CN113326640B - 一种确定内河船舶碰撞危险度的方法及系统 - Google Patents

一种确定内河船舶碰撞危险度的方法及系统 Download PDF

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CN113326640B CN202110884688.4A CN202110884688A CN113326640B CN 113326640 B CN113326640 B CN 113326640B CN 202110884688 A CN202110884688 A CN 202110884688A CN 113326640 B CN113326640 B CN 113326640B
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Abstract

本发明实施例公开了一种确定内河船舶碰撞危险度的方法，包括：基于船舶尺寸构建本船物理模型和目标船物理模型，根据本船和目标船之间相对运动态势和位置关系识别会遇场景，判断本船物理模型和目标船物理模型的多个关键特征点，以本船物理模型和目标船物理模型的多个关键特征点之间的运动趋势变化的核心参数构建相关随机变量和碰撞概率分布模型，分析船舶在不同运动趋势和不同距离下的碰撞发生概率，即碰撞危险度。本发明实施例还公开了一种确定内河船舶碰撞危险度的系统。本发明可以解决不同航行角度对碰撞危险度的影响以及过大的船舶领域范围导致的误报警问题。

Description

一种确定内河船舶碰撞危险度的方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，具体而言，涉及一种确定内河船舶碰撞危险度的方法及系统。
背景技术
在智能船舶航行控制领域中，在对内河通航船舶确定碰撞危险度时，一般是先建立船舶领域模型，实时计算本船与目标船领域之间、目标船与本船领域之间的位置关系，再根据目标船对本船领域的入侵程度、本船对目标船领域的入侵程度或本船领域和目标船领域之间的相互入侵程度，来计算本船和目标船之间的碰撞危险度。其中，领域模型多基于船舶尺寸和操纵性能等经验参数建立。这种根据领域入侵计算碰撞危险度的方式，无法反应不同航行角度对碰撞危险度程度的影响，导致计算的结果不够准确。另外，对于领域模型预警范围设定通常过大，在狭窄的内河航道上会产生大量的误报警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定内河船舶碰撞危险度的方法及系统，可以解决不同航行角度对碰撞危险度的影响，以及过大的船舶领域范围导致的误报警问题。
本发明实施例提供了一种确定内河船舶碰撞危险度的方法，所述方法包括：
基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括多个特征点；
根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点；
根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型；
根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
作为本发明进一步的改进，所述基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，包括：
以所述本船的船体中心为原点，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立所述本船的船体坐标系；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述本船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型，该矩形的四个顶点pi作为所述本船物理模型的特征点，其中，i表示所述本船物理模型的特征点的序号，i=1,2,3,4；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点tj作为所述目标船物理模型的特征点，其中，j表示所述目标船物理模型的特征点的序号，j=1,2,3,4。
作为本发明进一步的改进，所述根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点，包括：
在所述本船的船体坐标系下，确定所述目标船的位置方向
Figure 708644DEST_PATH_IMAGE001
以及所述目标船艏向与所述目标船的位置方向
Figure 250484DEST_PATH_IMAGE001
之间的夹角
Figure 359385DEST_PATH_IMAGE002
；
根据所述目标船的位置方向
Figure 986676DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 104804DEST_PATH_IMAGE002
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景；
根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点。
作为本发明进一步的改进，所述目标船的位置方向
Figure 501151DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 46533DEST_PATH_IMAGE002
的角度范围与所述会遇场景之间具有预设的对照关系，
所述根据所述目标船的位置方向
Figure 161119DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 676414DEST_PATH_IMAGE002
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景，根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点，包括：
在所述目标船的位置方向
Figure 68212DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-5°且小于或等于5°时：
当所述夹角
Figure 909129DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为对遇且驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 120799DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 705364DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为对遇且靠近场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 951669DEST_PATH_IMAGE001
大于5°且小于或等于112.5°时：
当所述夹角
Figure 963487DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 662453DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 785130DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-112.5°且小于-5°时：
当所述夹角
Figure 10575DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 65731DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左交叉场景，将所述的特征点目标船物理模型t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 642206DEST_PATH_IMAGE001
大于112.5°且小于或等于175°时：
当所述夹角
Figure 178360DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 258312DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 752878DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-175°且小于-112.5°时：
当所述夹角
