CN114444315B - 一种船舶避台航线模拟方法及系统 - Google Patents

一种船舶避台航线模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种船舶避台航线模拟方法及系统，该方法先采集船舶AIS航行数据和台风预测数据，根据台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，根据船舶AIS航行数据计算得到某一时刻船舶所在的位置，进而计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离，然后根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，当受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，直至得到船舶不受台风影响时满足条件的航速和航向，进而模拟绘制出船舶避台航线并进行展示。本发明有效解决了避台模拟中选择的航线结合的数据不全面，航线选择不是最经济等问题。

Description

一种船舶避台航线模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶避台模拟技术领域，具体涉及一种船舶避台航线模拟方法及系统。
背景技术
台风作为一种热带气旋对于海上航行的船舶危害程度巨大，对船舶上的人员生命和财产安全都有巨大的影响。
在海上航行的船舶遭遇台风时，为了避免被卷入台风中心或中心外围暴风区，一般采取避航方法。船舶可根据台风的动态和强度不失时机地改变航向和航速，使船位与台风中心保持一定的距离，并使船舶处于所能抗御的风力等级的大风范围以外。
但当前避台模拟方案考虑的数据中，不是特别全面，没有考虑到航线，洋流等数据的影响，导致模拟出的避让航线的不是最经济，最快捷的航线。
发明内容
为解决现有避航方法结合数据不全面导致的模拟避让航线成本过大，选择的航线不够快捷等问题，本发明提供了一种船舶避台航线模拟方法，通过将船舶AIS航行数据和台风预测数据相结合进行计算，能够更精准地计算出避让所需要的航速和航向。本发明还涉及一种船舶避台航线模拟系统。
本发明的技术方案如下：
一种船舶避台航线模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集船舶AIS航行数据并从台风数据源中获取台风预测数据；
S2：根据获取的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，根据计算得到的某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离；
S3：根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，并执行S5步骤；若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响，则执行S4步骤；
S4：当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并重复S2和S3步骤，直至船舶不受台风影响以满足条件；
S5：根据船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示。
优选地，还包括S6步骤，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径。
优选地，所述S1步骤中，所述AIS航行数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。
优选地，所述S1步骤中，所述台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
优选地，所述S1步骤中，还对AIS航行数据和台风预测数据进行预处理，去除AIS中重复和不可用的数据，并进行稀疏化处理。
一种船舶避台航线模拟系统，其特征在于，包括依次连接的数据采集模块、距离计算模块、台风影响判断模块、避台模拟计算模块以及展示绘制模块，
所述数据采集模块，采集船舶AIS航行数据并从台风数据源中获取台风预测数据；
所述距离计算模块，根据获取的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，根据计算得到的某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离；
所述台风影响判断模块，根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响；
所述避台模拟计算模块，当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并重新由距离计算模块和台风影响判断模块进行处理，直至船舶不受台风影响以满足条件；
所述展示绘制模块，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示。
优选地，还包括最短返回路径计算模块，所述最短返回路径计算模块根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径。
优选地，所述AIS航行数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。
优选地，所述台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
优选地，所述数据采集模块中，还对AIS航行数据和台风预测数据进行预处理，去除AIS中重复和不可用的数据，并进行稀疏化处理。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种船舶避台航线模拟方法，首先采集船舶AIS航行数据和台风预测数据，其采集的数据均为船舶历史上真实的航行数据，由此确保了识别出的航线的真实性和准确性，再根据采集的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，再根据某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离，然后根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响，当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并重复上述计算，计算当前参数是否满足条件，如不合适继续调整参数(航速和航向)，直到满足条件，即得到最新调整后的船舶不受台风影响时的航速和航向，通过将船舶AIS航行数据中的历史航线数据与船舶当前航速、航向等数据相结合进行计算，能够更精准的计算出避让台风所需要的航速和航向，最后根据计算得到的船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示，本方法能够进行动态展示避让台风的整个流程，可以方便的设定和调节需要的参数以便重新计算数据。
