CN114387824B - 一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶避碰技术领域，公开了一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法，包括以下步骤：根据船舶感知和导航系统获取本船和会遇船的速度、航向、位置等信息，计算最小会遇时间；根据计算的最小会遇时间判断是否存在碰撞危险；若不存在碰撞危险，则本船不采取避碰措施，继续沿着原有轨迹航行；若存在碰撞危险，则以本船为中心构建避碰转向判定模型，确定符合国际海上避碰规则要求的转向范围。本发明构建了一种符合国际海上避碰规则的船舶避碰转向判定方法，解决了船舶在遇到碰撞危险时，如何将符合国际海上避碰规则中的转向义务快速转化为数字化避碰转向问题，提高了船舶航行的规范程度和安全性。

Description

一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法
技术领域
本发明属于船舶避碰技术领域，具体涉及一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法。
背景技术
大量事故案例显示，造成船舶海上航行安全事故的主要原因是船舶与障碍物的碰撞。国际海上避碰规则(International Regulations for Preventing Collisions atSea，COLREGS)，是为防止、避免海上船舶之间的碰撞，由国际海事组织制订的海上交通规则。其中定义了船舶间具有碰撞危险时，各个船只的义务避碰转向。有研究显示，大约50％的海上事故是由人为错误操作引起的，另外30％的事故是由人类发现和预防的。究其原因，首先，存在船舶在航行过程中未检测到突发障碍物的情况；其次，即使检测到突发障碍物，但由于其运动方向和速度处在不断变化中，因此造成环境不确定性增强，这直接导致人们需要在复杂的约束分类对船舶所处的避碰环境进行确定后，才能确定当前所能采取的避碰转向，耗费了较多的时间，降低了船舶的安全性；再次，国际海上避碰规则对船只在避碰中的转向义务只有语义描述，在实际船舶避让过程中，海员通常做法、驾驶员实际操船经验等会对具体决策方案和船舶的避碰效果产生明显影响。因此，针对国际海上避碰规则规定的几种场景下的义务避碰转向行为，如何简洁明了的将其转化为数字化的约束关系以辅助判断是一个非常关键的问题，既可以保证船舶航行的规范性，也可以有效的降低碰撞危险。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法，包括以下步骤：
(1)利用本船的感知和导航系统实时探测本船和动态会遇船的船舶信息；
(2)利用步骤(1)中获得的船舶信息，计算本船和会遇船的会遇参数，判断本船和会遇船是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则进入步骤(3)；若无碰撞危险，则沿既定航线继续航行，返回步骤(1)；
(3)以本船和会遇船为中心建立船舶避碰转向判定模型，确定当前时刻本船的避碰义务转向。
优选地，步骤(1)所述中感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统。
更加优选地，所述姿态感测装置可以实时监测本船的速度、航向信息；导航系统、雷达感测装置、声纳感测系统可以侦测本船的位置，动态会遇船的船身尺寸、航速、航向、位置等信息。
更加优选地，所述感知和导航系统对获得的信息进行数据筛选、处理和融合，实现本船的姿态感知、目标识别、目标跟踪以及目标融合，得到本船除船身长度和船身宽度等船舶已知固定信息外本船的动态信息，以及动态会遇船只的大小、位置、航速、航向信息。
优选地，步骤(1)中所述船舶信息包括本船的航速、航向、位置信息，以及动态会遇船的船身尺寸、航速、航向、位置信息。
优选地，步骤(2)中所述判断本船和会遇船是否存在碰撞危险的具体步骤为：
(2a)根据步骤(1)所获得的本船和会遇船的船舶信息，获得本船和会遇船之间的相对距离矢量Rr，本船和会遇船之间的相对速度矢量Vr，以及Rr与Vr的夹角α，计算最小会遇时间TCPA，计算公式为：
Figure BDA0003468283340000021
(2b)根据本船自身的操控精度及环境参数，设定避碰时间阈值S；
(2c)当TCPA＜S时，本船与会遇船存在碰撞危险；当TCPA≥S时，本船与会遇船没有碰撞危险。
优选地，所述步骤(2a)中获得Rr、Vr和α的计算过程为：取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-XY，取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-X轴正方向，取空间中与O和O-X轴在同一水平面指向正北方向为O-Y轴正方向，然后计算Rr、Vr和α，计算公式为：
Rr＝(xm-xn,ym-yn)；
Vm＝(vmcosθm,vmsinθm)；
Vn＝(vncosθn,vnsinθn)；
Vr＝Vn-Vm；
Figure BDA0003468283340000031
式中，(xm,ym)为本船中心位置坐标，vm为本船航速，θm为本船航向，Vm为本船速度矢量，(xn,yn)为会遇船中心位置坐标，vn为会遇船航速，θn为会遇船航向，Vn为会遇船速度矢量。
优选地，所述步骤(3)的具体步骤为：在会遇船的中心建立垂直海面向上的避碰旋转单位矢量rn，在本船中心建立2个旋转矢量cmn、Bmn，然后获得旋转矢量Fmn，确定Fmn的方向为当前时刻本船的避碰义务转向，其中，cmn、Bmn、Fmn的计算公式为：
cmn＝Rr×rn；
Bmn＝cmn×Vn；