Figure 285491DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 15549DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p2作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 825373DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-180°且小于-175°或所述目标船的位置方向
Figure 615475DEST_PATH_IMAGE001
大于175°且小于或等于180°时：
当所述夹角
Figure 776329DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为尾随或被追越且两船驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 778920DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 708830DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为尾随或被追越且靠近场景，所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点。
作为本发明进一步的改进，所述目标船物理模型确定出两个关键特征点，所述本船物理模型确定出两个关键特征点，
所述根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型，包括：
对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 669833DEST_PATH_IMAGE003
Figure 52404DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 858685DEST_PATH_IMAGE005
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 33315DEST_PATH_IMAGE006
表示S的标准差，
Figure 775006DEST_PATH_IMAGE007
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 35086DEST_PATH_IMAGE008
Figure 251916DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 281052DEST_PATH_IMAGE010
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 193644DEST_PATH_IMAGE011
表示D的标准差，
Figure 675441DEST_PATH_IMAGE012
表示D的均值。
作为本发明进一步的改进，当所述两个连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影D11和D12正负相反时，所述目标船物理模型的边界与所述本船物理模型的边界相交，
将所述目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在所述相对运动方向上的投影及所述连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影分别作为所述第一随机变量S和所述第二随机变量D，
其中，所述交点表征所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向延长线与所述本船物理模型的边界相交的点。
作为本发明进一步的改进，其中，
Figure 89105DEST_PATH_IMAGE013
，式中，TCPA为所述本船和所述目标船的最近会遇时间。
作为本发明进一步的改进，所述根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度，包括：
所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 848114DEST_PATH_IMAGE014
当所述目标船沿所述相对运动方向向所述本船行驶时，对所述目标船物理模型的每个关键特征点，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型计算对应的碰撞概率：
Figure 321820DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 166280DEST_PATH_IMAGE016
表示所述目标船在当前位置
Figure 118055DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在横向上的碰撞概率分布，
Figure 731570DEST_PATH_IMAGE018
表示所述目标船在当前位置
Figure 110599DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在纵向上的碰撞概率分布；
将对所述目标船物理模型的两个关键特征点计算得到的两个碰撞概率中的较大值作为最终的船舶碰撞危险度P。
作为本发明进一步的改进，所述船舶碰撞危险度的取值范围为0~1。
本发明实施例还提供了一种确定内河船舶碰撞危险度的系统，所述系统包括：
物理模型构建模块，用于基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括多个特征点；
关键特征点识别模块，用于根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点；
概率分布模型确定模块，用于根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型；
碰撞危险度确定模块，用于根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
作为本发明进一步的改进，所述物理模型构建模块包括：以所述本船的船体中心为原点，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立所述本船的船体坐标系；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述本船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型，该矩形的四个顶点pi作为所述本船物理模型的特征点，其中，i表示所述本船物理模型的特征点的序号，i=1,2,3,4；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点tj作为所述目标船物理模型的特征点，其中，j表示所述目标船物理模型的特征点的序号，j=1,2,3,4。
作为本发明进一步的改进，所述关键特征点识别模块，包括：在所述本船的船体坐标系下，确定所述目标船的位置方向
Figure 442354DEST_PATH_IMAGE001
以及所述目标船艏向与所述目标船的位置方向
Figure 197821DEST_PATH_IMAGE001
之间的夹角
Figure 790476DEST_PATH_IMAGE002
；
根据所述目标船的位置方向
Figure 481351DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 425037DEST_PATH_IMAGE002
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景；
根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点。
作为本发明进一步的改进，所述目标船的位置方向
Figure 328402DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 41143DEST_PATH_IMAGE002
的角度范围与所述会遇场景之间具有预设的对照关系，所述关键特征点识别模块包括：
在所述目标船的位置方向
Figure 923427DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-5°且小于或等于5°时：
当所述夹角
