CN114492086B - 一种船舶单锚泊锚位智能检测方法 - Google Patents

一种船舶单锚泊锚位智能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种船舶单锚泊锚位智能检测方法，包括：计算出锚地中现有船舶的锚泊半径，将锚地现有船舶坐标转换为锚位点，将待泊船信息导入锚位圈半径模型计算出本船的锚泊半径，依据锚位安全间距模型计算出待泊船锚泊安全间距数值，通过Monte‑Carlo随机算法随机生成二维坐标模拟目标待泊船锚位点二维坐标，利用锚泊船锚泊区域检测模型对现有锚泊船锚位点和模拟锚位点进行运算，获得满足待泊船锚泊安全间距数值的模拟锚位点，将模拟锚位点转换成待泊船的落锚点和船位点，即可锚泊作业。本发明方法显著提高了船舶锚泊区域的检测能力和精度，可用于快速有效的检测锚位，高效率利用锚地资源，填补了船舶单锚泊锚位检测领域的空白。

Description

一种船舶单锚泊锚位智能检测方法
技术领域
本发明涉及船舶锚泊技术领域，特别是关于一种船舶单锚泊锚位智能检测方法。
背景技术
当前，各类船舶智能技术发展方兴未艾，已经成为航运业数字技术和经济的载体和突破点。船舶锚位智能检测功能是船舶自主航行和智能航行所必须具备的关键技术之一。船舶在航线的起始港、目的港以及航线附近都要具备锚位检测的能力，以满足应急、装卸货物、上下人员和待泊等需要。在航海实践中，因没有科学的锚位检测方法，船舶为保障锚泊安全通常选择一个较大的锚泊半径，客观上造成了锚地资源的浪费。另外，在锚地中有部分水域可作为锚位水域，但因锚位检测能力不足，而难以利用该处锚地资源。所以，船舶选择合适抛锚地点并保持锚泊作业安全是船舶智能技术面临的一个重大挑战。
锚位智能检测是依托各类船舶传感器、融合多源数据、利用相关检测技术对符合船舶抛锚作业要求的位置进行检测，并对锚位进行安全监控的策略和技术，锚位检测是船舶智能发展的关键技术之一，关系到船舶锚泊安全和锚地的利用率，揭示锚位检测的机理，填补锚位检测认知的空白，推动相关理论的发展。然而当前阶段锚位检测研究较少，研究内容主要集中在锚泊锚链出链长度、锚泊半径、锚泊船安全间距和锚地规划、锚地利用率等方面，且当前研究成果对危险品船等特殊类型船舶、船型参数、船舶装载状态、风力、水深和进出锚地航行船舶安全间距等因素关注不够。
上述背景技术旨在辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请技术方案的新创性。
发明内容
针对当前船舶锚泊区域检测研究不足的现状，以提高船舶锚泊区域的检测能力和精度为目标，本申请首先依据锚泊船运动特点及规律，改进了船舶锚位圈半径模型和船舶锚位安全间距模型，然后构建了锚泊船锚位检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，最终提出了一种船舶单锚泊锚位检测方法，能够快速有效的检测锚位，提高了船舶锚泊区域的检测能力和精度。
为解决上述背景技术中提及的至少一种技术问题，本发明的目的旨在提供一种船舶单锚泊锚位智能检测方法，改进了船舶锚位圈半径模型和锚泊船安全间距模型，并构造了基于锚泊船锚泊区域检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，显著提高了船舶锚泊区域的检测能力和精度，可用于快速有效的检测锚位，高效率利用锚地资源，填补了船舶单锚泊锚位检测领域的空白。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
一种船舶单锚泊智能锚位检测方法，包括下述步骤：
步骤1：待泊船通过AIS设备获取锚地障碍物信息及现有船舶的船长、船宽、位置信息，现有船舶及障碍物的二维坐标记为
Figure 506405DEST_PATH_IMAGE001
，并将相关信息导入到改进船舶锚位圈半径模型，计算出现有船舶的锚泊半径；
步骤2：通过锚位点转换模型将步骤1的现有船舶及障碍物二维坐标转换为现有锚泊船的锚位点
Figure 17021DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤3：将待泊船相关信息及通过电子海图(ECDIS)获取的水深信息导入到改进船舶锚位圈半径模型，计算出本船的锚泊半径；
步骤4：在步骤1和3的基础上，根据船舶锚位安全间距模型计算出待泊船锚泊安全间距数值；
步骤5：用Monte-Carlo随机算法随机生成n个二维坐标
Figure 94961DEST_PATH_IMAGE003
，模拟目标待泊船锚位点二维坐标；
步骤6：构建锚泊船锚泊区域检测模型：
Figure 959011DEST_PATH_IMAGE004
(13)
式中，dn是船舶安全间距数值，Min(dn)是dn的最小值，(xn,yn)是锚地所在平面直角坐标系中现有的船舶或者其他妨碍抛锚作业的物标的位置，点(xa，ya)是满足锚泊船安全间距D的锚位点；
步骤7：利用步骤6锚泊船锚泊区域检测模型，对步骤2和5的数据进行逐次运算，获得满足步骤4安全间距数值的待泊船锚位点二维坐标
Figure 366859DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤8：如果船舶首部锚机设有位置传感器，则步骤7所得锚位点二维坐标可以作为抛锚点二维坐标，供船舶抛锚使用；
