CN113268812A - 船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质 Download PDF

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CN113268812A CN202110578066.9A CN202110578066A CN113268812A CN 113268812 A CN113268812 A CN 113268812A CN 202110578066 A CN202110578066 A CN 202110578066A CN 113268812 A CN113268812 A CN 113268812A
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张志伟
宫永翔
仇志金
胡桐
邹靖
王波
韩冰
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Abstract

本发明涉及计算机技术领域，特别是涉及一种船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质，所述船舶转向过程真风求解方法包括：确定视风向量；获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。本发明分析了原有模型的适用边界条件，并在此基础上建立了基于平台转向的真风求解方法，经实船海试验证，在转向过程中采用新方法计算出的真风，较为客观地反映了实际环境风，比传统真风解算方法计算出的真风精度提高30％以上。

Description

船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，特别是涉及一种船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
真风是相对于地面的自然界实际风。在船舶等运动平台上，真风无法直接测量，只能依靠矢量模型间接计算获取，现有的真风解算模型是基于直航情况下推导出的简易数学模型，它并不适用于船舶转向过程中的真风求解。大型船舶转向过程颇为耗时，尤其是在恶劣极端天气或狭水道中航行时，在相对较长时间的转向过程中，若没有可信度高的真风数据参考，将严重影响过往船只及自身的航行安全。另外，在转向过程中，船舶无法向外界提供高精度实时真风数据，由于数据的缺失，将影响以此为初始数据源的中小尺度海洋预测预报的准确性。因此，推演普适性船舶真风解算模型对操纵船舶离靠码头、防台避险、舰机协作、海上搜救，以及推动局地中小尺度的海洋气象水文研究发展等均有重要的参考指导意义。
真风对船舶操纵驾驶和海洋气象预报有重要的参考意义，历来是各国海洋气象监测的重点。Smith等对测风数据进行了质量控制。李志乾对航行状态的测风数据进行了误差分析，指出了各个方向上的风速风向误差源。任晓文研究了船舶运动对风向风速测量的影响，采用BP神经网络对运动速度、姿态情况和测量结果进行了曲线拟合。郜冶等分析了舰载风速仪测量误差与安装位置的关系，给出了风向风速值测误差随安装位置的变化规律。王国峰等提出一种基于空间模型的风速风向测量误差补偿算法，建立了船舶运动状态下风速风向矢量的空间模型。赵永生等发明了一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置。李志乾等分析了船舶真风误差及误差来源，并给出一定的修正方法。雷卫延等研究了移动平台周围环境，移动速度，移动方式，风传感器安装位置等因素对真风观测的影响。江立军等建立了船舶运动状态下超声波风速风向动态测量的理论模型。张永刚等利用船体摇摆、俯仰和船头转动带来的测量误差值来修正后真实风速和风向。
上述文献在相对风测量误差方面进行了研究分析，海上航行船舶关心的是真风，仅提高相对风测量精度并不意味着就能一定能提高真风的准确度，特别是在船舶转向过程中，传统直航式真风解算模型不再适用，在工程应用上亟需建立一种针对船舶转向过程的真风计算模式。
发明内容
基于此，有必要针对上述的问题，提供一种船舶转向过程真风求解方法、装置、设备和存储介质。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种船舶转向过程真风求解方法，所述船舶转向过程真风求解方法包括：
确定视风向量；
获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种船舶转向过程真风求解装置，其特征在于，所述船舶转向过程真风求解装置包括：
视风确定模块，用于确定视风向量；
获取模块，用于获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
航行风模块，用于根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
真风确定模块，用于根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述船舶转向过程真风求解方法的步骤。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述船舶转向过程真风求解方法的步骤。
