CN113436466A - 一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法，该方法包括以下步骤：1)设置待评估船的位置、速度和航向，设计模拟船的位置、速度和航向；2)通过待评估船应用的自动避碰算法计算出两船的相对距离、安全会遇距离SDA、DCPA、最小会遇时间TCPA；3)通过待评估船应用的自动避碰算法根据计算结果判断待评估船和模拟船是否形成交叉会遇局面，并进一步判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险；4)根据步骤3)中的过程获得整个避碰流程中的各项评价指标数据数值；5)根据步骤4)中评价指标数据和对应预设的权值，实现对船舶智能航行避碰效能的验证。本发明方法为定量评估船舶智能航行避碰效能提供了理论和工程依据。

Description

一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法

技术领域

本发明涉及船舶智能化技术，尤其涉及一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法。

背景技术

船舶智能航行是指利用先进的信息感知技术和信息融合技术感知和获取船舶航行所需的状态信息，并通过计算机技术、控制技术进行分析和处理，为船舶的航行提供航速和航路优化方案以及自动避碰的决策建议，并在一定的条件下自动执行，使船舶能够在开阔水域、狭窄水道、进出港口，靠离码头等不同航行场景和复杂环境条件下实现自主航行。具备自主航行能力的船舶能够根据感知和获得的航行场景信息进行分析决策，按预定航线控制推进和操纵系统，并能按《1972年国际海上避碰规则》要求实施避碰决策和操作，在与其他船舶会遇时，本船应该正确判断会遇局面以及是否有碰撞危险，如果有碰撞危险并且本船是让路船的情况下，本船应该按照避碰规则的要求采取避让措施，避免船舶之间碰撞。

现阶段国内、外还没有一套较为成熟的、针对智能航行中自动避碰的验证评估方法，导致智能船舶在正式投入运营之前需要在真实环境下进行密集的、长时间的反复实船测试，并根据测试结果、结合相关国际、国内水上交通法律、法规同步进行自动避碰功能的修改和完善，整个验证评估过程长、修改完善难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法，包括以下步骤：

1)设置待评估船的位置、速度和航向，设计模拟船的位置、速度和航向；

2)通过待评估船应用的自动避碰算法计算出两船的相对距离、安全会遇距离SDA、DCPA、最小会遇时间TCPA；

3)通过待评估船应用的自动避碰算法根据计算结果判断待评估船和模拟船是否形成交叉会遇局面，并进一步判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则依次进行如下步骤：判断是否要采取避碰行动；确定采取避碰行动的时机；确定避让行动的方式；当两船驶过让清时复航；否则，重新返回步骤1)，重新设置待评估船的以及模拟船的位置、速度和航向；

4)根据步骤3)中的过程获得整个避碰流程中的各项评价指标数据数值，所述评价指标数据如下：安全航速、局面判断、碰撞危险判断、责任判断、避碰行动方式、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航、号灯号型显示、行动声号；

对于指标数据中的“局面判断”、“碰撞危险判断”、“责任判断”、“避碰行动方式”、“号灯号型显示”、“行动声号”，根据待评估船应用的自动避碰算法采用的避碰行为的内在逻辑关系判断执行是否正确，如果正确赋值为1，否则赋值为0；

计算评价指标数据中的安全航速、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航；

5)根据步骤4)中评价指标数据和对应预设的权值，实现对船舶智能航行避碰效能的验证。

按上述方案，所述步骤4)评价指标中避碰行动时机计算方式如下：

考虑两船距离和TCPA，建立适合船舶避碰考核评估的行动时机隶属度函数，采取行动时两船距离和TCPA的权重及标准值为预设值；

μ(t)＝μ(t_tcpa)×ω₁+μ(t_dis)×ω₂

其中，t、d分别为避碰行动时TCPA及两船距离，t_s、d_s分别为行动时TCPA及两船距离的标准值，k₁、k₂分别为TCPA和两船距离的隶属度参数，μ(t_tcpa)和μ(t_dis)分别为TCPA和两船距离的隶属度函数，ω₁、ω₂分别为TCPA和两船距离隶属度函数的权重，μ(t)为行动时机评价指标的隶属度函数。