Figure 354409DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为对遇且驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 327044DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 628712DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为对遇且靠近场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 786024DEST_PATH_IMAGE001
大于5°且小于或等于112.5°时：
当所述夹角
Figure 579668DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 949469DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 512169DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-112.5°且小于-5°时：
当所述夹角
Figure 840382DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 855743DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左交叉场景，将所述的特征点目标船物理模型t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 294814DEST_PATH_IMAGE001
大于112.5°且小于或等于175°时：
当所述夹角
Figure 836654DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 211135DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 838425DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-175°且小于-112.5°时：
当所述夹角
Figure 425395DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 87321DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p2作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 632703DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-180°且小于-175°或所述目标船的位置方向
Figure 747289DEST_PATH_IMAGE001
大于175°且小于或等于180°时：
当所述夹角
Figure 262584DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为尾随或被追越且两船驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 651453DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 492370DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为尾随或被追越且靠近场景，所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点。
作为本发明进一步的改进，所述目标船物理模型确定出两个关键特征点，所述本船物理模型确定出两个关键特征点， 所述概率分布模型确定模块包括：对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 969619DEST_PATH_IMAGE003
Figure 554184DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 800488DEST_PATH_IMAGE005
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 546728DEST_PATH_IMAGE006
表示S的标准差，
Figure 245693DEST_PATH_IMAGE007
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 633949DEST_PATH_IMAGE008
Figure 734760DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 651901DEST_PATH_IMAGE010
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 228376DEST_PATH_IMAGE011
表示D的标准差，
Figure 30110DEST_PATH_IMAGE012
表示D的均值。
作为本发明进一步的改进，当所述两个连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影D11和D12正负相反时，所述目标船物理模型的边界与所述本船物理模型的边界相交，
将所述目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在所述相对运动方向上的投影及所述连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影分别作为所述第一随机变量S和所述第二随机变量D，
其中，所述交点表征所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向延长线与所述本船物理模型的边界相交的点。
作为本发明进一步的改进，
Figure 110061DEST_PATH_IMAGE013
，式中，TCPA为所述本船和所述目标船的最近会遇时间。
作为本发明进一步的改进，所述碰撞危险度确定模块包括：所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 604627DEST_PATH_IMAGE014
当所述目标船沿所述相对运动方向向所述本船行驶时，对所述目标船物理模型的每个关键特征点，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型计算对应的碰撞概率：
Figure 137240DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 477086DEST_PATH_IMAGE016
表示所述目标船在当前位置
Figure 677123DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在横向上的碰撞概率分布，
Figure 339661DEST_PATH_IMAGE018
表示所述目标船在当前位置
Figure 359569DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在纵向上的碰撞概率分布；
将对所述目标船物理模型的两个关键特征点计算得到的两个碰撞概率中的较大值作为最终的船舶碰撞危险度P。
作为本发明进一步的改进，所述船舶碰撞危险度的取值范围为0~1。
本发明的有益效果为：考虑了内河航行环境中船舶尺寸对碰撞危险的影响，以船舶物理模型的多个关键特征点之间的运动趋势变化的核心参数构建相关随机变量和碰撞概率分布模型，可以反应不同航行角度对碰撞危险度的影响。根据两船之间会遇时间变化动态调整碰撞概率分布模型，从概率角度分析船船在不同运动趋势和不同距离下的碰撞发生概率，可以避免误报警，提高报警准确率。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一示例性实施例所述的一种确定内河船舶碰撞危险度的方法的流程示意图；
图2为本发明一示例性实施例所述的本船物理模型的示意图；
图3为本发明一示例性实施例所述的本船和目标船相对运动的示意图；
图4为本发明一示例性实施例所述的船舶碰撞概率分布模型的示意图。
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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