步骤9：利用落锚点转换模型，将步骤7获得的待泊船锚位点二维坐标转换到船舶的船位点
Figure 658163DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤10：将步骤8和步骤9结果发送到电子海图或者相关设备，便于待泊船在此位置进行抛锚作业；待泊船根据工作特点，在相关设备上显示落锚点或者船位点，以供锚泊作业。
所述改进船舶锚位圈半径模型是：
Figure 518672DEST_PATH_IMAGE007
(6)
式中，R为单锚泊水域系泊半径(m)；S为锚泊出链长度，其根据用户需求可选用不同的锚泊出链长度模型；k为锚链孔距离船舶首尾中心线距离；
Figure 983151DEST_PATH_IMAGE008
代表船型，
Figure 120871DEST_PATH_IMAGE009
，当船舶为普通货船时，
Figure 707710DEST_PATH_IMAGE010
取下限值，当船舶为油品、液化气和化学品船时，
Figure 930881DEST_PATH_IMAGE010
取上限值；
Figure 762833DEST_PATH_IMAGE011
为海图水深；
Figure 489481DEST_PATH_IMAGE012
为锚链孔处的船舶型深；
Figure 512801DEST_PATH_IMAGE013
为船舶首吃水；B为船宽；α为船舶纵倾角，从船舶传感器获知；LS为船舶首尾长度；LSA为船舶锚链孔到船首的长度；
Figure 223268DEST_PATH_IMAGE014
表示本船定位误差；τ为代表船宽系数，
Figure 91866DEST_PATH_IMAGE015
。
进一步的，S可取但不限于表1中的各锚泊出链长度模型：
表1、锚泊出链长度
Figure 204179DEST_PATH_IMAGE016
其中，H为锚地水深(m)。
步骤3的待泊船相关信息具体包括：船舶静态参数、GPS/GNSS/BDS位置传感器参数、倾斜仪传感器参数、ECDIS传感器参数、罗经传感器参数、其他传感器参数。
所述船舶锚位安全间距模型是：
Figure 132821DEST_PATH_IMAGE017
(10)
式中，
Figure 330584DEST_PATH_IMAGE018
为两锚泊船锚间安全距离；
Figure 674978DEST_PATH_IMAGE019
为A船的锚泊安全半径；
Figure 279614DEST_PATH_IMAGE020
为B船的锚泊安全半径；
Figure 520102DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 64216DEST_PATH_IMAGE022
分别代表A船船型和B船船型，
Figure 149984DEST_PATH_IMAGE023
，普通货船取下限值，油品、液化气和化学品船根据危险性取上限值；
Figure 95943DEST_PATH_IMAGE024
为A船船宽系数，
Figure 507333DEST_PATH_IMAGE025
为B船船宽系数；
Figure 210847DEST_PATH_IMAGE026
为A船船宽；
Figure 224939DEST_PATH_IMAGE027
为B船船宽。
所述落锚点转换模型是：
落锚点
Figure 166350DEST_PATH_IMAGE028
通过公式(11)和船舶抛锚时记录的船位点
Figure 109161DEST_PATH_IMAGE029
计算出来。
Figure 503233DEST_PATH_IMAGE030
(11)
式中，Z为落锚时船舶落锚点与船舶实际记录的点之间的距离，
Figure 321016DEST_PATH_IMAGE031
为坐标系中锚链孔到船位点连线与横坐标夹角。
所述锚位点转换模型是：
锚位点
Figure 851355DEST_PATH_IMAGE032
通过公式(12)和锚泊后船舶船位点
Figure 401285DEST_PATH_IMAGE033
计算出来。
Figure 407287DEST_PATH_IMAGE034
(12)
式中，
Figure 904127DEST_PATH_IMAGE035
为锚定后锚位点与船舶实际记录的点之间的距离，
Figure 679185DEST_PATH_IMAGE036
为坐标系中锚位点到船位点连线与横坐标夹角。
充分考虑危险品特殊船舶类型、船舶参数、锚链孔到船头和船舶艏艉线的距离、纵倾角度、船舶装载状态、风力、水深等因素及进出锚地航行船舶对锚泊船安全的影响，对船舶锚位圈半径进行了定量化改进，与现有技术相比，构建了考虑因素更全面、检测结果更精准的改进船舶锚位圈半径模型。在构建锚泊船安全间距模型时，除考虑了锚位圈半径的相关因素，更进一步的增加了富裕间距参量，可以根据具体实况进行锚泊船间距的调整。最终在上述研究基础上，以提高船舶锚泊区域的检测能力和精度为目标，设计了基于船舶锚泊区域检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，以其开展了锚位的智能检测。上述方案在多源数据融合、船舶态势感知和锚位检测决策等方面为船舶发展提供了理论支持；在实践方面提供了锚位检测的技术手段，可以将算法布置到船舶相关设备上，为船舶在正常运行和应急的情况下选择安全可控的锚位提供技术支持；另外港口航道部门可用于提高锚地水域的安全水平和利用效率。
