CN113012475A - 一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，包括：获取本船与目标船舶的航行数据；根据航行数据判断本船与目标船舶的会遇局面和会遇几何态势；根据会遇局面和会遇几何态势选取适用的船舶海上避碰规则；根据船舶海上避碰规则选取自主避碰方式；通过算法对船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数；通过惩罚分数对自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分；选取合规性评分值最高的自主避碰方式进行海上避碰。本发明能够进一步提升自主避碰算法的合规性，从而使得船舶海上避碰行动在确保安全的前提下不违反海上避碰规定。

Description

一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法

技术领域

本发明涉及船舶航行避碰技术领域，尤其涉及一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法。

背景技术

随着人工智能和计算机技术的迅速发展，水面自主船舶相关技术逐渐成为水路运输业的研究热点。智能自主航行船舶凭借其更安全、更高效、更经济等显著优点成为现代船舶发展的重要趋势，并将成为未来海上运输的重要方式。

智能自主航行船舶的迅猛发展推进了以各类智能方法为理论依据的船舶航行自主避碰算法的产生，尤其在无人船及智能船舶的自动避碰及路径规划方面，但现有技术仅将两船是否碰撞作为船舶自主避碰算法测试的主要依据，而未考虑自主避碰算法给出的决策是否满足《国际海上避碰规则》的相关规定，或者仅对避碰行为是否遵守规则进行定性而非定量的分析，即缺乏对自主避碰算法合规性的定量分析。

发明内容

本发明提供一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，以克服缺乏对自主避碰算法合规性的定量分析的技术问题。

本发明一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，包括：

获取本船与目标船舶的航行数据；

根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶的会遇局面和会遇几何态势；

根据所述会遇局面和会遇几何态势选取适用的船舶海上避碰规则；根据所述船舶海上避碰规则选取自主避碰方式；

通过算法对所述船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数；

通过所述惩罚分数对所述自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分；

选取所述合规性评分值最高的所述自主避碰方式进行海上避碰。

进一步地，所述根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶的会遇局面和会遇几何态势，包括：根据所述航行数据计算本船与所述目标船舶的最小会遇距离和最短会遇时间，并结合当前海上环境判断所述会遇局面；所述会遇局面，包括：碰撞危险局面、紧迫局面、紧迫危险局面；所述会遇几何态势为本船与所述目标船舶会遇时的几何关系；所述会遇几何态势，包括：对遇态势、交叉相遇态势及追越态势。

进一步地，所述通过算法对所述船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数，包括：对所述船舶海上避碰规则进行量化处理的算法，包括：对船舶航向与航速变化值的大小检测和判断的算法，包括：对延迟的行动量化算法、对不明显的航向变化量化算法、对不明显的航速变化量化算法、对直航船未保向保速的行为量化算法；对船舶方位角度与角度阈值的检测和比较的算法，包括：对横越船头的行为量化算法；对航向变化值的方向检测和判断的算法，包括：对未向右转向的行为量化算法、对交叉相遇局面下对在本船左舷的船舶向左转向的行为量化算法；根据两船之间的距离与直航船采取行动时的距离进行比较和判断的算法，包括：对直航船未独自采取操纵行动以避免碰撞量化算法。

进一步地，所述对船舶航向与航速变化值的大小检测和判断的算法，包括：

所述对延迟的行动量化算法，包括：通过所述航行数据获取本船发现所述目标船舶时两船相距的距离、本船采取行动时两船相距的距离及最小会遇距离；计算本船发现所述目标船舶时两船相距的距离与采取行动时两船相距的距离之差r₁；计算本船发现所述目标船舶时两船相距的距离与最小会遇距离之差r₂；将对延迟行动的所述惩罚分数定义为r₁与r₂之比，表示为：

所述对不明显的航向变化量化算法，包括：通过所述航行数据按单位时间获取本船航向变化的最大值ΔC；设置航向变化的阈值ΔC_app；当ΔC小于ΔC_app时，评价为违反规则的不明显航向变化，并得到惩罚分数，最大惩罚分数值为1；

所述对不明显的航速变化量化算法，包括：通过所述航行数据按单位时间获取本船航速变化的最大值δ_V；设置航速变化的阈值δ_vapp；当δ_V小于δ_vapp时，评价为违反规则的不明显航速变化，并得到惩罚分数，最大惩罚分数为1。