本发明实施例所述的一种确定内河船舶碰撞危险度的方法，如图1所示，所述方法包括：
基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括多个特征点；
根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点；
根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型；
根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
在智能船舶航行控制技术研究领域，进行船舶-船舶碰撞危险度研究时，当前海上通航船舶碰撞危险度确定方法为：将本船和目标船都看作质点，根据两船运动趋势计算两者之间的最近会遇距离（DCPA）和最近会遇时间（TCPA），根据最小安全会遇距离（SDA）设置危险评判阈值，通过比较DCPA、TCPA和危险阈值的关系判定碰撞危险等级和危险度。然而内河通航环境不同于海上通航环境，其航道狭窄、弯曲、流速流态复杂，评估船船碰撞危险度时不能忽略船舶自身尺寸对危险度计算的影响。内河通航船舶碰撞危险度确定方法为：通过建立船舶领域模型，实时计算本船和目标船与对方船舶领域之间的位置关系，根据目标船对本船领域入侵程度、本船对目标船领域入侵程度、本船领域和目标船领域之间相互入侵程度（三者任选其一）计算碰撞危险度。其中，领域模型多基于船舶尺寸和操纵性能等经验参数建立。然而这种内河船舶碰撞危险度确定方法只根据领域入侵程度计算碰撞危险度，无法反应不同航行角度对碰撞危险程度的影响。
本发明所述方法，考虑了内河航行环境中船舶尺寸对碰撞危险的影响，基于船舶尺寸构建船舶物理模型，根据本船和目标船之间相对运动态势和位置关系识别会遇场景，判断本船物理模型和目标船物理模型的多个关键特征点，以本船物理模型和目标船物理模型的多个关键特征点之间的运动趋势变化的核心参数构建相关随机变量和碰撞概率分布模型，分析船舶在不同运动趋势和不同距离下的碰撞发生概率，即碰撞危险度，可以反应不同航行角度对碰撞危险度的影响，解决不同航行角度对碰撞危险度的影响。
现有技术中，对于领域模型预警范围设定通常过大，在狭窄的内河航道上会产生大量的误报警。本发明所述方法，构建船舶碰撞概率分布模型，并根据两船之间会遇时间变化动态调整碰撞概率分布模型，从概率角度分析船船在不同运动趋势和不同距离下的碰撞发生概率，可以避免误报警，提高报警准确率，解决过大的船舶领域范围导致的误报警问题。
一种可选的实施方式中，所述基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，包括：
以所述本船的船体中心为原点，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立所述本船的船体坐标系；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述本船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型，该矩形的四个顶点pi作为所述本船物理模型的特征点，其中，i表示所述本船物理模型的特征点的序号，i=1,2,3,4；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点tj作为所述目标船物理模型的特征点，其中，j表示所述目标船物理模型的特征点的序号，j=1,2,3,4。
鉴于内河航道的有限性，船身相对于内河航道并非是小到可以忽略。因此，在内河船舶的碰撞危险度评估计算中，船舶尺寸应作为重要的参数被考虑其中。以所述本船的船体中心为原点O，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立一个直角坐标系，该直角坐标系作为所述本船的船体坐标系，为了简化计算，在所述本船的船体坐标系中，以能覆盖所述本船的船体的最小矩形作为一个所述本船物理模型，矩形的四个顶点作为所述本船物理模型的平面几何特征点，也是用于后续碰撞危险度分析的特征点。例如，如图2所示，在所述本船的船体坐标系中，所述本船的船体坐标系中第二象限内的顶点p1，所述本船的船体坐标系中第一象限内的顶点p2，所述本船的船体坐标系中第三象限内的顶点p3，所述本船的船体坐标系中第四象限内的顶点p4分别作为所述本船的四个特征点，四个特征点的坐标可以根据所述本船的船长、船宽计算得到。
相应的，所述目标船物理模型同样可以用矩形表示。如图3所示，在所述本船的船体坐标系中，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点作为所述目标船物理模型的特征点。例如，如图3所示，所述目标船位于所述本船的船体坐标系中第二象限内，四个顶点t1、t2、t3、t 4均是位于第二象限内的顶点。可以理解的是，所述目标船也可以位于所述本船的船体坐标系中的其他象限内。在所述本船的船体坐标系中，根据所述本船和所述目标船的经纬度、航迹向、航速等导航数据，可推算出所述目标船物理模型的四个特征点的坐标值，图3中，
Figure 627740DEST_PATH_IMAGE019
为所述目标船相对于所述本船的运动速度，
Figure 557650DEST_PATH_IMAGE020
为所述目标船相对于所述本船的运动方向，
Figure 253073DEST_PATH_IMAGE021
为所述本船航速，
Figure 635644DEST_PATH_IMAGE022
为所述目标船航速。
一种可选的实施方式中，所述根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点，包括：
在所述本船的船体坐标系下，确定所述目标船的位置方向
Figure 707505DEST_PATH_IMAGE001
以及所述目标船艏向与所述目标船的位置方向
Figure 491922DEST_PATH_IMAGE001
之间的夹角
Figure 623826DEST_PATH_IMAGE002
；
根据所述目标船的位置方向
Figure 493693DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 103666DEST_PATH_IMAGE002
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景；
根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点。
可以理解的是，内河船舶发生碰撞时，可以视作两个矩形发生相交，可简化为所述目标船物理模型的某条矩形边界与所述本船物理模型的某条矩形边界产生相交。通过分析船船会遇场景，识别会遇时所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界。其中，两船在相交时，所述本船物理模型有一条相交边界，作为第一相交边界，所述目标船物理模型有一条相交边界，作为第二相交边界，第一相交边界上的所述本船物理模型的特征点和第二相交边界上所述目标船物理模型的特征点被识别为关键特征点，第一相交边界作为关键边界。因此，将所述目标船物理模型的关键特征点和所述本船物理模型的关键特征点之间的运动趋势变化作为碰撞危险度计算的主要依据。
一种可选的实施方式中，所述目标船的位置方向
Figure 132801DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 45394DEST_PATH_IMAGE002
的角度范围与所述会遇场景之间具有预设的对照关系，通过所述目标船的位置方向
Figure 792770DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 816221DEST_PATH_IMAGE002
的角度范围识别得到的所述本船和所述目标船的会遇场景，以及根据识别出的会遇场景得到的所述多个关键特征点如表1的对照表所示。
表1 目标船的位置方向
Figure 699863DEST_PATH_IMAGE001
、夹角
Figure 783357DEST_PATH_IMAGE002
、会遇场景和关键特征点对照表
Figure 752450DEST_PATH_IMAGE023
Figure 842241DEST_PATH_IMAGE024
上述确定得到的本船的两个关键特征点，可以理解为图2中所示出的特征点p1、p2、p3、p4中得到的，相应的，上述确定得到的目标船的两个关键特征点，可以理解为图3中所示出的特征点t1、t2、t3、t 4中得到的。