本发明还涉及一种船舶避台航线模拟系统，该系统与上述的船舶避台航线模拟方法相对应，可理解为是一种实现上述船舶避台航线模拟方法的系统，包括依次连接的数据采集模块、距离计算模块、台风影响判断模块、避台模拟计算模块以及展示绘制模块，各模块相互协同工作，以解决避台模拟中选择的航线结合的数据不全面，航线选择不是最经济等问题，通过将船舶AIS航行数据中的历史航线数据与船舶当前航速、航向等数据相结合进行计算，能够更精准的计算出避让台风所需要的航速和航向，使得模拟出的避让航线是最经济、有效的。
附图说明
图1是本发明船舶避台航线模拟方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
本发明涉及一种船舶避台航线模拟方法，该方法的流程图如图1所示，依次包括以下步骤：
S1，采集船舶AIS航行数据和台风预测数据，该步骤也可称为是数据采集和处理步骤，具体地，首先采集船舶AIS航行数据和台风预测数据，存入数据库，并对采集至数据库中的船舶AIS航行数据进行筛选和分类，得到AIS实时航行数据和AIS历史航行数据，通过对船舶AIS航行数据进行筛选，能够排除不满足航线条件的船舶AIS航行数据，得到有效的船舶AIS航行数据，然后从数据库的AIS历史航行数据中查询出当前船舶所在航段的历史航线AIS数据，得到历史航线AIS数据集合，为了提升查询效率，数据库优选采用支持时间分片的如Mysql，TSDB等数据库；再从天气数据库中查询出当前活动台风的活动信息和预测数据信息，可以通过查询多个天气预报源的预测数据以提高数据精确度；然后将查询到的数据进行数据清洗，删除AIS数据集合中重复的数据和不可用的数据点，并对数据点进行稀疏后得到处理后的AIS数据集合，以解决AIS数据集合中数据点过多的情况。优选地，AIS航行数据包括静态数据和动态数据，静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。台风预测数据从台风数据源中采集获取，优选地，台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
S2，根据采集的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻(即t时刻)船舶所在的位置，再根据t时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出t时刻船舶与台风风圈边缘的距离。该步骤也可称为是距离计算步骤。
具体地，根据台风预测数据可以计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，在一段时间内，取两个预测点，计为第一预测点和第二预测点，视台风风圈大小在这两个预测点的时间内为匀速变化，则风圈大小在这段时间内的变化公式为：
D＝d+Δd/Δt*t (1)
上式中，d为第一预测点的风圈大小，Δd为两个预测点风圈大小的差值，Δt为两个预测点的时间差值，t为风圈从第一预测点所经过的时间。
同理，可以视台风在两个预测点之前的运动为匀速变化，则能够根据台风预测数据中台风中心位置与时间的关系得出在t时刻后台风所在的位置。
此外，根据船舶AIS航行数据中船舶的航速、航向、当前位置等信息，视船舶在这段时间内为匀速运动，则t时刻后船舶所在的位置可以通过时间变化计算得出，按照下式进行计算：
d＝v*t (2)
rad＝6371008.8/d (3)
lat1＝(lat0％360)*Pi/180 (4)
lng1＝(lng0％360)*Pi/180 (5)
bear＝(b％360)*Pi/180 (6)
lat＝arcsin(sin(lat1)*cos(rad)+cos(lat1)*sin(rad)*cos(bear)) (7)
lng＝lng1+arctan(sin(bear)*sin(rad)*cos(lat1)+cos(rad)*sin(lat1)*sin(lat)) (8)
上式中，lat0,lng0分别为船舶初始的纬度和经度，lat1,lng1分别为初始经纬度角度转换为弧度的值，v为船舶航速，t为船舶所经过的时间，d需要转换为单位m，b为航向的偏移角度，bear为航向偏移角度转换为弧度的值，Pi为圆周率π。
在得到t时刻后台风所在的位置、台风风圈大小随时间的变化关系以及t时刻后船舶所在的位置后，可以通过距离公式计算出t时刻船舶与台风中心位置的距离，以及t时刻船舶与台风风圈边缘的距离。其中，上述计算距离时，均使用经纬度求解两点P1、P2的球面距离，按照下式计算：
上式中，R取地球半径6372.8km， 是经度，λ是纬度，Δλ是两点纬度差，/>是两点经度差。
S3，根据t时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响。该步骤也可称为是台风影响判断步骤。
具体地，根据船舶自身的抗台风能力，设定不同的台风安全距离阈值，根据t时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶在当前的航行条件下(即船舶当前输入的航速和航向)是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，不需要进行避让，此时，继续增加t的值，即继续增加台风预测的时间，直到台风预测数据的时间达到预设的预测时间阈值，判断这段时间内当前输入的航速和航向是否会受到台风影响；若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值时，则判断该船舶受到台风影响。
S4，当船舶受到台风影响时，也即船舶需要进行避让的情况下，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并结合台风预测数据等参数，重复上述S2和S3步骤，直至得到船舶不受台风影响时的满足条件的航速和航向。该步骤也可以称为是避台模拟计算步骤。
具体地，当船舶当前的航速和航向受到台风影响时，可以适当的调整船舶输入的航速和航向，例如，偏转航向5°，再重复上述S2和S3步骤计算船舶当前输入的航速和航向是否满足船舶不受台风影响时的条件，如不合适则继续调整航速和航向参数，直至满足船舶不受台风影响时的条件为止。
S5，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示。具体地，通过网络或者其他数据传输方式，将台风预测数据、船舶当前位置以及船舶历史航行轨迹进行绘制，绘制的方式可以使用在地图上动态绘制船舶轨迹的方式进行，而避台模拟过程的绘制方法则可以通过控制时间来动态绘制船舶位置和台风的轨迹和范围，并通过requestAnimate等接口进行重绘并改变控制时间。
S6，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径，即得出船舶返回初始航线最优的时间和位置。
本发明还涉及了一种船舶避台航线模拟系统，该系统与上述船舶避台航线模拟方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，该系统包括依次连接的数据采集模块、距离计算模块、台风影响判断模块、避台模拟计算模块以及展示绘制模块，具体地，
数据采集模块，采集船舶AIS航行数据和台风预测数据；
距离计算模块，根据采集的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，根据计算得到的某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离；
