言，有必要寻求基本多源信息、多种手段的避碰决策，从而为实现智能避碰决策奠定基础；而且这也正是《国际海上避碰规则》的要求(《规则》第五、七条分别要求采取一切可用手段获取避碰信息、判断是否存在碰撞危险)。

综上，利用AIS信息确定船舶避碰决策十分必要。其不仅对船舶智能避碰领域本身而言是一项创新，而且在海上安全保障及航海实践中具有较强的实用价值；还可为后续改进其他算法等工作奠定基础。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于AIS的船舶避碰决策方法，具体包括如下步骤：

运用真运动作图法建立二维笛卡尔坐标系，根据解析几何原理以及AIS信息计算本船和他船的速度分量以及两船会遇时的最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA；

根据最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA判断碰撞危险；

基于最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA通过对坐标进行相应变换以转化为新的位置向量，并判断本船和他船的会遇局面；

根据最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA计算转向点和船舶避碰的转向角度；

在采取避碰行动之后重新根据AIS信息以确定避碰行动的有效性；

根据整个避碰过程中他船相对本船的各个位置坐标确定航向复原点和航线复原点。

进一步的，建立二维笛卡尔坐标系xoy，将本船和他船的速度向量分解为x轴和y轴上的分量，根据本船的位置(x_O1,y_O1)、航速v_O以及AIS信号中获取的他船位置(x_T1,y_T1)和航速v_T计算最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA；

其中：v_Ox1,v_Tx1分别为本船和他船在x轴的速度分量，v_Oy1,v_Ty1分别为本船和他船在y轴的速度分量。

进一步的，在判断碰撞危险时,如果两船的最近会遇距离DCPA小于安全会遇距离，则计算最小会遇时间TCPA的值，如果最小会遇时间TCPA较大，则需持续观测两船的动态，经过一段时间后如果最近会遇距离DCPA仍小于安全会遇距离且最小会遇时间TCPA也小于安全值，则已构成碰撞危险。

进一步的，判断会遇局面时：将AIS获得的他船位置和航向信息对已知的本船及他船位置坐标做出相应变换，将其转化为新的位置向量，从而计算两船航向夹角Δ，根据两船航向夹角Δ的余弦值所在范围，确定两船所属的会遇局面。

进一步的，获取船舶避碰的转向角度时：

确定本船从起始点到转向点所用时间t₁，利用所述时间t₁和本船速度v_o确定转向点位置O₃，此时他船到达T₃位置，两船相距为D，根据安全会遇距离R，避让时两船距离D以及转向后相对速度方向与他船速度方向夹角θ确定本船从位置O₃到位置O₄所用时间t₂，以本船的转向点位置为O₃圆心，v_ot₂为半径作圆，以他船的位置T₄为圆心，R为半径作圆，根据几何关系确定本船转向角ΔC。

进一步的，在采取避碰行动之后，重新根据他船的AIS信息再次求算新的最近会遇距离DCPA，只要新的最近会遇距离DCPA等于或接近等于安全会遇距离则证明避碰行动有效。

进一步的，确定航向复原点和航线复原点时：以转向避让方向的反方向转过ΔC+10°的角度作为恢复航线的转向角来计算复航点，设定航向复原点O5和航线复原点O6，计算避碰过程各阶段他船相对本船的位置坐标，确定航向复原点O5，根据本船在转向点后的速度分量，计算航线复原点O6。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于AIS的船舶避碰决策方法，该方法不仅可以在正常情况下判断两船之间的会遇局面，获得拟采取的避让行动以及航线复原的时机，解决了在全面遵守《规则》前提下的避碰全过程的决策问题；还可以在恶劣天气条件下，如雨雪及大风浪天气时做出有效的完整避碰决策。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本发明方法的决策流程图；

图2为坐标转换关系示意图；

图3(a)(b)(c)为三种会遇局面避碰行动示意图；

图4为航向复原与航线复原关系示意图；

图5为本船避让及回到原航线示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种基于AIS的船舶避碰决策方法，具体包括如下步骤：

S1：运用真运动作图法，建立二维笛卡尔坐标系，根据解析几何原理以及AIS信息，计算本船和他船的速度分量大小，并计算出最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA的大小；