还可以理解的是，上述场景中，对遇-驶离表示所述本船和所述目标船对遇且两船对遇后相互驶离，对遇-靠近表示所述本船和所述目标船对遇且两船对遇后相互靠近，船首右交叉表示所述目标船从右边方向与所述本船的船首交叉，船尾右交叉表示所述目标船从右边方向与所述本船的船尾交叉，船首左交叉表示所述目标船从左边方向与所述本船的船首交叉，船尾左交叉表示所述目标船从左边方向与所述本船的船尾交叉，船首右追越表示所述目标船从右边方向追越所述本船的船首，船尾右追越表示所述目标船从右边方向追越所述本船的船尾，船首左追越表示所述目标船从左边方向追越所述本船的船首，船尾左追越表示所述目标船从左边方向追越所述本船的船尾，尾随或被追越-驶离表示所述本船被所述目标船尾随或追越且在所述本船被所述目标船尾随或追越后两船相互驶离，尾随或被追越-靠近表示所述本船被所述目标船尾随或追越且在所述本船被所述目标船尾随或追越后两船相互靠近。
一种可选的实施方式中，所述目标船物理模型确定出两个关键特征点，所述本船物理模型确定出两个关键特征点，
所述根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型，包括：
对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 580390DEST_PATH_IMAGE003
Figure 959419DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 291174DEST_PATH_IMAGE005
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 781061DEST_PATH_IMAGE006
表示S的标准差，
Figure 514662DEST_PATH_IMAGE007
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 330171DEST_PATH_IMAGE008
Figure 883643DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 442801DEST_PATH_IMAGE010
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 30908DEST_PATH_IMAGE011
表示D的标准差，
Figure 751739DEST_PATH_IMAGE012
表示D的均值。
本发明以本船-目标船的相对位置作为输入，设计一个具有两个随机变量的船舶碰撞概率分布模型，如图4所示，两个随机变量分别是：所述目标船物理模型的关键特征点和所述本船物理模型的关键特征点之间的连线沿相对运动方向（所述目标船相对于所述本船的运动方向）和其垂直方向的两个分量。所述目标船物理模型的两个关键特征点中，例如图4所示的关键特征点t1和t2分别作为所述目标船物理模型的第一关键特征点和第二关键特征点，所述本船物理模型的两个关键特征点中，例如图4所示的关键特征点p1和p4分别作为所述本船物理模型的第一关键特征点和第二关键特征点。
对于所述目标船物理模型的第一关键特征点t1，t1其与所述本船物理模型的第一关键特征点p1、第二关键特征点p4之间的连线分别为t1 p1、t1 p4，两个连线t1 p1、t1 p4在相对运动速度方向上的投影分别为S11、S12，两个连线t1 p1、t1 p4在相对运动速度方向的垂直方向上的投影分别为D11、D12。从S11、S12中确定第一随机变量S，从D11、D12中确定第二随机变量D。
可以理解的是，所述投影Smn与碰撞危险度的相关关系为：Min{Smn}，表征横向上的船舶碰撞危险程度，所述投影Smn越小说明航行角度导致的碰撞紧急程度越高，即横向上的实时碰撞概率越高，横向上的碰撞危险度越大。所述投影Dmn与碰撞危险度的相关关系为：Min{Dmn}，表征纵向上的船舶碰撞危险程度，投影Dmn越小说明航行角导致的碰撞严重程度越高，即纵向上的实时碰撞概率越高，纵向上的碰撞危险度越大。因此，从投影中选取最小投影作为随机变量。
一种可选的实施方式中，当所述两个连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影D11和D12正负相反时，所述目标船物理模型的边界与所述本船物理模型的边界相交，
将所述目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在所述相对运动方向上的投影及所述连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影分别作为所述第一随机变量S和所述第二随机变量D，
其中，所述交点表征所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向延长线与所述本船物理模型的边界相交的点。即所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向运动一段时间后，与所述本船物理模型的边界发生相交时的点。
一般来说，Smn和Dmn是所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的关键特征点的连线在相对运动方向和其垂直方向上的投影。但是，当所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点的两个连线在运动方向的垂直方向上的两个投影D11、D12正负相反时，说明该目标船物理模型的边界必然会与所述本船物理模型的边界相交，即所述目标船会与所述本船发生碰撞，此时，以该目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在相对运动速度方向及其垂直方向上的投影分别作为第一随机变量S和第二随机变量D。
其中，根据船舶安全航行的经验要求，S的均值
Figure 182721DEST_PATH_IMAGE007
例如可以取三倍船长（即所述本船的船长），标准差
Figure 155356DEST_PATH_IMAGE006
例如可以取100米。
其中，根据船舶安全航行的经验要求，D的均值
Figure DEST_PATH_IMAGE025
例如可以取一倍船长（即所述本船的船长），标准差
Figure 863549DEST_PATH_IMAGE026
随着所述目标船到所述本船的距离逐渐缩小也相应变小，不宜取常量。所述目标船在距离所述本船60s所对应位置附近时，标准差
Figure 20861DEST_PATH_IMAGE026
可以根据内河船舶航迹预测算法在弯道处的船位残差的标准差来决定，例如可以设定为27米。所述目标船在所述本船附近时，标准差
Figure 548925DEST_PATH_IMAGE026
可以取内河船舶GPS误差的标准差，例如可以设定为10米。
一种可选的实施方式中，
Figure 184306DEST_PATH_IMAGE013
，
式中，TCPA为所述本船和所述目标船的最近会遇时间。
上述标准差
Figure 871639DEST_PATH_IMAGE026
的计算公式可以理解为标准差
Figure 72289DEST_PATH_IMAGE026
优选的确定方式。
一种可选的实施方式中，所述根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度，包括：
所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 212283DEST_PATH_IMAGE014
当所述目标船沿所述相对运动方向向所述本船行驶时，对所述目标船物理模型的每个关键特征点，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型计算对应的碰撞概率：
Figure 526721DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 802982DEST_PATH_IMAGE016
表示所述目标船在当前位置
Figure 177462DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在横向上的碰撞概率分布，
Figure 804753DEST_PATH_IMAGE018
表示所述目标船在当前位置
Figure 922881DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在纵向上的碰撞概率分布；
将对所述目标船物理模型的两个关键特征点计算得到的两个碰撞概率中的较大值作为最终的船舶碰撞危险度P。
需要指出的是，考虑到所述本船和所述目标船经过最近会遇点之后，两船之间在纵向上碰撞危险度较会遇之前下降很多，但由于两船横向距离较近，仍需保持警惕。因此，对纵向船舶碰撞概率分布模型进行调整。分别针对所述目标船物理模型的两个关键特征点，计算碰撞概率P1和P2，取两者之中的较大值作为最终碰撞概率P，碰撞危险度CRI即等于该碰撞概率P，取值范围为0~1。