本发明分析了原有模型的适用边界条件，并在此基础上建立了基于平台转向的真风求解方法，经实船海试验证，在转向过程中采用新方法计算出的真风，较为客观地反映了实际环境风，比传统真风解算方法计算出的真风精度提高30％以上。由于风、浪、流、涌的存在，受第三方作用力影响，船舶在海上近似曲线航行，本发明建立的基于平台转向的真风求解方法也可推广到一般航线航行过程中。
附图说明
图1为一个实施例中提供的船舶转向过程真风求解方法的应用环境图；
图2为一个实施例中船舶转向过程真风求解方法的流程图；
图3为一个实施例中转向过程视风变化示意图一；
图4为一个实施例中船舶转向过程艏向与迹向差异示意图；
图5为一个实施例中确定视风向量的步骤流程图；
图6为一个实施例中转向过程视风变化示意图二；
图7为另一个实施例中确定视风向量的步骤流程图；
图8为一个实施例中船舶转向过程真风求解装置的结构框图；
图9为一个实施例中直航计算真风结果示意图；
图10为一个实施例中转向计算真风结果示意图；
图11为一个实施例中某船航迹图；
图12为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。
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。
可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
图1为一个实施例中提供的船舶转向过程真风求解方法的应用环境图，如图1所示，在该应用环境中，包括导航卫星100以及船舶200。
在本发明实施例中，导航卫星100可以是现有的任何导航系统的卫星，导航卫星与船舶200通信，为船舶200的航行提供与方向、位置有关的数据。本发明实施例所提供的船舶转向过程真风求解方法中直接或者间接使用到了来自导航卫星提供的与方向和/或位置有关的数据，并根据这些数据解算出了在船舶转弯时的真风大小以及方向。
在本发明实施例中，对于船舶200的具体型号、结构、用途等不作具体限定，本发明所提供的方法应用于船舶200上的真风计算系统中，该真风计算系统可以是船舶200控制系统的一个组成部分，也可以是独立于船舶控制系统的一个装置，用于确定航行过程中的风向以及风力大小。在本发明实施例中，计算得到的真风方向以及大小可以用于船舶的航行控制，例如直接用于航行自动航线修正的一个输入参数，通过纳入该参数，可以纠正船舶航行中由于风的作用导致的偏航，从而使航线更为准确。
如图2所示，在一个实施例中，提出了一种船舶转向过程真风求解方法，本实施例主要以该方法应用于上述图1中的船舶200为例说明。具体可以包括步骤S202～S208：
步骤S202，确定视风向量。
在本发明实施例中，视风向量包括视风的方向以及视风的大小。气象学上，风向定义为来风方向。相对风是以船艏为零向参考、顺时针方向依次增大的舷角风，加上船艏向，可将传感器测得的相对风转化为视风，视风是航行风与真风的合成风，若记视风为
Figure BDA0003085025190000041
航行风为
Figure BDA0003085025190000042
真风为
Figure BDA0003085025190000043
当船舶平稳直航时，
Figure BDA0003085025190000044
Figure BDA0003085025190000045
遵守矢量合成规则，可根据
Figure BDA0003085025190000046
计算真风
Figure BDA0003085025190000047
如图3所示，此即通用的船舶真风解算模型。
步骤S204，获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量。
在船舶直航过程中，航向一般指船舶朝向，即艏向；航速一般指相对(水)速度。船舶在航行过程中受风、涌、浪、流等因素影响，以及转向操作，实际上，其航迹是一条不规则曲线。在图4中，船舶沿曲线l由P1运动到P4，其中，P1P2段是直线，P2P3段是椭圆弧曲线，P3P4段是直线，在P1P2或P3P4直航路径上，艏向与迹向完全重合，无论采用艏向还是迹向，二者计算的真风结果相同；在转向过程中，艏向与迹向指向不同，会导致计算出的真风会有较大差异，二者夹角越大计算真风差异也越大，如在P2P3段，船舶航经p点，
Figure BDA0003085025190000051
为视风，艏向为
Figure BDA0003085025190000052
迹向为
Figure BDA0003085025190000053
依船舶真风解算模型计算出的真风为
Figure BDA0003085025190000054
而实际真风应为
Figure BDA0003085025190000055
令航速
Figure BDA0003085025190000056
艏向与迹向角之差为θ，则真风误差
Figure BDA0003085025190000057
关于航迹向向量以及航迹速向向量可以参考图3、4所示理解。
步骤S206，根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量。
在本发明实施例中，根据图3、4中的向量关系，可以由航迹向向量以及航迹速向量确定航行风向量。
步骤S208，根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