进一步地，所述对横越船头的行为量化算法，包括：通过所述航行数据获取本船与所述目标船舶为最小会遇距离时，本船相对所述目标船舶的方位角度；设定本船相对所述目标船舶的方位角度的阈值范围；将所述方位角度与所述阈值范围作比较，若所述方位角度在所述阈值范围内，则评价为横越船头的违规行为，并得到惩罚分数。

进一步地，所述对航向变化值的方向检测和判断的算法，包括：所述对未向右转向的行为量化算法，包括：通过所述航行数据，按单位时间获取本船在避碰过程中航向变化值，正值为向右转向，负值为向左转向，并设定向右转向的角度阈值；所述向右转向和向左转向以航向为基准；将所述航向变化值与所述角度阈值进行比较，若所述航向变化值小于所述角度阈值，则评价为未向右转向的违规行为，并得到惩罚分数；

所述对交叉相遇局面下对在本船左舷的船舶向左转向的行为量化算法，包括：根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶为交叉相遇态势、紧迫危险局面，当检测到所述目标船舶有向左转向的行为时，评价此行为为违规行为，并得到惩罚分数。

进一步地，所述对直航船未独自采取操纵行动以避免碰撞量化算法，包括：通过所述航行数据获取本船采取操纵行动时与所述目标船舶的距离r_m；设定若直航的所述目标船舶未采取操纵行动时，与本船相距的距离的阈值范围，并设定所述阈值范围的最大值r_max和最小值r_min；当r_m大于r_max，表示本船在发觉所述目标船舶未采取操纵行动前采取了行动，惩罚分数为0；当r_m在r_max与r_min之间，表示本船存在违规行为，并得到惩罚分数；当r_m小于r_min，表示本船存在严重违规行为，惩罚分数为最大值。

进一步地，所述通过所述惩罚分数对所述自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分，包括：通过式(2)计算所述合规性评分；

式中，S_n为合规性评分，初始值为1；P_n为惩罚分数；

为惩罚分数对应的权重。

进一步地，当根据所述会遇局面和会遇几何态势选取到多条适用的船舶海上避碰规则时，由下式

获取最小值的惩罚分数来计算所述合规性评分。

本发明从船舶行为和会遇态势角度出发通过量化规则条款的方式得到自主避碰算法符合规则程度的测试结果，将定性的结论以定量的方式直观呈现，进一步提升自主避碰算法的合规性，从而使得船舶海上避碰行动在确保安全的前提下不违反海上避碰规定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的流程逻辑图；

图3是本发明判断会遇态势区域图；

图4是本发明所依据的《国际海上避碰规则》中适用的船舶海上避碰规则的逻辑图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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、图2所示，本实施例提供了一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，包括：

101、获取本船与目标船舶的航行数据；

具体而言，获取当前测试场景下船舶的航行信息，包括本船与目标船舶的位置、速度、航向信息，并对本船和目标船舶航行信息数据进行处理，计算并存储测试需要的数据包括：未采取避让行动前本船与目标船的TCPA(最短会遇时间)、DCPA(最小会遇距离)、方位关系、采取避让行动后本船与目标船的TCPA、DCPA、方位关系、单位时间内本船的航向航速变化值、本船机动时与目标船的距离等信息。

102、根据航行数据判断本船与目标船舶的会遇局面和会遇几何态势；

具体而言，在整个过程中通过不断获取两船的航行信息计算出与目标船的DCPA、TCPA相关信息从而对会遇局面和会遇几何态势进行判断；

根据DCPA和TCPA以及当时的海上环境和情况来确定会遇局面，会遇局面包括：碰撞危险局面、紧迫局面、紧迫危险局面。

根据如图3所示的船舶会遇态势的区域图确定船舶间的几何关系。

其中，a,b区域表示对遇(左舷、右舷)；c,d区域表示交叉相遇(左舷、右舷)；e,f区域表示被追越(左舷、右舷)。

103、根据会遇局面和会遇几何态势选取适用的船舶海上避碰规则；根据船舶海上避碰规则选取自主避碰方式；

具体而言，船舶海上避碰规则以人民交通出版社出版的《国际海上避碰规则》为根本依据，出版时间为1998年，版本号为7-114-02874-1。《国际海上避碰规则》对两船在避碰过程中船舶的类型与义务进行分类如下：