本发明实施例所述的一种确定内河船舶碰撞危险度的系统，所述系统包括：
物理模型构建模块，用于基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括多个特征点；
关键特征点识别模块，用于根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点；
概率分布模型确定模块，用于根据所述多个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型；
碰撞危险度确定模块，用于根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
一种可选的实施方式中，所述物理模型构建模块包括：
以所述本船的船体中心为原点，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立所述本船的船体坐标系；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述本船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型，该矩形的四个顶点pi作为所述本船物理模型的特征点，其中，i表示所述本船物理模型的特征点的序号，i=1,2,3,4；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点tj作为所述目标船物理模型的特征点，其中，j表示所述目标船物理模型的特征点的序号，j=1,2,3,4。
一种可选的实施方式中，所述关键特征点识别模块，包括：
在所述本船的船体坐标系下，确定所述目标船的位置方向
Figure 319228DEST_PATH_IMAGE001
以及所述目标船艏向与所述目标船的位置方向
Figure 989243DEST_PATH_IMAGE001
之间的夹角
Figure 713617DEST_PATH_IMAGE002
；
根据所述目标船的位置方向
Figure 760070DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 886289DEST_PATH_IMAGE002
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景；
根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点。
一种可选的实施方式中，所述目标船的位置方向
Figure 727206DEST_PATH_IMAGE001
以及所述夹角
Figure 938876DEST_PATH_IMAGE002
的角度范围与所述会遇场景之间具有预设的对照关系，所述关键特征点识别模块包括：
在所述目标船的位置方向
Figure 257862DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-5°且小于或等于5°时：
当所述夹角
Figure 628800DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为对遇且驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 515985DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 605164DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为对遇且靠近场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 600277DEST_PATH_IMAGE001
大于5°且小于或等于112.5°时：
当所述夹角
Figure 91301DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 883808DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 194703DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-112.5°且小于-5°时：
当所述夹角
Figure 996437DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 341968DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左交叉场景，将所述的特征点目标船物理模型t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 570955DEST_PATH_IMAGE001
大于112.5°且小于或等于175°时：
当所述夹角
Figure 103568DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 833626DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 909030DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-175°且小于-112.5°时：
当所述夹角
Figure 167973DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 328827DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p2作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 862576DEST_PATH_IMAGE001
大于或等于-180°且小于-175°或所述目标船的位置方向
Figure 792486DEST_PATH_IMAGE001
大于175°且小于或等于180°时：
当所述夹角
Figure 222330DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为尾随或被追越且两船驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 995114DEST_PATH_IMAGE002
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 942342DEST_PATH_IMAGE002
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为尾随或被追越且靠近场景，所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点。
一种可选的实施方式中，所述目标船物理模型确定出两个关键特征点，所述本船物理模型确定出两个关键特征点， 所述概率分布模型确定模块包括：对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 851392DEST_PATH_IMAGE003
Figure 590153DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 584654DEST_PATH_IMAGE005
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 335572DEST_PATH_IMAGE006
表示S的标准差，
Figure 99129DEST_PATH_IMAGE007
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 136355DEST_PATH_IMAGE008
Figure 493518DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 907182DEST_PATH_IMAGE010
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 666191DEST_PATH_IMAGE011
表示D的标准差，
Figure 874318DEST_PATH_IMAGE012
表示D的均值。