在本发明实施例中，由图3、4所示关系，可以由视风向量以及航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量，确定了真风向量即可以确定真风的风向以及真风的大小。在本发明实施例中，确定了真风向量之后，还可以包括将确定出的真风向量输出的步骤，这里的输出可以作为一种单独的数据输出到存储设备，还可以与船舶的控制系统连接，将确定出的真风向量在大小和/或方向输出到船舶控制系统，船舶控制系统根据接收到的真风向量的大小和/或方向实时调整航向和/或航速，从而减小航线由于计算误差导致的偏航。
本发明分析了原有模型的适用边界条件，并在此基础上建立了基于平台转向的真风求解方法，经实船海试验证，在转向过程中采用新方法计算出的真风，较为客观地反映了实际环境风，比传统真风解算方法计算出的真风精度提高30％以上。由于风、浪、流、涌的存在，受第三方作用力影响，船舶在海上近似曲线航行，本发明建立的基于平台转向的真风求解方法也可推广到一般航线航行过程中。
在一个实施例中，如图5所示，步骤S202即确定视风向量的步骤具体可以包括步骤S502～S506：
步骤S502，获取船舶艏向与大地北的夹角、相对风与艏向的夹角。
步骤S504，根据所述船舶艏向与大地北的夹角、相对风与艏向的夹角确定视风向量方向。
步骤S506，根据相对风速确定视风向量大小，并由所述视风向量方向以及所述视风向量大小确定视风向量。
在本发明实施例中，视风是运动平台上相对于大地北的“感觉风”，视风向不随平台转向而发生变化，如图6所示。在转向过程中需要α2与β2来计算视风向，但由于底座发生了转动，无法获取β2，从图6中可以看出，无论以艏向为零位参考，还是以迹向为零位参考，计算出的视风向均相同，可以仍然沿用α1+β1来计算视风向，其中，α1为艏向，可由导航系统给出，β1是传感器测得的相对风向(与船艏的舷角)。
在另一个实施例中，如图7所示，步骤S202即确定视风向量的步骤具体可以包括步骤S702～S706：
步骤S702，获取船舶艏向向量、相对风向向量。
步骤S704，由所述艏向向量以及所述相对风向向量确定视风方向。
步骤S706，由所述相对风向大小确定所述视风向量大小，并由所述视风向量方向以及所述视风向量大小确定视风向量。
在本发明实施例中，真风以静止大地为参考，计算时船速宜优先采用对地速度，仅在对地速度无效时，采用对水速度替代。在传感器安装时，一般以船艏向为风向零位参考，考虑计算便捷性，仍沿用D视风向＝D艏向+D相对风向计算视风向，视风速大小与相对风速等同。
在本发明一个实施例中，所述根据所述航迹向方向以及所述航迹速大小确定航行风向量，包括以下步骤：
航行风向量＝航迹向向量+航迹速向量。
所述根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量，包括以下步骤：
真风向量＝视风向量-航行风向量。
在本发明实施例中，航行风(船风)
Figure BDA0003085025190000071
由(艏向+航速)调整为(航迹向+航迹速)，则船舶转向过程真风计算过程：
Figure BDA0003085025190000072
计算结果为：
Figure BDA0003085025190000073
在编写计算程序上，可利用
Figure BDA0003085025190000074
函数来计算
Figure BDA0003085025190000075
的值，此即船舶转向过程真风求解方法。
本发明分析了原有模型的适用边界条件，并在此基础上建立了基于平台转向的真风求解方法，经实船海试验证，在转向过程中采用新方法计算出的真风，较为客观地反映了实际环境风，比传统真风解算方法计算出的真风精度提高30％以上。由于风、浪、流、涌的存在，受第三方作用力影响，船舶在海上近似曲线航行，本发明建立的基于平台转向的真风求解方法也可推广到一般航线航行过程中。
如图8所示，在一个实施例中，提供了一种船舶转向过程真风求解装置，该船舶转向过程真风求解装置可以集成于上述的船舶200中，具体可以包括：
视风确定模块801，用于确定视风向量；
获取模块802，用于获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
航行风模块803，用于根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
真风确定模块804，用于根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
在本发明实施例中，对于上述装置各个模块所执行的步骤的解释说明请参考前述关于船舶转向过程真风求解方法部分的说明，本发明实施例对此不再赘述。
以下以一个具体实施例来说明本发明的技术效果：
2020.5.17-2020.5.30日搭乘“向阳红18”船海上试验，采集了大量实测风数据，通过计算分析发现，直航和转向时，运用真风解算模型计算出的真风有明显的阶跃波动，如图9图10所示，图9是直航某时间段(2分钟)计算出的真风，图10是转向前和转向过程中计算出的真风，从图10可以看出，转向前后依真风解算模型计算出的真风变得不连续，波动性较大，明显受到了转向过程的影响。
2020.8.17-2020.8.23随某新造船在上海附近海域进行了试航，航迹如图11所示。航行期间，采集了艏向、迹向、航迹速等船舶运动数据和相对风测量数据。
采用新模型计算得到的真风，短时期内应平稳、连续，取2分钟的滑动均值进行验证。验证方法：计算相邻点的欧式距离梯度，波动性愈小说明新模型适应性越好。
船舶转向前和转向过程中，采用新模型计算出的真风记为矢量组B(ri,θi)(极坐标形式)，化为二维平面直角坐标形式B(xi,yi)，计算相邻两点欧式距离