若本船与所述目标船舶为所述追越态势，其中，本船为追越船，目标船舶为被追越船，追越船应给被追越船让路，且随后两船间方位的任何改变，都不应免除其让开被追越船的责任，直到驶过让清为止；

若本船与所述目标船舶为对遇态势构成碰撞危险，则两船均为让路船，均应向右转向从相对船的左舷驶过；

若本船与所述目标船舶为交叉相遇态势构成碰撞危险，有他船在一船右舷的船舶应给他船让路，若当时环境许可，还应避免横越他船的前方。直航船应保向保速，但当发觉本船不论由于何种原因逼近到单凭让路船的行动不能避免碰撞时，也应采取最有利的行动。

通过将会遇几何态势及会遇局面的判断组合考虑，参照《国际海上避碰规则》的相关规定确定出各条船舶在协调避碰过程中的类型与义务，并选取在当前情况下符合规则的多种自主避碰方式。

104、通过算法对船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数；

具体而言，如图4所示，根据《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第一节船舶在任何能见度情况下的行动规则第八条避免碰撞行动的相关规定，对延迟的行动、不明显的航向和航速变动予以量化，得到一组惩罚分数P_delay、P_ΔCapp、P_ΔVapp。

对延迟的行动量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，提取出本船发现目标时两船相距的距离、本船采取行动时两船相距的距离、目标船的DCPA数据；

计算出本船发现目标时两船相距的距离与本船采取行动时两船相距的距离之差r₁；

计算出本船发现目标时两船相距的距离与目标船的DCPA之差r₂；

将对延迟行动的惩罚分数定义为r₁与r₂之比，表示为：

如果本船发现目标船后延迟行动则r₁增大。当本船在与目标船相距DCPA处时才采取行动，此时二者比值为1，即对延迟行动的惩罚分数为1；

对不明显的航向变化量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，按单位时间间隔提取出本船航向变化的最大值ΔC；

根据测试要求及海上船舶避碰通常做法设置认为是明显航向变化的阈值ΔC_app；

当本船航向变化最大值小于明显航向变化的阈值时，这种行为是违反规则的不明显航向变化，根据违反的程度对这种行为进行惩罚，最大惩罚分数为1。

对不明显的航速变化量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，按单位时间间隔提取出本船航速变化的最大值δ_V；

根据测试要求及海上船舶避碰通常做法设置认为是明显航速变化的阈值δ_vapp；

当本船航速变化最大值小于明显航速变化的阈值时，这种行为是违反规则的不明显航速变化，根据违反的程度对这种行为进行惩罚，最大惩罚分数为1。

根据《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第二节船舶在互见中的行动规则第十三条追越条款的相关规定，对追越船横越被追越船船头的行为予以量化，得到一个惩罚分数P¹³ _{c_a}。

对横越船头的行为量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，提取两船相距DCPA时本船相对目标船舶的方位角度；

为横越船头的角度定义一个范围阈值。

将上述的方位角度与角度阈值比较，如果方位角度在角度阈值内，这种行为是横越船头的行为，根据违反的程度对这种行为进行惩罚，得到一个惩罚分数。

根据《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第二节船舶在互见中的行动规则第十四条对遇局面的相关规定，对不向右转向的行为予以量化，得到一个惩罚分数P¹⁴ _{n_sb}。

对未向右转向的行为量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，以一定时间间隔收集本船在避碰过程中航向变化值，正值为向右转向，负值为向左转向，并根据海上避碰经验及合规性测试要求输入一个认为是明显向右转向的角度阈值。

将航向变化值与角度阈值进行比较，如果航向变化值小于角度阈值，这种行为是未向右转向的行为，根据违反的程度对此进行惩罚，得到一个惩罚分数。

根据《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第二节船舶在互见中的行动规则第十五条交叉相遇局面的相关规定，对让路船横越直航船船头的行为予以量化，得到一个惩罚分数P¹⁵ _{c_a}。