一种可选的实施方式中，当所述两个连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影D11和D12正负相反时，所述目标船物理模型的边界与所述本船物理模型的边界相交，
将所述目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在所述相对运动方向上的投影及所述连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影分别作为所述第一随机变量S和所述第二随机变量D，
其中，所述交点表征所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向延长线与所述本船物理模型的边界相交的点。
一种可选的实施方式中，
Figure 718777DEST_PATH_IMAGE013
，式中，TCPA为所述本船和所述目标船的最近会遇时间。
一种可选的实施方式中，所述碰撞危险度确定模块包括：所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 936132DEST_PATH_IMAGE014
当所述目标船沿所述相对运动方向向所述本船行驶时，对所述目标船物理模型的每个关键特征点，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型计算对应的碰撞概率：
Figure 408702DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 928676DEST_PATH_IMAGE016
表示所述目标船在当前位置
Figure 385065DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在横向上的碰撞概率分布，
Figure 15898DEST_PATH_IMAGE018
表示所述目标船在当前位置
Figure 874132DEST_PATH_IMAGE017
与所述本船在纵向上的碰撞概率分布；
将对所述目标船物理模型的两个关键特征点计算得到的两个碰撞概率中的较大值作为最终的船舶碰撞危险度P。
一种可选的实施方式中，所述船舶碰撞危险度的取值范围为0~1。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种确定内河船舶碰撞危险度的方法，其特征在于，所述方法包括：
基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，分别将覆盖所述本船的船体和所述目标船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型和所述目标船物理模型，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括四个特征点；
根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中分别确定出两个关键特征点；
根据四个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型，包括：
对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 13228DEST_PATH_IMAGE001
Figure 969682DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 647788DEST_PATH_IMAGE003
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 334509DEST_PATH_IMAGE004
表示S的标准差，
Figure 47250DEST_PATH_IMAGE005
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 909027DEST_PATH_IMAGE006
Figure 340008DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 561911DEST_PATH_IMAGE008
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 863579DEST_PATH_IMAGE009
表示D的标准差，
Figure 161837DEST_PATH_IMAGE010
表示D的均值；
根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，包括：
以所述本船的船体中心为原点，沿所述本船的船体纵向指向船艏为y轴，沿所述本船的船体横向指向右为x轴，建立所述本船的船体坐标系；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述本船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型，该矩形的四个顶点pi作为所述本船物理模型的特征点，其中，i表示所述本船物理模型的特征点的序号，i=1,2,3,4；
在所述本船的船体坐标系下，将覆盖所述目标船的船体的最小矩形作为所述目标船物理模型，该矩形的四个顶点tj作为所述目标船物理模型的特征点，其中，j表示所述目标船物理模型的特征点的序号，j=1,2,3,4。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中确定多个关键特征点，包括：
在所述本船的船体坐标系下，确定所述目标船的位置方向
Figure 814535DEST_PATH_IMAGE011
以及所述目标船艏向与所述目标船的位置方向
Figure 840129DEST_PATH_IMAGE012
之间的夹角
Figure 261883DEST_PATH_IMAGE013
；
根据所述目标船的位置方向
Figure 465462DEST_PATH_IMAGE012
以及所述夹角
Figure 871036DEST_PATH_IMAGE013
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景；
根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述目标船的位置方向
Figure 169162DEST_PATH_IMAGE012
以及所述夹角
Figure 711002DEST_PATH_IMAGE013
的角度范围与所述会遇场景之间具有预设的对照关系，
所述根据所述目标船的位置方向
Figure 85482DEST_PATH_IMAGE012
以及所述夹角
Figure 712773DEST_PATH_IMAGE013
所在的角度范围，识别所述本船和所述目标船的会遇场景，根据识别出的会遇场景，确定所述本船和所述目标船会遇时，所述本船物理模型和所述目标船物理模型的相交边界，将所述相交边界上的所述本船物理模型的特征点和所述目标船物理模型的特征点确定为所述多个关键特征点，包括：
在所述目标船的位置方向
Figure 77239DEST_PATH_IMAGE012
大于或等于-5°且小于或等于5°时：
当所述夹角
Figure 739165DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为对遇且驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 284547DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 133554DEST_PATH_IMAGE014
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为对遇且靠近场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 304641DEST_PATH_IMAGE012
大于5°且小于或等于112.5°时：
当所述夹角
Figure 821073DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 537356DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 873660DEST_PATH_IMAGE012
大于或等于-112.5°且小于-5°时：
当所述夹角