Fmn＝Vm×Bmn；
式中，Rr为本船和会遇船之间的相对距离矢量，Vm、Vn分别为本船和会遇船的速度矢量。
优选地，船舶在互见中追越时，所述判定模型适用于本船处于被追越状态下的转向判定。
本发明第二方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的避碰转向判定方法。
本发明第三方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的避碰转向判定方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明利用向量法设计了一种符合国际海事规则的避碰转向判定方法，可引导船舶与存在相对运动的他船，在会遇前将采集的信息转化为数字化约束关系，以进行有效预测和转向判定，便于采取快捷、有效的避让手段，为船舶提供了安全可靠且符合国际海上避碰规则的避碰转向，保证了船舶航行的规范性和安全性。本发明判定方法一方面缩短了判定时间，主要利用感知和导航系统全面采集本船与他船的有效信息进行数字化处理，判定时间远少于人为判定；另一方面所述判定结果更加准确，能够有效避免人为误判对船舶航向的影响，以避免不必要的事故发生。
附图说明
图1为本发明判定方法的执行流程图；
图2为本发明最小会遇时间TPCA计算示意图；
图3为本发明判定方法在对遇局面下的判定示意图；
图4为本发明判定方法在右船舷交叉相遇局面下的判定示意图；
图5为本发明判定方法在左船舷交叉相遇局面下的判定示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例结合附图，对本发明作进一步详细说明。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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本发明实施例提供一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)利用本船的感知和导航系统实时探测本船和动态会遇船的船舶信息。
所述中感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统等子系统，通过对子系统获得的信息进行数据筛选、处理和融合，实现本船的姿态感知、目标识别、目标跟踪以及目标融合，得到本船除船身长度和船身宽度等船舶已知固定信息外本船的动态信息，以及动态会遇船只的大小、位置、航速、航向等信息。
其中，所述姿态感测装置可以实时监测本船的航速vm、航向θm；导航系统、雷达感测装置、声纳感测系统可以侦测本船的位置坐标(xm,ym)，动态会遇船的船身尺寸、航速vn、航向θn、位置坐标(xn,yn)等信息。所述本船和会遇船的位置坐标建立在大地惯性坐标系O-XY中，坐标系O-XY的建立过程为：取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-XY，取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-X轴正方向，取空间中与O和O-X轴在同一水平面指向正北方向为O-Y轴正方向。
(2)利用步骤(1)中获得的船舶信息，计算本船和会遇船的会遇参数，判断本船和会遇船是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则进入步骤(3)；若无碰撞危险，则沿既定航线继续航行，返回步骤(1)。具体为：
根据步骤(1)所获得的本船的航行状态信息(xm,ym)、vm、θm和会遇船信息(xn,yn)、vn、θn，计算获得本船和会遇船之间的相对距离矢量Rr，本船和会遇船之间的相对速度矢量Vr，以及Rr与Vr的夹角α，如图2所示，计算公式为：
Rr＝(xm-xn,ym-yn)；
Vm＝(vmcosθm,vmsinθm)；
Vn＝(vncosθn,vnsinθn)；
Vr＝Vn-Vm；
Figure BDA0003468283340000051
式中，(xm,ym)为本船中心位置坐标，vm为本船航速，θm为本船航向，Vm为本船速度矢量，(xn,yn)为会遇船中心位置坐标，vn为会遇船航速，θn为会遇船航向，Vn为会遇船速度矢量。
通过Rr、Vr和夹角α计算最小会遇时间TCPA，计算公式为：
Figure BDA0003468283340000052
然后根据本船自身的操控精度及环境参数，设定避碰时间阈值S；最后判断最小会遇时间TCPA和避碰时间阈值S的大小：若TCPA＜S，则本船与会遇船存在碰撞危险，进入步骤(3)；若TCPA≥S，则无碰撞危险，本船沿既定航线继续航行，返回步骤(1)。
(3)以本船和会遇船为中心建立船舶避碰转向判定模型，确定当前时刻本船的避碰义务转向。具体为：以本船为中心建立判断坐标系，在会遇船的中心建立垂直海面向上的避碰旋转单位矢量rn，通过以下公式计算以本船为中心建立的3个旋转矢量cmn、Bmn、Fmn，最后确定Fmn的方向为当前时刻本船的避碰义务转向。
其中，cmn、Bmn、Fmn的计算公式为：
cmn＝Rr×rn；
Bmn＝cmn×Vn；
Fmn＝Vm×Bmn；
式中，Rr为本船和会遇船之间的相对距离矢量，Vm、Vn分别为本船和会遇船的速度矢量。
根据《国际海上避碰规则》结合本船航行情况及会遇船驶来的方位，将会遇局势划分为对遇局面、右船舷交叉相遇局面、左船舷交叉相遇局面、被追越状态等4种冲突局面，依照《国际海上避碰规则》判断本船在具有碰撞危险时处于被动位置下的义务行为具体为：
A(对遇局面)：当会遇船与本船航向相反或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，根据国际海上避碰规则中关于对遇局面相关规定，各自应向右转向，从对方左船舷驶过；此时本船为让路船，因此应采取右转等措施避让会遇船。