前述所述检测方法在船舶抛锚中的应用。
进一步的，所述船舶包括单锚泊船舶和/或双锚泊船舶。
前述所述检测方法中的模型在船舶单锚泊抛锚中的应用，所述模型包括：
改进船舶锚位圈半径模型；和/或
船舶锚位安全间距模型；和/或
落锚点转换模型；和/或
锚位点转换模型。
进一步的，所述应用包括所述检测方法在船舶双锚泊抛锚中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
本发明的有益效果为：
通过由电子海图及船舶传感器获取相关参数，设计了基于锚泊船锚位检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，检测算法能在锚地界限内准确和高效的检测出锚泊点分布，在一定程度上解决了船舶锚泊区域检测研究存在的问题，提高了船舶锚泊区域的检测能力和精度，提供了锚位检测的技术手段，可以将算法布置到船舶设备上，为船舶在正常运行和应急的情况下选择安全可控的锚位提供技术支持；另外还可以用于港口航道等部门提高锚地水域的安全水平和利用效率。
本发明为实现上述目的而采用了上述技术方案，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
为让本发明的上述和/或其他目的、特征、优点与实例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是船舶后退抛锚法示意图；
图2是锚泊船舶平面运动示意图；
图3是锚泊船舶竖直运动示意图；
图4是锚泊船安全间距模型示意图；
图5是船位传感器GPS/GNSS位置偏差示意图((1)落锚时，(2)锚定后)；
图6是模型求解逻辑图；
图7是192米普通货船的锚泊半径示意图；
图8是225米普通货船的锚泊半径示意图；
图9是333米普通货船的锚泊半径示意图。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当替换和/或改动工艺参数实现，然而特别需要指出的是，所有类似的替换和/或改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明所述方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
以下详细描述本发明。
实施例1：
构建改进船舶锚位圈半径模型，具体步骤包括：
1)参照图1，确定本船锚泊半径：
Figure 72121DEST_PATH_IMAGE037
(1)
式中，
Figure 66884DEST_PATH_IMAGE038
表示本船锚位圈半径；
Figure 101836DEST_PATH_IMAGE039
表示锚链的卧底长度；
Figure 669083DEST_PATH_IMAGE040
表示锚链的悬链水平投影长度；
Figure 623133DEST_PATH_IMAGE041
表示船舶首尾长度的水平投影长度；
Figure 479093DEST_PATH_IMAGE042
表示锚链孔到甲板前端的水平投影长度，
Figure 176791DEST_PATH_IMAGE014
表示本船定位误差。
Figure 536228DEST_PATH_IMAGE043
(2)
式中，
Figure 926758DEST_PATH_IMAGE044
为船舶纵倾角，可以从船舶传感器获知；
Figure 801173DEST_PATH_IMAGE045
为船舶首尾长度。
Figure 443507DEST_PATH_IMAGE046
(3)
式中，
Figure 549129DEST_PATH_IMAGE047
为船舶锚链孔到船首的长度。
2)参照图2，单锚泊船舶锚泊后受风、浪、回转流和往复流等综合影响下进行较为复杂的运动，图2中(b)-(f)分别表示某实船锚泊12小时、24小时、5天、10天和15天周期中每小时船舶运动轨迹分布。可知，在风浪流方向相对稳定时，锚泊船呈现为短周期性偏荡运动特点；当风浪流方向不稳定时，锚泊船在长周期状态下呈近似圆周运动，船只摆动幅度大小、圆周半径大小与外界的影响息息相关。
3)参照图3，竖直平面上，单锚泊船在不同风浪流外力影响下做径向的前后往复运动，船舶在图3中点A位置锚泊出链长度为
Figure 720347DEST_PATH_IMAGE048
，悬链
Figure 409954DEST_PATH_IMAGE049
具有一定的弧度，卧链
Figure 590400DEST_PATH_IMAGE050
平躺在海底，锚的抓力和卧链的摩擦力合力
Figure 49063DEST_PATH_IMAGE051
大于等于外界风流外力
Figure 453500DEST_PATH_IMAGE052
。如果
Figure 505769DEST_PATH_IMAGE052
变大，船舶由点A向点B运动，待
Figure 348960DEST_PATH_IMAGE051
与
Figure 537496DEST_PATH_IMAGE052
平衡后稳定在B点，此时悬链长度
Figure 942195DEST_PATH_IMAGE049
变长，而卧链
Figure 481761DEST_PATH_IMAGE050
变短；如果
Figure 128643DEST_PATH_IMAGE052
