CN114611204A - 一种构建船舶安全领域模型的方法和装置 - Google Patents

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CN114611204A CN202210121198.3A CN202210121198A CN114611204A CN 114611204 A CN114611204 A CN 114611204A CN 202210121198 A CN202210121198 A CN 202210121198A CN 114611204 A CN114611204 A CN 114611204A
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Abstract

本申请实施例公开了构建船舶安全领域模型的方法和装置。该方法的一具体实施方式包括：获取影响船舶会遇危险程度的关键参数；响应于关键参数，构建关键参数分别对应的危险隶属函数；响应于危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；响应于碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点，计算节点的节点向量以及构建节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布下的边界向量。该实施方式构建的船舶领域安全模型能有效识别单条目标船或多条目标船的碰撞危险度，可为具备自主避碰能力的船舶智能航行系统研发提供技术参考。

Description

一种构建船舶安全领域模型的方法和装置
技术领域
本申请实施例涉及船舶安全领域，具体涉及构建船舶安全领域模型的方法和装置。
背景技术
自1971年船舶领域概念被提出以来，船舶领域已被广泛应用于海上交通工程。其在航行态势评估和船舶避碰中具有重要意义。船舶安全领域是安全距离的一般化，被广泛应用于船舶碰撞风险评估、危险接近检测、水道风险分析。
船舶安全领域模型的形状和大小受多种因素的影响，如船舶参数、船速、会遇类型、周围环境类型、船舶的操纵性能等因素。船舶安全领域按研究方法可以分为基于实验数据统计类、基于专家知识类和基于解析表达式类。如今很多关于船舶安全领域模型的研究都是基于上述三种方法中的一种或者几种。其中基于实验数据统计的模型具有受水域类型和实验数据影响较大的特点，通常针对特定水域和特定船型建立模型。基于专家知识的模型很大程度上依赖于配调查专家和船员的选择，因此这类模型在反应船舶领域模型的实用性的前提下，同时也存在一定的主观性。
传统船舶安全领域模型在碰撞风险系数的定量计算方面存在局限性：
1)当不同方位来船时，采取相同的方法来计算危险度，未考虑各因素在不同方向的影响作用的变化。例如在对遇情况下，DCPA可能为零，但实际影响却不为零。
2)仅基于DCPA和TCPA的风险度计算方法不能保证避碰的可靠性。
3)在不同会遇态势下采取相同的静态模型，且未考虑多船同时会遇本船时的模型变化。
发明内容
本申请实施例提出了一种构建船舶安全领域模型的方法和装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种构建船舶安全领域模型的方法，该方法包括：获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，关键参数包括本船和障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最小会遇时间；响应于关键参数，构建关键参数分别对应的危险隶属函数，危险隶属函数包括本船和障碍船的距离危险隶属函数、本船和障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船和障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数；响应于危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；响应于碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点，计算节点的节点向量以及构建节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；响应于危险度影响函数和安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布模型下的边界向量。
在一些实施例中，本船和障碍船的距离危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000021
式中，UD为本船与障碍船的距离危险隶属函数，D为本船与障碍船的距离，D1为最晚避让的距离，D2为可采取避让措施的距离；
本船与障碍船的速度比危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000022
式中，UK为本船与障碍船的速度比危险隶属函数，K为本船和障碍船的速度比且K≥0，a为会遇角度且a的范围为0°～180°；
本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000023