B(右船舷交叉相遇局面)：当会遇船与本船的船首方向交叉，会遇船位于本船的右侧位置触发碰撞危险时，根据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面相关规定，有他船在本船右舷的船舶应给他船让路；此时本船为让路船，因此应采取右转向等措施避让会遇船。
C(左船舷交叉相遇局面)：当会遇船与本船的船首方向交叉，会遇船位于本船的左侧位置触发碰撞危险时，根据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面相关规定，不应对在本船左舷的船采取向左转；此时本船为直航船，因此应保持直行或右转等措施避让会遇船。
D(被追越状态)：当会遇船从本船的正横后大于22.5°的任一方向上赶上本船触发碰撞危险时，即认为本船处于被追越中，根据国际海上避碰规则中关于互见中追越的相关规定，会遇船需要进行相应避碰操作，应给被追越船让路；此时本船为直航船，因此应采取保持航向、航速正常航行或在必要时采取最有助于避碰的行动。
为验证本发明判定方法符合《国际海上避碰规则》，以本船为中心建立判断坐标系，使用本发明判定方法分别针对以上4种冲突局面进行讨论：
如图3中对遇局面下，会遇船在本船航向的正前方，航向接近相反，在本实施例中判定本船应采取右转向避让策略(此时Fmn指向右侧)，符合国际海上避碰规则要求。
如图4中右船舷交叉相遇局面下，会遇船从本船航行右前方接近本船，在本实施例中判定本船应采取右转向避让策略(此时Fmn指向右侧)，符合国际海上避碰规则要求。
如图5中左船舷交叉相遇局面下，会遇船从本船航行左前方接近本船，在本实施例中判定本船应采取右转向避让策略(此时Fmn指向右侧)，本发明将直行看作是右转的一种特殊情况，本船右转向避让会遇船仍符合国际海上避碰规则要求。
本船在互见中被追越状态下，会遇船从本船航行正横后大于22.5°的任一方向上接近本船，在本实施例中判定本船应采取右转向避让策略(此时Fmn指向右侧)，本发明将直行看作是右转的一种特殊情况，本船右转向避让会遇船仍符合国际海上避碰规则要求。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的不足，且具高度产业利用价值。上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (6)

1.一种符合国际海上避碰规则的避碰转向判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用本船的感知和导航系统实时探测本船和动态会遇船的船舶信息；
（2）利用步骤（1）中获得的船舶信息，计算本船和会遇船的会遇参数，判断本船和会遇船是否存在碰撞危险；若存在碰撞危险，则进入步骤（3）；若无碰撞危险，则沿既定航线继续航行，返回步骤（1）；
（3）以本船和会遇船为中心建立船舶避碰转向判定模型，确定当前时刻本船的避碰义务转向；
步骤（2）中所述判断本船和会遇船是否存在碰撞危险的具体步骤为：
（2a）根据步骤（1）所获得的本船和会遇船的船舶信息，获得本船和会遇船之间的相对距离矢量
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，本船和会遇船之间的相对速度矢量/>
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；
（2b）根据本船自身的操控精度及环境参数，设定避碰时间阈值S；
（2c）当TCPA＜S时，本船与会遇船存在碰撞危险；当TCPA≥S时，本船与会遇船没有碰撞危险；
步骤（2a）中获得
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Figure QLYQS_9
的计算过程为：取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-XY，取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-X轴正方向，取空间中与O和O-X轴在同一水平面指向正北方向为O-Y轴正方向，然后计算/>
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，在本船中心建立2个旋转矢量/>
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Figure QLYQS_38
、/>
Figure QLYQS_39
分别为本船和会遇船的速度矢量。
2.根据权利要求1所述的避碰转向判定方法，其特征在于，步骤（1）中所述船舶信息包括本船的航速、航向、位置信息，以及动态会遇船的船身尺寸、航速、航向、位置信息。
3.根据权利要求1所述的避碰转向判定方法，其特征在于，船舶在互见中追越时，所述判定模型适用于本船处于被追越状态下的转向判定。
4.根据权利要求1所述的避碰转向判定方法，其特征在于，步骤（1）所述感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统。
5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一所述的避碰转向判定方法。
6.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一所述的避碰转向判定方法。
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