继续变大，超过
Figure 437264DEST_PATH_IMAGE051
，则有走锚的危险；如果
Figure 183504DEST_PATH_IMAGE052
变小，锚泊船将由B点向A点做回复运动。所以从锚泊安全出发，需要充分考虑上述因素，尤其是在船舶密集水域要选定合适的锚位圈、锚位点和锚泊半径。
4)参照图3，并考虑到锚泊船运动极限情况对锚链的水平投影进行简化：
Figure 69420DEST_PATH_IMAGE053
(4)
式中，
Figure 129780DEST_PATH_IMAGE048
为锚泊出链长度；k为锚链孔距离船舶首尾中心线距离；
Figure 417542DEST_PATH_IMAGE054
为锚链孔到海底水深；
Figure 537944DEST_PATH_IMAGE011
为海图水深；
Figure 678201DEST_PATH_IMAGE012
为锚链孔处的船舶型深；
Figure 338989DEST_PATH_IMAGE013
为船舶首吃水。
5)确定普通船舶的锚泊半径：
Figure 356624DEST_PATH_IMAGE055
(5)
6)考虑到其他船舶在锚地之间穿行需求，为保障锚泊安全，锚泊半径需要预留2-3倍船宽；且考虑危险品船的特性，锚泊半径还要比普通货运锚泊船增加一定的安全余量；因此通用锚泊半径：
Figure 38141DEST_PATH_IMAGE007
(6)
式中，
Figure 774016DEST_PATH_IMAGE010
代表船型，
Figure 300812DEST_PATH_IMAGE009
，普通货船取下限值，油品、液化气和化学品船根据危险性取上限值；
Figure 172953DEST_PATH_IMAGE056
代表船宽系数，
Figure 25372DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 45280DEST_PATH_IMAGE057
代表船宽。
表1所述中国标准、日本、英国标准及Dindar Oz标准均可应用前述(6)所述锚泊半径模型，可根据需求选用不同的锚泊出链模型。本例采用中国标准，并根据模型(6)改进了锚泊船半径模型：
Figure 251134DEST_PATH_IMAGE058
(7)
式中，R为单锚泊水域系泊半径(m)；L为设计船长(m)；H为锚地水深(m)；k为锚链孔距离船舶首尾中心线距离；
Figure 869459DEST_PATH_IMAGE010
代表船型，
Figure 768145DEST_PATH_IMAGE009
，普通货船取下限值，油品、液化气和化学品船根据危险性取上限值；
Figure 337667DEST_PATH_IMAGE011
为海图水深；
Figure 81632DEST_PATH_IMAGE012
为锚链孔处的船舶型深；
Figure 318578DEST_PATH_IMAGE013
为船舶首吃水；B为船宽；α为船舶纵倾角，可以从船舶传感器获知；LS为船舶首尾长度；LSA为船舶锚链孔到船首的长度；
Figure 122586DEST_PATH_IMAGE014
表示本船定位误差；τ为代表船宽系数，
Figure 444983DEST_PATH_IMAGE015
。
实施例2：
在前述实施例的基础上，建构船舶安全间距模型，具体步骤包括：
1)参照图4(a)，考虑锚泊船在单锚泊停泊状态下持续进行圆周运动，为了避免锚泊船之间的安全干扰，还要充分考虑两锚泊船间距离，当两锚泊船保持同步运动状态，在此状态下两船间距满足公式(8)：
Figure 789376DEST_PATH_IMAGE059
(8)
式中，
Figure 756195DEST_PATH_IMAGE060
为两锚泊船间距离；
Figure 357203DEST_PATH_IMAGE061
为两锚泊船锚间距离；
Figure 776683DEST_PATH_IMAGE062
为A船的锚泊半径；
Figure 252664DEST_PATH_IMAGE063
为B船的锚泊半径；
Figure 870727DEST_PATH_IMAGE064
代表B船的船长。
2)参照图4(b)、(c)和(d)，考虑当两锚泊船不能保持同步运动的极端运动动态，此时两锚泊船航向相反、船尾相对，此时两锚泊船处于最危险状态，一旦某船走锚失控就会导致产生碰撞危险；为此两锚泊船在设定锚泊半径时会设定一定的安全余量，在此状态下两船间距满足公式(9)：
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
(9)
式中，
Figure 344434DEST_PATH_IMAGE019
为A船的锚泊安全半径；
Figure 375844DEST_PATH_IMAGE020
为B船的锚泊安全半径；
Figure 265302DEST_PATH_IMAGE062
为A船的锚泊半径；
Figure 555514DEST_PATH_IMAGE063
为B船的锚泊半径；
Figure 872226DEST_PATH_IMAGE067
为两锚泊船间安全距离；
Figure 390932DEST_PATH_IMAGE068
为两锚泊船锚间安全距离；
Figure 880819DEST_PATH_IMAGE069
为A船的锚泊安全半径余量；