式中，Uθ为本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数，θ为本船相对于障碍船的舷角，且θ的范围为0～360°；
本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000031
式中，UDCPA为本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数，DCPA为当前时刻最近会遇距离，d1表示障碍船能安全会遇本船的最小安全距离，d2为两船绝对安全会遇距离；
本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000032
Figure BDA0003498535700000033
Figure BDA0003498535700000034
式中，UTCPA为本本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数，D1表示最晚避让的距离，D2表示可采取避让措施的距离，VR表示目标船的相对速度，DCPA为本船和障碍船的最近会遇距离，TCPA为本船和障碍船的最小会遇时间，t1为障碍船能安全会遇本船的最短时间，t2两船绝对安全会遇时间。
在一些实施例中，本船和障碍船的碰撞危险度的具体表达式为：
CRi＝aKUKi+aθUθi+aDUD+aDCPAUDCPAi+aTCPAUTCPAi
式中，CRi为本船和障碍船的碰撞危险度，i表示为第i艘障碍船，Ki为本船和第i艘障碍船的速度比，θi为本船和第i艘障碍船的相对舷角，Di为本船和第i艘障碍船的距离，DCPAi为本船和第i艘障碍船的最近会遇距离，TCPAi为本船和第i艘障碍船的最小会遇时间，UKi为本船与障碍船的速度比危险隶属函数，UDi为本船与第i障碍船的距离危险隶属函数，Uθi为本船和第i障碍船的相对舷角、UDCPAi为本船与第i障碍船的最近会遇距离和UTCPAi为本船与第i障碍船的最近会遇时间，aK为速度比隶属函数权重，aθ为相对舷角隶属函数权重，aD为两船距离隶属函数权重，aDCPA为最近会遇距离隶属函数权重，aTCPA为最小会遇时间隶属函数权重,其中，aK+aθ+aD+aDCPA+aTCPA＝1。
在一些实施例中，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点具体为：
以本船的首向为0°，以本船为圆心，将0°到360°范围的空间划分为包括对遇态势、交叉态势和追越态势，其中，对遇态势的空间范围包括(0°～5°)和(355°～360°)，交叉态势的空间范围包括(5°～112.5°)和(247.5°～355°)，追越态势的空间范围为(112.5°～247.5°)，将交叉态势和追越态势用若干条经过圆心的平分线分别在各自的空间范围内等分成若干个相等的区域，取平分线相对于圆心的另一端作为船舶会遇态势分布模型上的节点。
在一些实施例中，交叉态势分别等分成4个区域，追越态势分别等分成3个区域。
在一些实施例中，计算节点的节点向量的长度以及构建节点向量对应的危险度影响函数的具体步骤为：
计算节点的方向危险度为0时，节点向量的长度为：
Figure BDA0003498535700000041
式中，dbi为节点的方向危险度为0时节点向量的长度，dmax为船舶会遇态势分布模型的最大半径；
构建节点向量对应的危险度影响函数，具体为：
Figure BDA0003498535700000042
Figure BDA0003498535700000051
式中，Gi为危险度影响函数，aG为随来船方位角变化的幅值变量，θbi为模型各节点方向的角度，θ为来船方位角。
在一些实施例中，构建安全等级模型具体为：
建立包括封锁区域和观测区域的安全等级模型，分别计算出封锁区域和观测区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径，从中分别取出最大和最小的半径作为安全等级模型的最大半径和最小半径，安全等级模型包括第一安全等级模型和第二安全等级模型。
在一些实施例中，第一安全等级模型中的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径计算如下：
Figure BDA0003498535700000054
其中，
Figure BDA0003498535700000055
Figure BDA0003498535700000056
式中，Rbf，Rba，Sb分别为第一安全等级模型的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径，式中，kAD为进距距离的增益，kDT为旋回直径的增益，AD为进距距离，DT为旋回初径，L为本船船长，Vo为本船船速，dmin1为第一安全等级模型的最小半径，dmax1为第一安全等级的最大半径；
第二安全等级模型中的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径计算如下：
Figure BDA0003498535700000057
Figure BDA0003498535700000061
式中，Rwf，Rwa，Sw分别为第二等级的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径，L为本船船长，Vo为本船船速，dmin2为第二安全等级模型的最小半径，dmax2为第二安全等级的最大半径，kn为船速的单位。