按上述方案，所述步骤4)中安全航速评价指标计算方式如下：

安全航速的标准值为经验值；

其中，v_sp为安全航速操作值，μ(v_sp)为安全航速隶属度函数，v_s为安全航速标准值，k为隶属度参数。

按上述方案，所述步骤4)中避碰幅度的计算如下：

其中，μ(Δ)是避碰幅度隶属度函数，Δ为避碰行动的幅度，Δ_min和Δ_max分别是行动幅度允许的最小值与最大值，c是调整参数。

按上述方案，所述步骤4)中避碰过程的计算如下：

其中，

为转至预定航向所经历的航向改变的次数，

为第i次航向变化符合避碰规则中小幅度含义的标志量，

和

分别为避碰规则中小幅度含义的最小值与最大值，j为统计航向的时间间隔，k为隶属度参数。

按上述方案，所述步骤4)中避碰效果的计算如下：

两船的最小安全会遇距离DCPA表示避碰的效果，条件允许的情况下，两船应保持在1海里以上通过，即

其中，μ(d_r)为避碰效果隶属度函数，d_r为避碰行动后的最小会遇距离，d_rs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

按上述方案，所述步骤4)中复航的计算如下：

其中，μ(d_b)为避碰效果隶属度函数，d_b为避碰行动后的最小会遇距离，d_bs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

按上述方案，所述步骤5)中预设的权值采用层次分析法确定。

根据指标间的内部逻辑关系，由于评估的侧重点是船舶避碰，因此，“避碰行动前判断”、“避碰行动”二者的重要性高于“航行”；“避碰行动前判断”与“避碰行动”二者的重要性相当，缺一不可。“避碰行动前判断”的下一级评价指标之间的重要性程度相当；“避碰行动”的下一级评价指标中“号灯号型显示”及“行动声号”的重要性要弱于其他评价指标。据此，根据层次分析法计算每个评价指标权重为(0.2，0.1，0.1，0.1，0.1，0.067，0.067，0.067，0.067，0.067，0.033，0.033)。经一致性检验，RI＝0.888,CR＜0.1，符合一致性检验要求。

建立船舶避碰考核评估流程，根据能见度情况，区分能见度不良与互见两种情况，并根据能见度不良的避碰规则与互见中的避碰规则进行接下来的流程。针对互见中的避碰，第一，会遇局面及碰撞危险判断；第二，判断是否需要采取行动；第三，行动时机的判断；第四，避碰方式的选择以及避碰幅度；第五，避碰过程监控；第六，复航。记录下每一个步骤中的数据，作为相应评价指标的评估数据。

本发明产生的有益效果是：

本发明提出一种自动避碰的验证评估方法，为定量评估船舶智能航行自动避碰效能提供了较强的理论和工程依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的开阔水域数字化验证评估试验会遇态势图；

图3是本发明实施例的开阔水域数字化验证评估试验航行轨迹图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法，包括以下步骤：

1)设置待评估船的位置、速度和航向，设计模拟船的位置、速度和航向；

2)通过待评估船应用的自动避碰算法计算出两船的相对距离、安全会遇距离SDA、DCPA、最小会遇时间TCPA；

3)通过待评估船应用的自动避碰算法根据计算结果判断待评估船和模拟船是否形成交叉会遇局面，并进一步判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则依次进行如下步骤：判断是否要采取避碰行动；确定采取避碰行动的时机；确定避让行动的方式；当两船驶过让清时复航；否则，重新返回步骤1)，重新设置待评估船的以及模拟船的位置、速度和航向；

4)根据步骤3)中的过程获得整个避碰流程中的各项评价指标数据数值，所述评价指标数据如下：安全航速、局面判断、碰撞危险判断、责任判断、避碰行动方式、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航、号灯号型显示、行动声号；

对于指标数据中的“局面判断”、“碰撞危险判断”、“责任判断”、“避碰行动方式”、“号灯号型显示”、“行动声号”，根据待评估船应用的自动避碰算法采用的避碰行为的内在逻辑关系判断执行是否正确，如果正确赋值为1，否则赋值为0；

计算评价指标数据中的安全航速、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航；

5)根据步骤4)中评价指标数据和对应预设的权值，实现对船舶智能航行避碰效能的验证。

步骤4)评价指标中避碰行动时机计算方式如下：

考虑两船距离和TCPA，建立适合船舶避碰考核评估的行动时机隶属度函数，采取行动时两船距离和TCPA的权重及标准值为预设值；

μ(t)＝μ(t_tcpa)×ω₁+μ(t_dis)×ω₂

其中，t、d分别为避碰行动时TCPA及两船距离，t_s、d_s分别为行动时TCPA及两船距离的标准值，k₁、k₂分别为TCPA和两船距离的隶属度参数，μ(t_tcpa)和μ(t_dis)分别为TCPA和两船距离的隶属度函数，ω₁、ω₂分别为TCPA和两船距离隶属度函数的权重，μ(t)为行动时机评价指标的隶属度函数。