Figure 676737DEST_PATH_IMAGE070
为B船的锚泊安全半径余量。
在航海实践中，公式(8)所示船间距离Q通常被用于确定锚位半径。但是由于锚泊船在锚位圈内径向做往复不规则运动，也就是说距离Q是一个变量。选择距离Q来确定锚位半径，会导致锚泊船锚泊圈内可能存在图2所示的障碍物。为了锚泊安全，往往要选择半径更大的锚泊圈，客观上浪费了锚地利用率，造成了锚地的拥堵。在有准确锚位点的情况下，选用锚泊船安全间距D来进行锚位检测是安全可靠的。公式(5)相比于公式(4)锚泊半径模型已经预留了2-3倍船宽的空间可以作为安全余量。为此锚泊船间安全间距模型可进一步推导为公式(10)：
Figure 288984DEST_PATH_IMAGE017
(10)
式中，
Figure 170352DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 526247DEST_PATH_IMAGE022
分别代表A船船型和B船船型，
Figure 973409DEST_PATH_IMAGE023
，普通货船取下限值，油品、液化气和化学品船根据危险性取上限值；
Figure 897503DEST_PATH_IMAGE024
为代表A船船宽系数，
Figure 892266DEST_PATH_IMAGE025
为代表B船船宽系数。
实施例3：
在前述实施例的基础上，构建落锚点转换模型，包括：
参照图5(a)，落锚点又称为抛锚点，是船舶抛锚时锚的位置，建立以船位点为原点的坐标系，X轴代表经度，Y轴代表纬度，落锚点即锚链孔为
Figure 661639DEST_PATH_IMAGE071
点，船舶实际记录的点即船舶位置GPS/GNSS/BDS传感器天线记录点则为
Figure 291203DEST_PATH_IMAGE072
点，a和b代表GPS/GNSS/BDS传感器距离船舶首尾两端的距离，c和d代表GPS/GNSS/BDS传感器距离船舶两舷的距离，锚链孔距离船头距离为e，距离首尾中心线距离为k；落锚点
Figure 386198DEST_PATH_IMAGE028
通过公式(11)和船舶抛锚时记录的船位点
Figure 38896DEST_PATH_IMAGE029
计算出来。
Figure 736594DEST_PATH_IMAGE030
(11)
式中，Z为落锚时船舶落锚点与船舶实际记录的点之间的距离；θ为坐标系中锚链孔到船位点连线与横坐标夹角。
实施例4：
在前述实施例的基础上，构建锚位点转换模型，包括：
参照图5(b)，锚位点又称锚泊点，是指船舶在抛锚过程中抓牢底质而相对稳定时锚的位置点，即5(b)中的
Figure 96031DEST_PATH_IMAGE073
点，船锚从下令抛出的落锚点
Figure 486561DEST_PATH_IMAGE071
运动到锚位点
Figure 564239DEST_PATH_IMAGE073
在水平方向上会有一定的位移，该位移形成的原因较为复杂，与船舶操纵性、类型、吨位、速度、装载情况、锚类型等自身因素相关，还与外界风浪流、水深和底质等因素相关。为探求锚位点，如图5(b)所示，锚泊后，锚位点
Figure 3310DEST_PATH_IMAGE032
通过公式(12)和锚泊后船舶船位点
Figure 108932DEST_PATH_IMAGE033
计算出来。
Figure 545729DEST_PATH_IMAGE034
(12)
式中，
Figure 235337DEST_PATH_IMAGE035
为锚定后锚位点与船舶实际记录的点之间的距离，
Figure 884624DEST_PATH_IMAGE036
为坐标系中锚位点到船位点连线与横坐标夹角。
实施例5：
在前述实施例的基础上，提供一种船舶单锚泊锚位智能检测方法，首先用MATLAB程序定义了2海里*2海里的锚地信息，水深值20-40米，且做如下假设：落锚点与锚位点重合，即L 0 =0；锚位点在船舶的正前方，即船舶航向线上；船舶纵倾角α=0.5°；系数τ取值为2；
Figure 608866DEST_PATH_IMAGE074
；
Figure 13303DEST_PATH_IMAGE014
=0。
3种普通货船尺度如表2所示，锚泊半径模型如表3所示。
表2、船舶参数(单位：米)
Figure 65572DEST_PATH_IMAGE075
表3、锚泊半径相关模型
Figure 908763DEST_PATH_IMAGE076
依据表2船舶参数、表3船舶半径相关模型在MATLAB程序进行锚泊区域检测进行测试。锚地中现有船舶和待泊船均为上述三种类型船舶，锚地中现有船舶间距满足锚泊船安全间距要求。锚地水深分别为20米、25米、30米、35米和40米，实验数据包含两类共计10组：第一类为风力≤7级以下的5组锚泊区域检测数据，第二类为风力＞7级的5组锚泊区域检测数据。表4和表5分别为抽取的第一类数据的第一组和第二类数据的第一组。
表4、风力≤7级的船舶安全间距数据(水深20米)
Figure 97299DEST_PATH_IMAGE077
表5、风力＞7级的船舶安全间距数据(水深20米)
Figure 501998DEST_PATH_IMAGE078
参照图6，船舶单锚泊锚位智能检测方法包括下述步骤：
步骤1：待泊船通过AIS设备获取锚地障碍物信息及现有船舶的船长、船宽、位置信息，现有船舶及障碍物的二维坐标记为