在一些实施例中，计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布模型下的边界向量具体为：
计算单船会遇状态下各节点方向的向量长度为
Dsi＝dbi+(dmax-dmin)·CRi·Gi
式中，Dsi为单船会遇状态下各节点方向的向量长度，dbi为节点的方向危险度为0时节点向量的长度，dmin为船舶会遇态势分布模型的的最小半径，dmax为船舶会遇态势分布模型的的最大半径，CRi为本船和障碍船的碰撞危险度，Gi为危险度影响函数；
基于单船会遇状态下各节点方向的向量长度，计算多船同时会遇本船时各节点方向的向量长度，通过在每个节点方向选取最大向量作为多船会遇态势下的船舶领域模型的边界向量：
Dmi＝max(Dsi(j))
式中，Dmi为多船会遇状态下各节点方向的向量长度，Dsi为单船会遇状态下各节点方向的向量长度。
第二方面，本申请实施例提供了构建船舶安全领域模型的装置，装置包括：
关键参数获取模块，配置于获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，关键参数包括本船和障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最小会遇时间；
危险隶属函数构建模块，配置于响应于关键参数，构建关键参数分别对应的危险隶属函数，危险隶属函数包括本船与障碍船的距离危险隶属函数、本船与障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数；
碰撞危险度计算模块，配置于响应于危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；
船舶会遇态势分布模型构建模块，配置于响应于碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点，计算节点的节点向量以及构建节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；
船舶安全领域模型构建模块，配置于响应于危险度影响函数和安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布下的边界向量。
本申请实施例提供的构建船舶安全领域模型的方法和装置，通过综合考虑本船与单船或多船会遇中目标船的船速比、相对方位、两船距离、DCPA和TCPA因素，通过构建危险度隶属函数来有效评估船舶碰撞的危险度，将目标船的危险度带入影响函数，通过计算得出该船对领域模型各节点方向的分量。构建的船舶领域安全模型能有效识别单条目标船或多条目标船的碰撞危险度构建船舶安全模型，可为具备自主避碰能力的船舶智能航行系统研发提供技术参考。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请可以应用于其中的示例性系统架构图；
图2是根据本申请的构建船舶安全领域模型的方法的一个实施例的流程图；
图3是根据本申请的船舶会遇态势分布图；
图4是根据本申请的安全等级模型；
图5是根据本申请的封锁区域各半径大小与船速关系图；
图6是根据本申请的观测区域各半径大小与船速关系图；
图7是根据本申请的对遇态势下船舶领域模型的示意图；
图8是根据本申请的交叉态势下船舶领域模型的示意图；
图9是根据本申请的追越态势下船舶领域模型的示意图；
图10是根据本申请的对遇态势各节点处船舶领域模型半径大小的对比图；
图11是根据本申请的交叉态势各节点处船舶领域模型半径大小的对比图；
图12是根据本申请的追越态势各节点处船舶领域模型半径大小的对比图；
图13是根据本申请的会遇场景1的多船会遇船舶领域模型示意图；
图14是根据本申请的会遇场景2的多船会遇船舶领域模型示意图；
图15是根据本申请的会遇场景1的多船会遇舶领域模型在节点处半径大小的对比图；
图16是根据本申请的会遇场景2的多船会遇舶领域模型在节点处半径大小的对比图；
图17是根据本申请的构建船舶安全领域模型的装置的一个实施例的流程图；
图18是适于用来实现本申请实施例的终端设备或服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
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。
图1示出了可以应用本申请实施例的用于处理信息的方法或用于处理信息的装置的示例性系统架构100。
如图1所示，系统架构100可以包括终端设备101、102、103，网络104和服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用终端设备101、102、103通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。终端设备101、102、103上可以安装有各种通讯客户端应用，例如网页浏览器应用、购物类应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等。
终端设备101、102、103可以是具有通信功能的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对终端设备101、102、103发送的校验请求信息进行处理的后台信息处理服务器。后台信息处理服务器可以对接收到的校验请求信息进行分析等处理，并得到处理结果(例如用于表征校验请求为合法请求的校验成功信息)。