Figure BDA0003085025190000081
得标量距离数据组D，计算其梯度Xj＝Dj+1-Dj，数据组X波动越小，效果越好。可用方差来衡量数据组X的波动性，实际工作中，总体均数难以得到，通常用样本标准差S2代替总体方差σ2，样本标准差计算公式：
Figure BDA0003085025190000082
结论：本发明分析了原有模型的适用边界条件，并在此基础上建立了基于平台转向的真风求解方法，经实船海试验证，在转向过程中采用新方法计算出的真风，较为客观地反映了实际环境风，比传统真风解算方法计算出的真风精度提高30％以上。由于风、浪、流、涌的存在，受第三方作用力影响，船舶在海上近似曲线航行，本发明建立的基于平台转向的真风求解方法也可推广到一般航线航行过程中。
图12示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以设置于图1中的船舶200上。如图12所示，该计算机设备包括该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现本发明实施例提供的船舶转向过程真风求解方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行本发明实施例提供的船舶转向过程真风求解方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，本发明实施例提供的船舶转向过程真风求解装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图12所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该船舶转向过程真风求解装置的各个程序模块，比如，图8所示的视风确定模块、获取模块、航行风模块和真风确定模块。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本发明各个实施例的船舶转向过程真风求解方法中的步骤。
例如，图12所示的计算机设备可以通过如图8所示的船舶转向过程真风求解装置中的视风确定模块执行步骤S202；计算机设备可通过获取模块执行步骤S204；计算机设备可通过航行风模块执行步骤S206；计算机设备可通过真风确定模块执行步骤S208。
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
确定视风向量；
获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：
确定视风向量；
获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，所述船舶转向过程真风求解方法包括：
确定视风向量；
获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
2.根据权利要求1所述的船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，所述确定视风向量，具体包括以下步骤：
获取船舶艏向与大地北的夹角、相对风与艏向的夹角；
根据所述船舶艏向与大地北的夹角、相对风与艏向的夹角确定视风向量方向；
根据相对风速确定视风向量大小，并由所述视风向量方向以及所述视风向量大小确定视风向量。
3.根据权利要求1所述的船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，所述确定视风向量，包括以下步骤：
获取船舶艏向向量、相对风向向量；
由所述艏向向量以及所述相对风向向量确定视风方向；
由所述相对风向大小确定所述视风向量大小，并由所述视风向量方向以及所述视风向量大小确定视风向量。
4.根据权利要求1所述的船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，所述根据航迹向方向以及航迹速向量大小确定航行风向量，包括以下步骤：
航行风向量＝航迹向向量+航迹速向量。
5.根据权利要求4所述的船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，所述航迹速向量的大小采用对地速度，仅对地速度无效时，采用对水速度。
6.根据权利要求1所述的船舶转向过程真风求解方法，其特征在于，根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量，包括以下步骤：
真风向量＝视风向量-航行风向量。
7.一种船舶转向过程真风求解装置，其特征在于，所述船舶转向过程真风求解装置包括：
视风确定模块，用于确定视风向量；
获取模块，用于获取船舶的航迹向向量以及航迹速向量；
航行风模块，用于根据航迹向方向以及航迹速大小确定航行风向量；
真风确定模块，用于根据所述视风向量以及所述航行风向量确定船舶转向过程中的真风向量并输出。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至6中任一项权利要求所述船舶转向过程真风求解方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至6中任一项权利要求所述船舶转向过程真风求解方法的步骤。
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