Figure 41564DEST_PATH_IMAGE001
，并将相关信息导入到改进船舶锚位圈半径模型，计算出现有船舶的锚泊半径；
步骤2：通过锚位点转换模型将步骤1的现有船舶及障碍物二维坐标转换为现有锚泊船的锚位点
Figure 360550DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤3：将待泊船相关信息及通过电子海图(ECDIS)获取的水深信息导入到改进船舶锚位圈半径模型；
步骤4：在步骤1、3的基础上，根据船舶锚位安全间距模型计算出待泊船锚泊安全间距数值；
步骤5：用Monte-Carlo随机算法随机生成5000个二维坐标
Figure 793805DEST_PATH_IMAGE003
，模拟目标待泊船锚位点二维坐标；
步骤6：构建锚泊船锚泊区域检测模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE079
(13)
式中，dn是船舶安全间距数值，Min(dn)是dn的最小值，(xn,yn)是锚地所在平面直角坐标系中现有的船舶或者其他妨碍抛锚作业的物标的位置，点(xa，ya)是满足锚泊船安全间距D的锚位点；
步骤7：利用步骤6锚泊船锚泊区域检测模型，对步骤2和5的数据进行逐次运算，获得满足步骤4安全间距数值的待泊船锚位点二维坐标
Figure 336782DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤8：如果船舶首部锚机设有位置传感器，则步骤7所得锚位点二维坐标可以作为抛锚点二维坐标，供船舶抛锚使用；
步骤9：利用落锚点转换模型，将步骤7获得的待泊船锚位点二维坐标转换到船舶的船位点
Figure 832485DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤10：绘制锚泊锚位工作空间仿真图形，将步骤8和步骤9结果发送到电子海图或者相关设备，便于待泊船在此位置进行抛锚作业；待泊船根据工作特点，在相关设备上显示落锚点或者船位点，以供锚泊作业。
根据表2数据，对对表3锚泊半径模型进行运算求解，结果如图7-9所示。
(1)改进的锚泊半径模型根据风力大小、船舶类型和考虑锚地通行船舶的安全影响，可以有F、G、H和I四种变形，模型F和H考虑一般情况下的锚位半径模型，模型G和I用于考虑锚地中有船通过时候的锚泊安全半径和两锚泊船安全间距。可知改进的锚泊半径模型F、G、H和I与传统模型A~E相比，充分考虑了油船等危险品船型、船舶参数、锚链孔到船头的距离、纵倾角度、船舶装载状态等因素，模型很好的体现了工程实践背景，更具准确性。
(2)模型F适用条件是风力≤7级，与同等条件下的模型A相比，充分考虑了油船等具备危险性的特殊船舶类型，其半径数值与锚泊半径模型A相比略小10%。锚泊半径模型F与模型C相比，在浅水部位模型F的半径值较大，但随着水深的增加，模型C的半径值增加较快并大于模型F半径值。锚泊半径模型F与考虑锚地底质不良的模型D相比，模型D的半径值均大于模型F的半径值。锚泊半径模型F与模型E相比，充分考虑了船型参数、锚链孔到船头的距离、纵倾角度、船舶装载状态等因素，模型很好的体现了工程实践背景，更具准确性。在较浅水域，模型F比模型E的锚泊半径值略大10%，在较深水域则半径值基本相等。可见，本申请改进的锚泊半径模型F在同等条件下更能符合工程实践背景，在出链长度最为安全保守的情况下，半径数值较为精准且较小。
(3)模型G与模型A/C/D/E相比，充分考虑锚地中两锚泊船之间的安全影响。利用该模型构成锚泊船间距模型，尽可能减少穿行锚地的船舶对锚泊船的安全影响。模型G的半径值在浅水水域大于模型A/C/D的半径值，在较深水域则会出现相反的效果。并且随船长的增大而呈变弱现象。模型E由于仅考虑锚地的利用率，对穿行船舶与锚泊船的安全考虑不多，其半径值不具备参考意义。
(4)模型H与模型B都是考虑风力≥7级或者风力=30m/s的恶劣天气情况下的半径模型。在出链长度相等的情况下，模型H不仅能如实反映锚泊船工程实践背景，而且在数值上更小。在确保安全的情况下，提高了锚地的使用效率。
(5)模型I与模型B/C/D/E相比，充分考虑锚地中两锚泊船之间的安全影响。利用该模型构成锚泊船间距模型，尽可能减少穿行锚地的船舶对锚泊船的安全影响。由于出于安全考虑，模型I的出链长度较模型B/C/D/E最大，导致半径值和间距值相对增加。
本发明提供的改进锚泊半径模型改变了以往锚泊半径模型较为粗略的现象，不仅充分考虑了船型参数、锚链孔到船头的距离、纵倾角度、船舶装载状态等因素，还考虑了风力、油船等具备危险性的特殊船舶类型和进出锚地航行船舶对锚泊船安全间距的影响，使得模型更符合工程实践背景。改进模型在四种情况下的半径值都在可承受范围之内，在大部分场景都小于表各模型半径值。应用改进模型进行锚泊区域检测可以提升检测的科学性、锚泊船安全性和锚地利用率。
检测算法能在锚地界限内准确、高效的检测出锚泊点分布。锚泊区域检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的锚位智能检测算法可以充分考虑船舶类型对锚泊间距的影响，对油类、液化气等危险品船提供了合理的锚泊区域检测方案。船舶锚泊区域检测模型充分考虑了在锚地间通行船舶的安全需要，设定了一定的安全通过余量。船舶锚泊区域检测模型充分考虑了锚地边界的影响，对检测出的锚位船舶而言，可以使船舶尾部有效避开锚地边界，避免锚泊船飘出锚地边界，且船舶锚泊区域检测模型还可以根据情况灵活增加安全间距。