步骤4)中安全航速评价指标计算方式如下：

安全航速的标准值为经验值；

其中，v_sp为安全航速操作值，μ(v_sp)为安全航速隶属度函数，v_s为安全航速标准值，k为隶属度参数。

步骤4)中避碰幅度的计算如下：

其中，μ(Δ)是避碰幅度隶属度函数，Δ为避碰行动的幅度，Δ_min和Δ_max分别是行动幅度允许的最小值与最大值，c是调整参数。

步骤4)中避碰过程的计算如下：

其中，

为转至预定航向所经历的航向改变的次数，

为第i次航向变化符合避碰规则中小幅度含义的标志量，

和

分别为避碰规则中小幅度含义的最小值与最大值，j为统计航向的时间间隔，k为隶属度参数。

步骤4)中避碰效果的计算如下：

两船的最小安全会遇距离DCPA表示避碰的效果，条件允许的情况下，两船应保持在1海里以上通过，即

其中，μ(d_r)为避碰效果隶属度函数，d_r为避碰行动后的最小会遇距离，d_rs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

步骤4)中复航的计算如下：

其中，μ(d_b)为避碰效果隶属度函数，d_b为避碰行动后的最小会遇距离，d_bs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

步骤5)中预设的权值采用层次分析法确定。

根据指标间的内部逻辑关系，由于评估的侧重点是船舶避碰，因此，“避碰行动前判断”、“避碰行动”二者的重要性高于“航行”；“避碰行动前判断”与“避碰行动”二者的重要性相当，缺一不可。“避碰行动前判断”的下一级评价指标之间的重要性程度相当；“避碰行动”的下一级评价指标中“号灯号型显示”及“行动声号”的重要性要弱于其他评价指标。据此，根据层次分析法计算每个评价指标权重为(0.2，0.1，0.1，0.1，0.1，0.067，0.067，0.067，0.067，0.067，0.033，0.033)。经一致性检验，RI＝0.888,CR＜0.1，符合一致性检验要求。

一个实例：

设被考核船位置37°05′09″N 123°08′04″E，速度14.1kn，航向130°；模拟船位置37°00′59″N 123°11′05″E，速度12.5kn，航向0°。

态势分析：被考核船自动避碰算法应能计算出两船的运动速度和相对运动航向，被考核船与模拟船的相对距离4.81nm，安全会遇距离SDA是1.21nm，DCPA＝0.28nm，TCPA＝11.95min。自动避碰算法根据计算结果判断出被考核船与模拟船形成交叉会遇局面，并存在碰撞危险。如图2所示，被考核船位于模拟船左舷，模拟船位于被考核船右舷。根据《1972年国际海上避碰规则》条款规定，模拟船是直航船，有保向保速航行的义务；被考核船是让路船，应当采取有效避让措施。假设被考核船自动避碰算法根据当前态势采取向右改向30°的避让措施，并调用避让施舵时机数学模型计算出避让时机为1.1min，预测避让后的DCPA为1.24nm，复航时机为9.6min。模拟船是直航船，原则上可以保向保速，但是为保证试验的真实性，同时为了确保目标船不采取有效避让措施情况下避免两船陷入紧迫局面，模拟船也可以生成避碰决策方案，避让时机6min为其最晚施舵时机，向右改向的避让幅度是90°，即如果目标船没有履行避让义务的情况下，模拟船在其最晚施舵时机到来时可以采取迅速向右改向90°的避让措施。由于被考核船是自动避让状态下的让路船，其避让时机比模拟船早，被考核船在1.1min后先采取向右改向30°的避让措施，当其航向稳定后，被考核船与模拟船的DCPA＝1.4nm，不存在碰撞危险，模拟船履行保向保速的义务。被考核船在其复航时机9.6min到达之后预测复航后与模拟船的DCPA为1.29nm，复航不构成危险，模拟船开始恢复航向，最后被考核船与模拟船的DCPA是1.19nm。试验的航行轨迹图如图3所示。