台风影响判断模块，根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响；
避台模拟计算模块，当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并重新由距离计算模块和台风影响判断模块依次进行距离计算和判断处理，直至船舶不受台风影响以满足条件；
展示绘制模块，根据计算得到的船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示。
优选地，还包括最短返回路径计算模块，所述最短返回路径计算模块根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径。
优选地，AIS航行数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。
优选地，台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
优选地，数据采集模块中，还对AIS航行数据和台风预测数据进行预处理，去除AIS中重复和不可用的数据，并进行稀疏化处理。
本发明提供了客观、科学的船舶避台航线模拟方法及系统，通过调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并结合洋流速度，台风预测数据等信息，能够更精准的计算出避让所需要的航速和航向，并能够得出船舶返回初始航线最优的时间和位置，有效解决了避台模拟中选择的航线结合的数据不全面，航线选择不是最经济等问题，同时可以方便的设定和调节需要的参数以便重新计算数据。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种船舶避台航线模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集船舶AIS航行数据并从台风数据源中获取台风预测数据；
S2：根据获取的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，根据计算得到的某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离；
S3：根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，并执行S5步骤；若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响，则执行S4步骤；
S4：当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并结合洋流速度和台风预测数据，重复S2和S3步骤，直至得到船舶不受台风影响以满足条件的航速和航向；
S5：根据船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示；所述控制时间为继续增加台风预测的时间，直到台风预测数据的时间达到预设的预测时间阈值，判断这段时间内当前输入的航速和航向是否会受到台风影响，在不受到台风影响时动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示，在受到台风影响时执行S4步骤；
S6：根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径，得出船舶返回初始航线最优的时间和位置。
2.根据权利要求1所述的船舶避台航线模拟方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述AIS航行数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。
3.根据权利要求1所述的船舶避台航线模拟方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
4.根据权利要求1所述的船舶避台航线模拟方法，其特征在于，所述S1步骤中，还对AIS航行数据和台风预测数据进行预处理，去除AIS中重复和不可用的数据，并进行稀疏化处理。
5.一种船舶避台航线模拟系统，其特征在于，包括依次连接的数据采集模块、距离计算模块、台风影响判断模块、避台模拟计算模块、展示绘制模块以及最短返回路径计算模块，
所述数据采集模块，采集船舶AIS航行数据并从台风数据源中获取台风预测数据；
所述距离计算模块，根据获取的台风预测数据计算得到台风风圈大小随时间的变化关系，并根据采集的船舶AIS航行数据中的船舶经纬度、航速、船舶所经过的时间和航向的偏移角度计算得到船舶在某一时刻所经过的距离，进而得到某一时刻船舶所在的位置，根据计算得到的某一时刻船舶所在的位置和台风风圈大小随时间的变化关系计算出某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离；
所述台风影响判断模块，根据某一时刻船舶与台风风圈边缘的距离与设定的安全距离阈值进行比较，判断船舶是否受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离大于预设的安全距离阈值，则判断该船舶不受到台风影响，若船舶与台风风圈边缘的距离小于预设的安全距离阈值，则判断该船舶受到台风影响；
所述避台模拟计算模块，当船舶受到台风影响时，调整船舶AIS航行数据中船舶的航速和航向，并结合洋流速度和台风预测数据，重新由距离计算模块和台风影响判断模块进行处理，直至得到船舶不受台风影响以满足条件的航速和航向；
所述展示绘制模块，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，通过控制时间来动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示；所述控制时间为继续增加台风预测的时间，直到台风预测数据的时间达到预设的预测时间阈值，判断这段时间内当前输入的航速和航向是否会受到台风影响，在不受到台风影响时动态模拟绘制出船舶避台航线并进行展示，在受到台风影响时返回避台模拟计算模块；
所述最短返回路径计算模块，根据船舶不受台风影响时的航速和航向，结合船舶AIS航行数据中的历史航线数据，计算得到船舶返回初始航线距离最短的路径，得出船舶返回初始航线最优的时间和位置。
6.根据权利要求5所述的船舶避台航线模拟系统，其特征在于，所述AIS航行数据包括静态数据和动态数据，所述静态数据包括船舶移动业务识别码、船舶类型、船名、船高、船长和船宽，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向。
7.根据权利要求5所述的船舶避台航线模拟系统，其特征在于，所述台风预测数据包括台风中心位置的经纬度坐标、中心风力、实测各风圈半径、台风预测路径以及风圈预测半径。
8.根据权利要求5所述的船舶避台航线模拟系统，其特征在于，所述数据采集模块中，还对AIS航行数据和台风预测数据进行预处理，去除AIS中重复和不可用的数据，并进行稀疏化处理。
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