本发明针对当前船舶锚泊区域检测研究存在的缺陷，以提高锚泊区域的检测能力和精度为目标，设计了基于锚泊船锚泊区域检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，具有以下进步意义：
(1)改进了船舶锚位圈半径模型，充分考虑油船等危险品特殊船舶类型、船舶参数、锚链孔到船头和船舶艏艉线的距离、纵倾角度、船舶装载状态、风力、水深等因素和进出锚地航行船舶对锚泊船安全的影响，对船舶锚位圈半径进行了定量化改进，船舶锚位圈半径改进模型与现有研究相比，具有考虑因素全面、结果精准的特点；
(2)改进了锚泊船安全间距模型，除考虑了锚位圈半径的相关因素，还灵活的增加了富裕间距参量，且可以根据具体实况进行锚泊船间距的调整；
(3)在上述研究基础上，构造了锚泊区域锚位检测算法模型，采用Monte-Carlo随机模拟方法开展了锚位的智能检测，表明本申请锚位检测算法能在锚地界限内准确和高效的检测出锚泊点分布。
本发明提供了锚泊船锚泊区域检测模型和Monte-Carlo随机模拟方法相结合的智能算法，在一定程度上解决了船舶锚泊区域检测研究存在的问题，提高了锚泊区域的检测能力和精度。研究成果在多源数据融合、船舶态势感知和锚泊区域检测决策等方面为船舶发展提供了理论支持。在实践方面提供了锚泊区域检测的技术手段，可以将算法布置到船舶设备上，将检测出的锚位区域显示到ECDIS系统或者其他系统，供锚泊使用为船舶在正常运行和应急的情况下选择安全可控的锚位提供技术支持；另外还可以用于港口航道等部门提高锚地水域的安全水平和利用效率。
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
本发明未尽事宜均为公知技术。

Claims (9)

1.一种船舶单锚泊锚位智能检测方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：待泊船通过AIS设备获取锚地障碍物信息及现有船舶的船长、船宽、位置信息，现有船舶及障碍物的二维坐标记为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，并将相关信息导入到改进船舶锚位圈半径模型，计算出现有船舶的锚泊半径；
步骤2：通过锚位点转换模型将步骤1的现有船舶及障碍物二维坐标转换为现有锚泊船的锚位点
Figure 127250DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤3：将待泊船相关信息及通过电子海图(ECDIS)获取的水深信息导入到改进船舶锚位圈半径模型，计算出本船的锚泊半径；
步骤4：在步骤1和3的基础上，根据船舶锚位安全间距模型计算出待泊船锚泊安全间距数值；
步骤5：用Monte-Carlo随机算法随机生成n个二维坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，模拟目标待泊船锚位点二维坐标；
步骤6：构建锚泊船锚泊区域检测模型：
Figure 703725DEST_PATH_IMAGE004
(13)
式中，dn是船舶安全间距数值，Min(dn)是dn的最小值，(xn,yn)是锚地所在平面直角坐标系中现有的船舶或者其他妨碍抛锚作业的物标的位置，点(xa，ya)是满足锚泊船安全间距D的锚位点；
步骤7：利用步骤6锚泊船锚泊区域检测模型，对步骤2和5的数据进行逐次运算，获得满足步骤4安全间距数值的待泊船锚位点二维坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤8：如果船舶首部锚机设有位置传感器，则步骤7所得锚位点二维坐标可以作为抛锚点二维坐标，供船舶抛锚使用；
步骤9：利用落锚点转换模型，将步骤7获得的待泊船锚位点二维坐标转换到船舶的船位点
Figure 879360DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤10：将步骤8和步骤9结果发送到电子海图或者相关设备，便于待泊船在此位置进行抛锚作业；待泊船根据工作特点，在相关设备上显示落锚点或者船位点，以供锚泊作业；
所述改进船舶锚位圈半径模型是：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(6)
式中，R为单锚泊水域系泊半径(m)；S为锚链出链长度，其根据用户需求可选用不同的锚泊出链长度模型；k为锚链孔距离船舶首尾中心线距离；
Figure 612174DEST_PATH_IMAGE008
代表船型，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，当船舶为普通货船时，
Figure 965795DEST_PATH_IMAGE010
取下限值，当船舶为油品、液化气和化学品船时，
Figure 419779DEST_PATH_IMAGE010
取上限值；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为海图水深；
Figure 274472DEST_PATH_IMAGE012