需要说明的是，本申请实施例所提供的用于处理信息的方法一般由服务器105执行，相应地，用于处理信息的装置一般设置于服务器105中。另外，本申请实施例所提供的用于发送信息的方法一般由终端设备101、102、103执行，相应地，用于发送信息的装置一般设置于终端设备101、102、103中。
需要说明的是，服务器可以是硬件，也可以是软件。当服务器为硬件时，可以实现成多个服务器组成的分布式服务器集群，也可以实现成单个服务器。当服务器为软件时，可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务)，也可以实现成单个软件或软件模块。在此不做具体限定。
应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
如图2所示，构建船舶安全领域模型的方法包括：
S201:获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，关键参数包括本船与障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最小会遇时间；
在具体的实施例中，碰撞危险度是衡量与划分船舶会遇局面危险程度的关键参数，是确定是否采取避让行动的重要依据，被广泛应用于避碰和交通工程研究中。本申请以本船和障碍船之间的速度比、本船和障碍船之间的相对舷角、最近会遇距离和最近会遇时间作为主要考虑参数，并考虑了船舶的降速性能和转向性能，最终确定障碍船对本船构成的碰撞危险度。
S202:响应于关键参数，构建关键参数分别对应的危险隶属函数，危险隶属函数包括本船与障碍船的距离危险隶属函数、本船与障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最近会遇时间危险隶属函数；
在具体的实施例中，本船与障碍船的距离危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000101
式中，UD为本船与障碍船的距离危险隶属函数，D为本船与障碍船的距离，D1为最晚避让距离，D2为可采取避让措施距离；
本船与障碍船的速度比危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000102
式中，UK为本船与障碍船的速度比危险隶属函数，K为本船和障碍船的速度比且K≥0，a为会遇角度且a∈(0°,180°)。
本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000103
式中，Uθ为本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数，θ为本船相对于障碍船的舷角，且θ∈(0°,360°)；
本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000104
式中，UDCPA为本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数，DCPA为当前时刻最近会遇距离，d1表示障碍船能安全会遇本船的最小安全距离，d2为两船绝对安全会遇距离；
本本船和障碍船的最近会遇时间危险隶属函数具体为：
Figure BDA0003498535700000105
Figure BDA0003498535700000111
式中，UTCPA为本本船和障碍船的最近会遇时间危险隶属函数，D1表示最晚避让距离，D2表示可采取避让措施距离，VR表示目标船的相对速度。
S203:响应于危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；
假设本船周围可检测范围内障碍船的数目为N，其中第i艘障碍船的相关数据为：本船和第i艘障碍船之间的速度比Ki，本船和第i艘障碍船之间的相对舷角θi，最近会遇距离DCPAi，最近会遇距离TCPAi，相应的隶属函数分别为UKi，Uθi，UDi，UDCPAi,UTCPAi,都隶属于[0,1]，其中i＝0,1,2,…,N。其相应的权重为：速度比隶属函数权重aK，相对舷角隶属函数权重aθ，两船距离隶属函数权重aD，最近会遇距离隶属函数权重aDCPA，最近会遇时间隶属函数权重aTCPA,其中aK+aθ+aD+aDCPA+aTCPA＝1，
障碍船相对于本船的危险度CRi，可通过将公式(1)～公式(6)带入公式(7)计算：
CRi＝aKUKi+aθUθi+aDUD+aDCPAUDCPAi+aTCPAUTCPAi (7)
S204:响应于碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点，计算节点的节点向量以及构建节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；
如图3所示，为船舶会遇态势分布模型。由于不同会遇态势下，目标船的碰撞危险度不同。根据船舶会遇态势分布，以船首向为0°，将本船周围360°范围的空间划分为三类：对遇态势(0°,5°)U(355°,360°)、交叉态势(5°,112.5°)U(247.5°,355°)、追越态势(112.5°,247.5°)。由于交叉态势和追越态势所占空间比例较大，取其中线作为边界顶点会造成多边形模型的顶点过少，不能有效表示不同来船方向的危险度，因此对其进行如下划分：1、两个交叉态势区域取平分线划分为四个区域；2、追越态势区域平分为3个区域。取各个区域的中线为船舶安全领域相应边界的方向，在下面介绍中将模型在该方向上的顶点称为节点。