此处量化的方法与上述横越船头的方法同理。

根据《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第二节船舶在互见中的行动规则第十七条直航船行动的相关规定，对直航船未保向保速、未在发现单凭让路船的行动不能避免碰撞时采取最有助于避碰的行动、采取行动时对在本船左舷的船舶向左转向的行为予以量化，得到一组惩罚指标P¹⁷ _{ΔC_c}、P¹⁷ _{ΔV_c}、P¹⁷ _Δ、P_{t_t_p}。

对直航船未保向保速的行为量化思路与上述量化对不明显航向航速变化行为类似，不明显的航向航速变化可以理解成保向保速行为；

根据海上避碰经验船员通常做法及测试要求对直航船未保向保速的航向航速阈值进行设定，从而对违反此规则的行为予以惩罚，得到一个惩罚分数。

对发觉规定的让路船显然没有遵照规则条款采取适当行动时，未独自采取操纵行动以避免碰撞量化方法包括以下步骤：

根据本船与目标船舶的航行数据，提取出本船采取有效行动时两船相距的距离r_m。

根据海上避碰经验船员通常做法及测试要求输入发觉规定的让路船显然没有遵照规则条款采取适当行动时两船相距的距离阈值。目前国际上对存在此种情况下两船相距的距离未有定量的规定，主观决定因素影响较大，因此为此距离设置最大值r_max和最小值r_min。

根据r_m、r_max、r_min的大小关系确定违反此行为的惩罚分数，具体步骤如下：

当r_m大于r_max时，说明本船在发觉让路船未遵照规则条款采取适当行动前采取了行动，不予惩罚；

当r_m在r_max与r_min之间时，说明本船在一定程度上违反了此条规则，进行对应程度的惩罚；

当r_m小于r_min时，说明本船完全违反此条规则，此时惩罚分数为最大值。

对交叉相遇局面下采取行动时对在本船左舷的船舶向左转向的行为量化方法包括以下步骤：

根据已判断出的会遇态势确定是否为交叉相遇局面，若是则继续，若否则直接退出此条；

根据本船的航向数据，当紧迫危险交叉相遇的会遇态势下检测到有向左转向的行为时，对这种违反规则的行为予以惩罚，得到一个惩罚分数。

105、通过惩罚分数对自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分；

具体而言，根据每一个测试场景的若干会遇局面分配一个所得分数(S_n)和一组惩罚分数(P_n)。根据对自主避碰算法合规性测试的要求为每个惩罚指标确定对应权重

根据公式:

可以计算得出每条规则的合规性得分。得到《国际海上避碰规则》第二章驾驶与航行规则第二节船舶在互见中的行动规则的第十三、十四、十五、十六、十七条的得分分别为：S¹³、S¹⁴、S¹⁵、S¹⁶、S¹⁷。

进一步地，如图2所示，如若被测试船舶在一组场景中涉及到多条航行规则，根据公式

最终在该测试场景下的得分为各条款得分的最小值。所得分数即为自主避碰算法的合规性得分。

106、选取合规性评分值最高的自主避碰方式进行海上避碰。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，包括：

获取本船与目标船舶的航行数据；

根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶的会遇局面和会遇几何态势；

根据所述会遇局面和会遇几何态势选取适用的船舶海上避碰规则；根据所述船舶海上避碰规则选取自主避碰方式；

对所述船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数；

通过所述惩罚分数对所述自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分；

选取所述合规性评分值最高的所述自主避碰方式进行海上避碰。

2.根据权利要求1所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶的会遇局面和会遇几何态势，包括：

根据所述航行数据计算本船与所述目标船舶的最小会遇距离和最短会遇时间，并结合当前海上环境判断所述会遇局面；所述会遇局面，包括：碰撞危险局面、紧迫局面、紧迫危险局面；

所述会遇几何态势为本船与所述目标船舶会遇时的几何关系；所述会遇几何态势，包括：对遇态势、交叉相遇态势及追越态势。

3.根据权利要求2所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述通过算法对所述船舶海上避碰规则进行量化处理，得到惩罚分数，包括：

对所述船舶海上避碰规则进行量化处理的算法，包括：

对船舶航向与航速变化值的大小检测和判断的算法，包括：对延迟的行动量化算法、对不明显的航向变化量化算法、对不明显的航速变化量化算法、对直航船未保向保速的行为量化算法；