为锚链孔处的船舶型深；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为船舶首吃水；B为船宽；α为船舶纵倾角，从船舶传感器获知；LS为船舶首尾长度；LSA为船舶锚链孔到船首的长度；
Figure 211859DEST_PATH_IMAGE014
表示本船定位误差；τ为代表船宽系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：锚泊出链长度模型包括：
中国普通船标准：在风力≤7级的锚泊条件下出链长度S(m)是3H+90，在风力＞7级的锚泊条件下出链长度S(m)是4H+145；
日本、英国标准：离岸候船或装卸货物时，锚抓条件好的锚泊条件下出链长度S(m)是6H，锚抓条件不好的锚泊条件下出链长度S(m)是6H+30；暴风雨锚泊时，风速20m/s的锚泊条件下出链长度S(m)是3H+90，风速30m/s的锚泊条件下出链长度S(m)是4H+145；
Dindar Oz标准：出链长度S(m)是
Figure 861015DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，H为锚地水深(m)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：待泊船相关信息具体包括：船舶静态参数、GPS/GNSS/BDS位置传感器参数、倾斜仪传感器参数、ECDIS传感器参数、罗经传感器参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述船舶锚位安全间距模型是：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
(10)
式中，
Figure 661350DEST_PATH_IMAGE018
为两锚泊船锚间安全距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为A船的锚泊安全半径；
Figure 785645DEST_PATH_IMAGE020
为B船的锚泊安全半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为A船的锚泊半径；
Figure 840189DEST_PATH_IMAGE022
为B船的锚泊半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 925825DEST_PATH_IMAGE024
分别代表A船船型和B船船型，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，普通货船取下限值，油品、液化气和化学品船根据危险性取上限值；
Figure 950807DEST_PATH_IMAGE026
为A船船宽系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为B船船宽系数；
Figure 881722DEST_PATH_IMAGE028
为A船船宽；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为B船船宽。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述落锚点转换模型是：
所述落锚点转换模型是：
落锚点
Figure 56352DEST_PATH_IMAGE030
通过公式(11)和船舶抛锚时记录的船位点
Figure DEST_PATH_IMAGE031
计算出来：
Figure 312890DEST_PATH_IMAGE032
(11)
式中，Z为落锚时船舶落锚点与船舶实际记录的点之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为坐标系中锚链孔到船位点连线与横坐标夹角。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述锚位点转换模型是：
所述锚位点转换模型是：
锚位点
Figure 186953DEST_PATH_IMAGE034
通过公式(12)和锚泊后船舶船位点
Figure DEST_PATH_IMAGE035
计算出来：
Figure 46193DEST_PATH_IMAGE036
(12)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为锚定后锚位点与船舶实际记录的点之间的距离，
Figure 199963DEST_PATH_IMAGE038
为坐标系中锚位点到船位点连线与横坐标夹角。
7.权利要求1-6任一项所述检测方法在船舶抛锚中的应用，其特征在于：
船舶包括单锚泊船舶和/或双锚泊船舶。
8.权利要求1-6任一项所述检测方法中的模型在船舶单锚泊抛锚中的应用，其特征在于：所述模型包括：
改进船舶锚位圈半径模型；和/或
船舶锚位安全间距模型；和/或
落锚点转换模型；和/或
锚位点转换模型。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用包括所述检测方法在船舶双锚泊抛锚中的应用。
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