S2：基于S1得出的计算结果，判断碰撞危险；

S3：基于S1和S2得出的计算结果，通过对本船和他船坐标进行相应变换以转化为新的位置向量，判断会遇局面；

S4：基于S1、S2和S3得出的结算结果，计算转向点和转向角度；

S5：在采取基于S4的避碰行动之后，重新利用AIS信息执行S2，确定出避碰行动的有效性；

S6：根据基于S4的避碰行动过程中他船相对本船的各个位置坐标，确定航线复原点。

进一步的，S1中具体采用如下方式：

S11：建立二维笛卡尔坐标系xoy，选取地球表面任意一点为坐标原点，真北方向为y轴的正向，正东方向为x轴的正向；

S12：本船和他船的速度向量分解为x轴和y轴上的分量v_Ox1,v_Oy1,v_Tx1,v_Ty1,知本船初始位置为p_O1＝(x_O1,y_O1),速度为v_O,航向为Φ₁；由AIS信息可知，他船初始位置为p_T1＝(x_T1,y_T1)，速度为v_T,他船航向为Φ₂。则本船和他船的速度大小可分别表示为：

S13：取转向避让时两船的距离为D，两船间的安全会遇距离为R；

S14：根据S11，S12和S13得出的结果计算出最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA

S2中具体采用如下方式：

S21：基于S1得出的最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA，如果最近会遇距离DCPA小于安全值R，最小会遇时间TCPA也小于设定的安全值，则判断构成碰撞危险。

S3中具体采用如下方式：

S31：基于S1得出的船舶相关数据，得出船相对本船的初始位置坐标可表示为p_r1＝(x_r1,y_r1)＝(x_T1-x_O1,y_T1-y_O1)，利用图3所示的坐标转换关系，将p_r1＝(x_r1,y_r1)转换为

S32：根据S1所得本船的初始速度向量为v_O＝(v_Ox1,v_Oy1)，他船的初始速度向量v_T＝(v_Tx1,v_Ty1)，计算出两船航向夹角Δ的余弦为：

S33：基于S32所得结果，判断属于哪种会遇局面。

若cos67.5°<cosΔ≤1且满足y′_r1<0,

则两船处于追越局面；

若-1≤cosΔ<cos174°且满足y′_r1>0,

或y′_r1＝0，则两船处于对遇局面；

若有cos174°<cosΔ<cos67.5°，且满足y′_r1>0,

(或y′_r1<0,

)，则两船处于交叉相遇局面。

S4中具体采用如下方式：

S41：基于S1和S3所得结果，设本船从起始点到转向点(两船相距D)时

所用时间为t₁，t₁的计算方式如下：

S42：确定转向点为O₃＝(x_O3,y_O3)＝(x_O1+t₁v_Ox1,y_O1+t₁v_Oy1)；

S43:基于S41和S42所得结果，以及图3，当本船到达O3位置，他船达到T3位置时，两船相距为D，本船作为让路船或负有同等避让责任的船舶需要进行转向避让，转向后本船到达O4位置，他船到达T4位置，此时，两船相距为R。确定本船从O3位置到达O4位置所需时间为t₂，则

其中θ是转向后相对速度方向与他船速度方向的夹角，其表达式为

S44：基于S41，S42和S43所得结果，以本船的位置O3为圆心，v_Ot₂为半径作圆Q；以他船的位置T4为圆心，R为半径作圆G；设圆Q与圆G相交于A,B两点故本船转向点(O3)与B点的连线即为本船的新航向线，确定转向角(ΔC)为：

其中，x_O4,y_O4为B点的横、纵坐标。

S5中具体采用如下方式：

S51：基于S4所得结果采取避碰行动后，重新根据S1和S2步骤判断是否存在碰撞危险，即只要新的DCPA等于或接近等于安全会遇距离即说明避碰行动有效。

根据整个避碰过程中他船相对本船的各个位置坐标，确定航向复原点。

S6中具体采用如下方式：

S61基于S4确定避碰角度，如图4所示，设定航向复原点O5和航线复原点O6；

S62基于S4确定的避碰过程，计算各阶段他船相对本船的位置坐标，根据图5几何关系，确定航向复原点O5；

S63设定船舶以小角度转向(不超过10°为宜)逐渐回到原航线上，以转向避让方向的反方向转过ΔC+10°的角度作为恢复航线的转向角，计算复航点。基于S62所得结果以及本船转向后的速度分量，计算出转向复原点O6。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于AIS的船舶避碰决策方法，包括如下步骤：

S1：运用真运动作图法，建立二维笛卡尔坐标系，根据解析几何原理以及AIS信息，计算本船和他船的速度分量大小，并计算出最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA的大小；