Figure 582859DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左交叉场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p1和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 953797DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左交叉场景，将所述的特征点目标船物理模型t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 840982DEST_PATH_IMAGE012
大于112.5°且小于或等于175°时：
当所述夹角
Figure 930161DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船首右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p3和p4作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 177471DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船尾右追越场景，所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 668495DEST_PATH_IMAGE012
大于或等于-175°且小于-112.5°时：
当所述夹角
Figure 726581DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于0°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为船尾左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t1和t2以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 37477DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于或等于0°时，所述会遇场景识别为船首左追越场景，将所述目标船物理模型的特征点t3和t4以及所述本船物理模型的特征点p1和p2作为关键特征点；
在所述目标船的位置方向
Figure 91408DEST_PATH_IMAGE012
大于或等于-180°且小于-175°或所述目标船的位置方向
Figure 436939DEST_PATH_IMAGE015
大于175°且小于或等于180°时：
当所述夹角
Figure 665926DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-90°且小于或等于90°，所述会遇场景识别为尾随或被追越且两船驶离场景，将所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点；
当所述夹角
Figure 464118DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于-180°且小于-90°或所述夹角
Figure 318810DEST_PATH_IMAGE013
大于90°且小于或等于180°时，所述会遇场景识别为尾随或被追越且靠近场景，所述目标船物理模型的特征点t2和t3以及所述本船物理模型的特征点p2和p3作为关键特征点。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当所述两个连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影D11和D12正负相反时，所述目标船物理模型的边界与所述本船物理模型的边界相交，
将所述目标船物理模型的关键特征点与交点的连线在所述相对运动方向上的投影及所述连线在所述相对运动方向的垂直方向上的投影分别作为所述第一随机变量S和所述第二随机变量D，
其中，所述交点表征所述目标船物理模型的关键特征点沿所述相对运动方向延长线与所述本船物理模型的边界相交的点。
6.如权利要求1所述的方法，其中，
Figure 253268DEST_PATH_IMAGE016
，式中，TCPA为所述本船和所述目标船的最近会遇时间。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度，包括：
所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 918736DEST_PATH_IMAGE017
当所述目标船沿所述相对运动方向向所述本船行驶时，对所述目标船物理模型的每个关键特征点，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和所述调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型计算对应的碰撞概率：
Figure 938644DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 472394DEST_PATH_IMAGE019
表示所述目标船在当前位置
Figure 651571DEST_PATH_IMAGE020
与所述本船在横向上的碰撞概率分布，
Figure 346995DEST_PATH_IMAGE021
表示所述目标船在当前位置
Figure 995145DEST_PATH_IMAGE020
与所述本船在纵向上的碰撞概率分布；
将对所述目标船物理模型的两个关键特征点计算得到的两个碰撞概率中的较大值作为最终的船舶碰撞危险度P。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述船舶碰撞危险度的取值范围为0~1。
9.一种确定内河船舶碰撞危险度的系统，其特征在于，所述系统包括：
物理模型构建模块，用于基于本船和目标船的尺寸，分别构建本船物理模型和目标船物理模型，其中，分别将覆盖所述本船的船体和所述目标船的船体的最小矩形作为所述本船物理模型和所述目标船物理模型，所述本船物理模型和所述目标船物理模型分别包括四个特征点；
关键特征点识别模块，用于根据所述本船和所述目标船之间的相对运动态势和位置关系识别会遇场景，根据识别出的会遇场景，从所述本船物理模型和所述目标船物理模型的多个特征点中分别确定出两个关键特征点；
概率分布模型确定模块，用于根据四个关键特征点之间的相对位置确定随机变量，并基于所述随机变量构建横向船舶碰撞概率分布模型和纵向船舶碰撞概率分布模型，包括：
对所述目标船物理模型的每个关键特征点，分别确定所述目标船物理模型的关键特征点与所述本船物理模型的两个关键特征点之间的两个连线；
确定所述两个连线在相对运动速度方向上的投影Smn以及在所述相对运动方向的垂直方向上的投影Dmn，其中，m表示所述目标船物理模型的关键特征点的序号，m=1,2，n表示所述本船物理模型的关键特征点的序号，n=1,2；
从所述投影Smn中选取最小投影作为第一随机变量S，从所述投影Dmn中选取最小投影作为第二随机变量D；
基于所述第一随机变量S，构建横向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 67006DEST_PATH_IMAGE001
Figure 100690DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 232594DEST_PATH_IMAGE003
表示横向上的碰撞概率分布，
Figure 102461DEST_PATH_IMAGE004
表示S的标准差，
Figure 978013DEST_PATH_IMAGE005
表示S的均值；
基于所述第二随机变量D，构建纵向船舶碰撞概率分布模型为：
Figure 863274DEST_PATH_IMAGE006
Figure 166079DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 523243DEST_PATH_IMAGE008
表示纵向上的碰撞概率分布，
Figure 936906DEST_PATH_IMAGE009
表示D的标准差，
Figure 945183DEST_PATH_IMAGE010
表示D的均值；
碰撞危险度确定模块，用于根据所述本船和所述目标船之间会遇时间的变化，动态调整所述纵向船舶碰撞概率分布模型，基于所述横向船舶碰撞概率分布模型和调整后的纵向船舶碰撞概率分布模型，确定船舶碰撞危险度。
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