对船舶方位角度与角度阈值的检测和比较的算法，包括：对横越船头的行为量化算法；

对航向变化值的方向检测和判断的算法，包括：对未向右转向的行为量化算法、对交叉相遇局面下对在本船左舷的船舶向左转向的行为量化算法；

根据两船之间的距离与直航船采取行动时的距离进行比较和判断的算法，包括：对直航船未独自采取操纵行动以避免碰撞量化算法。

4.根据权利要求3所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述对船舶航向与航速变化值的大小检测和判断的算法，包括：

所述对延迟的行动量化算法，包括：

通过所述航行数据获取本船发现所述目标船舶时两船相距的距离、本船采取行动时两船相距的距离及最小会遇距离；

计算本船发现所述目标船舶时两船相距的距离与采取行动时两船相距的距离之差r₁；

计算本船发现所述目标船舶时两船相距的距离与最小会遇距离之差r₂；

将对延迟行动的所述惩罚分数定义为r₁与r₂之比，表示为：

所述对不明显的航向变化量化算法，包括：

通过所述航行数据按单位时间获取本船航向变化的最大值ΔC；

设置航向变化的阈值ΔC_app；

当ΔC小于ΔC_app时，评价为违反规则的不明显航向变化，并得到惩罚分数，最大惩罚分数值为1；

所述对不明显的航速变化量化算法，包括：

通过所述航行数据按单位时间获取本船航速变化的最大值δ_V；

设置航速变化的阈值δ_vapp；

当δ_V小于δ_vapp时，评价为违反规则的不明显航速变化，并得到惩罚分数，最大惩罚分数为1。

5.根据权利要求3所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述对横越船头的行为量化算法，包括：

通过所述航行数据获取本船与所述目标船舶为最小会遇距离时，本船相对所述目标船舶的方位角度；

设定本船相对所述目标船舶的方位角度的阈值范围；

将所述方位角度与所述阈值范围作比较，若所述方位角度在所述阈值范围内，则评价为横越船头的违规行为，并得到惩罚分数。

6.根据权利要求3所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述对航向变化值的方向检测和判断的算法，包括：

所述对未向右转向的行为量化算法，包括：

通过所述航行数据，按单位时间获取本船在避碰过程中航向变化值，正值为向右转向，负值为向左转向，并设定向右转向的角度阈值；所述向右转向和向左转向以航向为基准；

将所述航向变化值与所述角度阈值进行比较，若所述航向变化值小于所述角度阈值，则评价为未向右转向的违规行为，并得到惩罚分数；

所述对交叉相遇局面下对在本船左舷的船舶向左转向的行为量化算法，包括：根据所述航行数据判断本船与所述目标船舶为交叉相遇态势、紧迫危险局面，当检测到所述目标船舶有向左转向的行为时，评价此行为为违规行为，并得到惩罚分数。

7.根据权利要求3所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述对直航船未独自采取操纵行动以避免碰撞量化算法，包括：

通过所述航行数据获取本船采取操纵行动时与所述目标船舶的距离r_m；

设定若直航的所述目标船舶未采取操纵行动时，与本船相距的距离的阈值范围，并设定所述阈值范围的最大值r_max和最小值r_min；

当r_m大于r_max，表示本船在发觉所述目标船舶未采取操纵行动前采取了行动，惩罚分数为0；

当r_m在r_max与r_min之间，表示本船存在违规行为，并得到惩罚分数；

当r_m小于r_min，表示本船存在严重违规行为，惩罚分数为最大值。

8.根据权利要求1所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，其特征在于，所述通过所述惩罚分数对所述自主避碰方式的合规性进行评价，得到合规性评分，包括：

通过式(2)计算所述合规性评分；

式中，S_n为合规性评分，初始值为1；P_n为惩罚分数；

为惩罚分数对应的权重。

9.根据权利要求8所述的一种通过评价船舶航行避碰合规性自主避碰的方法，当根据所述会遇局面和会遇几何态势选取到多条适用的船舶海上避碰规则时，由下式

获取最小值的惩罚分数来计算所述合规性评分。

Images