S2：基于S1得出的计算结果，判断碰撞危险；

S3：基于S1和S2得出的计算结果，通过对本船和他船坐标进行相应变换以转化为新的位置向量，判断会遇局面；

S4：基于S1、S2和S3得出的结算结果，计算转向点和转向角度；

S5：在采取基于S4的避碰行动之后，重新利用AIS信息执行S2，确定出避碰行动的有效性；

S6：根据基于S4的避碰行动过程中他船相对本船的各个位置坐标，确定航线复原点；

S1中具体采用如下方式：

S11：建立二维笛卡尔坐标系xoy，选取地球表面任意一点为坐标原点，真北方向为y轴的正向，正东方向为x轴的正向；

S12：本船和他船的速度向量分解为x轴和y轴上的分量v_Ox1，v_Oy1，v_Tx1，v_Ty1，知本船初始位置为p_O1＝(x_O1,y_O1)，速度为v_O，航向为Φ₁；由AIS信息可知，他船初始位置为p_T1＝(x_T1,y_T1)，速度为v_T，他船航向为Φ₂，则本船和他船的速度大小可分别表示为：

S13：取转向避让时两船的距离为D，两船间的安全会遇距离为R；

S14：根据S11，S12和S13得出的结果计算出最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA

S2中具体采用如下方式：

S21：基于S1得出的最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA，如果最近会遇距离DCPA小于安全值R，最小会遇时间TCPA也小于设定的安全值，则判断构成碰撞危险；

S3中具体采用如下方式：

S31：基于S1得出的船舶相关数据，得出船相对本船的初始位置坐标可表示为p_r1＝(x_r1,y_r1)＝(x_T1-x_O1,y_T1-y_O1)，将p_r1＝(x_r1,y_r1)转换为

S32：根据S1所得本船的初始速度向量为v_O＝(v_Ox1,v_Oy1)，他船的初始速度向量v_T＝(v_Tx1,v_Ty1)，计算出两船航向夹角Δ的余弦为：

S33：基于S32所得结果，判断属于哪种会遇局面；

若cos67.5°<cosΔ≤1且满足y'_r1<0，

则两船处于追越局面；

若-1≤cosΔ<cos174°且满足y'_r1>0，

或y'_r1＝0，则两船处于对遇局面；

若有cos174°<cosΔ<cos67.5°，且满足y'_r1>0，

，

或y'_r1<0，

；

则两船处于交叉相遇局面；

S4中具体采用如下方式：

S41：基于S1和S3所得结果，设本船从起始点到转向点， 两船相距D时

所用时间为t₁，t₁的计算方式如下：

S42：确定转向点为O₃＝(x_O3,y_O3)＝(x_O1+t₁v_Ox1,y_O1+t₁v_Oy1)；

S43： 基于S41和S42所得结果，当本船到达O3位置，他船达到T3位置时，两船相距为D，本船作为让路船或负有同等避让责任的船舶需要进行转向避让，转向后本船到达O4位置，他船到达T4位置，此时，两船相距为R；确定本船从O3位置到达O4位置所需时间为t₂，则

其中θ是转向后相对速度方向与他船速度方向的夹角，其表达式为

S44：基于S41，S42和S43所得结果，以本船的位置O3为圆心，v_Ot₂为半径作圆Q；以他船的位置T4为圆心，R为半径作圆G；设圆Q与圆G相交于A， B两点故本船转向点O3与B点的连线即为本船的新航向线，确定转向角ΔC为：

其中，x_O4，y_O4为B点的横、纵坐标；

S5中具体采用如下方式：

S51：基于S4所得结果采取避碰行动后，重新根据S1和S2步骤判断是否存在碰撞危险，即只要新的DCPA等于或接近等于安全会遇距离即说明避碰行动有效；

根据整个避碰过程中他船相对本船的各个位置坐标，确定航向复原点；

S6中具体采用如下方式：

S61：基于S4确定避碰角度，设定航向复原点O5和航线复原点O6；

S62：基于S4确定的避碰过程，计算各阶段他船相对本船的位置坐标，确定航向复原点O5；

S63：设定船舶以小角度转向,转向不超过10°为宜，逐渐回到原航线上，以转向避让方向的反方向转过ΔC+10°的角度作为恢复航线的转向角，计算复航点；基于S62所得结果以及本船转向后的速度分量，计算出转向复原点O6。

Images