通过建立船舶避碰考核评估流程，根据能见度情况，区分能见度不良与互见两种情况，并根据能见度不良的避碰规则与互见中的避碰规则进行接下来的流程。针对互见中的避碰，第一，会遇局面及碰撞危险判断；第二，判断是否需要采取行动；第三，行动时机的判断；第四，避碰方式的选择以及避碰幅度；第五，避碰过程监控；第六，复航。记录下每一个步骤中的数据，作为相应评价指标的评估数据。

在试验过程中对被考核船实施的安全航速、局面判断、碰撞危险判断、责任判断、避碰行动方式、行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航、号灯号型显示、行动声号等验证评价指标进行监控，然后运用本发明方法可以实现对智能船舶自动避碰效能更加全面的验证评估。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置待评估船的位置、速度和航向，设计模拟船的位置、速度和航向；

2)通过待评估船应用的自动避碰算法计算出两船的相对距离、安全会遇距离SDA、DCPA、最小会遇时间TCPA；

3)通过待评估船应用的自动避碰算法根据计算结果判断待评估船和模拟船是否形成交叉会遇局面，并进一步判断是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则依次进行如下步骤：判断是否要采取避碰行动；确定采取避碰行动的时机；确定避让行动的方式；当两船驶过让清时复航；否则，重新返回步骤1)，重新设置待评估船的以及模拟船的位置、速度和航向；

4)根据步骤3)中的过程获得整个避碰流程中的各项评价指标数据数值，所述评价指标数据如下：安全航速、局面判断、碰撞危险判断、责任判断、避碰行动方式、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航、号灯号型显示、行动声号；

对于指标数据中的“局面判断”、“碰撞危险判断”、“责任判断”、“避碰行动方式”、“号灯号型显示”、“行动声号”，根据待评估船应用的自动避碰算法采用的避碰行为的内在逻辑关系判断执行是否正确，如果正确赋值为1，否则赋值为0；

计算评价指标数据中的安全航速、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航；

5)根据步骤4)中评价指标数据和对应预设的权值，实现对船舶智能航行避碰效能的验证。

2.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中避碰行动时机计算方式如下：

考虑两船距离和TCPA，建立适合船舶避碰考核评估的行动时机隶属度函数，采取行动时两船距离和TCPA的权重及标准值为预设值；

μ(t)＝μ(t_tcpa)×ω₁+μ(t_dis)×ω₂

其中，t、d分别为避碰行动时TCPA及两船距离，t_s、d_s分别为行动时TCPA及两船距离的标准值，k₁、k₂分别为TCPA和两船距离的隶属度参数，μ(t_tcpa)和μ(t_dis)分别为TCPA和两船距离的隶属度函数，ω₁、ω₂分别为TCPA和两船距离隶属度函数的权重，μ(t)为行动时机评价指标的隶属度函数。

3.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中安全航速评价指标计算方式如下：

安全航速的标准值为经验值；

其中，v_sp为安全航速操作值，μ(v_sp)为安全航速隶属度函数，v_s为安全航速标准值，k为隶属度参数。

4.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中避碰幅度的计算如下：

其中，μ(Δ)是避碰幅度隶属度函数，Δ为避碰行动的幅度，Δ_min和Δ_max分别是行动幅度允许的最小值与最大值，c是调整参数。

5.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中避碰过程的计算如下：

其中，

为转至预定航向所经历的航向改变的次数，

为第i次航向变化符合避碰规则中小幅度含义的标志量，

和

分别为避碰规则中小幅度含义的最小值与最大值，j为统计航向的时间间隔，k为隶属度参数。

6.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中避碰效果的计算如下：

两船的最小安全会遇距离DCPA表示避碰的效果，条件允许的情况下，两船应保持在1海里以上通过，即

其中，μ(d_r)为避碰效果隶属度函数，d_r为避碰行动后的最小会遇距离，d_rs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

7.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤4)评价指标中复航的计算如下：

其中，μ(d_b)为避碰效果隶属度函数，d_b为避碰行动后的最小会遇距离，d_bs为避碰行动效果的标准值，k为隶属度参数。

8.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤5)中预设的权值采用层次分析法确定。

9.根据权利要求1所述的船舶智能航行避碰效能验证评估方法，其特征在于，所述步骤5)中安全航速、局面判断、碰撞危险判断、责任判断、避碰行动方式、避碰行动时机、避碰幅度、避碰过程、避碰效果、复航、号灯号型显示、行动声号预设的权值依次为：0.2，0.1，0.1，0.1，0.1，0.067，0.067，0.067，0.067，0.067，0.033，0.033。

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