为了计算各节点向量的大小Di，首先需要确定一个基础船舶领域模型，该模型大小为来船危险度为零时的模型大小。基础模型在各节点方向的向量dbi通过公式(8)来确定
Figure BDA0003498535700000121
式中，dmax为参考模型的最大半径，dmax型的可由下面安全等级模型推导出。
为了合理划分本船周围区域内其他船舶的相对位置，解决以往船舶领域研究中只是以碰撞危险度的大小来描述碰撞危险的大小，并未给出具体采取措施的碰撞危险标准值的问题，本申请提出的船舶安全领域模型考虑了两种不同的安全等级，在不同的安全等级下的船舶领域安全模型的大小也会不一样。当障碍船进去第一安全等级下的模型区域时会形成非常紧迫的会与局面，此时本船仅通过转舵的方式已无法避开障碍船，需进行相应的速度调控来规避障碍船障碍船。当障碍船进入第二安全等级下的模型区域时会形成相对紧迫的会与局面，此时本船应采取避让动作，使障碍船尽快避开该区域。
本实施例根据Kijima和Furukawa建立的封锁区域(blocking area)和观测区域(watching area)的概念和模型，如图4所示，来选取不同等级的dmin和dmax。选取方法为：分别计算出封锁区域和观测区域的前后区域的纵向半径和左右区域的横向直径，从中分别取出最大和最小的半径作为第一和第二安全等级模型计算的dmin和dmax。
其中，第一安全等级模型为：
Kijima模型中封锁区域的前后区域的纵向半径和横向直径分别为Rbf，Rba，Sb，相应半径的计算公式为：
Figure BDA0003498535700000122
其中，
Figure BDA0003498535700000131
式中，kAD为进距距离的增益，kDT为旋回直径的增益，AD为进距距离，DT为旋回初径，L为本船船长，Vo为本船船速。
在相同船长L的情况下，船速Vo与封锁区域各半径的关系如图5所示，图5为Kijima模型。从图中可以得出，随着船速的增加，前向直径Rbf始终为最大半径；当船速小于10.38kn时，最小半径为横向直径Sb，当船速大于10.38kn时，最小半径为横向直径Rba。因此第一安全等级模型参数为
Figure BDA0003498535700000132
在具体实施例中，第二安全等级模型为：
Kijima模型中观测区域的前后区域的纵向半径和横向直径分别为Rwf，Rwa，Sw，相应半径的计算公式为：
Figure BDA0003498535700000133
在相同船长L的情况下，船速Vo与Kijima模型观测区域各半径的关系如图6所示。从图中可以得出，随着船速的增加，前向直径Rwf始终为最大半径；当船速小于10.38kn时，最小半径为横向直径Sw，当船速大于10.38kn时，最小半径为横向直径Rwa。因此第一安全等级模型参数为
Figure BDA0003498535700000134
在计算出第i艘船的碰撞危险度CRi，为确定碰撞危险度CRi和各节点向量的大小Di之间的关系，需要确定一个能够精确描述船舶领域模型各节点方向危险度的影响函数，该影响函数能将危险度的值按来船的相对方位划分到各节点方向的向量上，即在来船方向的危险度最大，以该方向为中心，两侧方向的危险度逐渐减小。
常用的影响函数有抛物线函数、方波函数、高斯函数、三角波函数、Gamma函数等。通过比较发现适合本申请要求的函数有高斯函数和三角波，由于三角波函数在顶点处的取值变化较大，用于船舶领域模型会造成来船方向的边界过于突兀且变化较大，因此选择高斯函数作为影响函数。为了更好的构建船舶领域模型，本申请对高斯函数进行了适当的改进，引入随来船方位角变化的幅值变量aG，改进后的高斯函数为
Figure BDA0003498535700000141
其中，
Figure BDA0003498535700000142
式中，θbi为领域模型各节点方向的角度，θ为来船方位角。
S205:响应于危险度影响函数和安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布下的边界向量。
因此，单船会遇状态下各节点方向的向量长度Dsi为
Dsi＝dbi+(dmax-dmin)·CRi·Gi (16)
当多船同时会遇本船时，各节点方向的向量长度Dmi的确定方法为：首先确定每艘船单独会遇本船情况下各节点方向的向量长度，再通过在每个节点方向选取最大向量作为多船会遇态势下的船舶领域模型的边界向量。即
Dmi＝max(Dsi(j)) (17)
除了单船会遇的情况，本申请同时对多船会遇情况下的模型进行了对比分析，从多方面检验了本申请所提出的船舶安全领域模型有效性。
在具体实施例中，单船会遇本船时：
本申请主要对三种典型的会遇态势下的船舶领域模型进行研究，即对遇态势、交叉态势和追越态势。不同会遇态势的仿真参数如表1所示。
表1 单船会遇参数表
Figure BDA0003498535700000145
图7、图8和图9分别示出了单船在对遇、交叉和追越三种会遇情况下，各船舶领域模型。图10、图11和图12分别示出了单船在对遇、交叉和追越三种会遇情况下，在节点处各模型的半径大小。
从图中可以看出，在对遇态势下，第二安全等级模型相比于Kijima模型中观测区在来船方向的半径增加了0.2655Nm，第一安全等级模型相比于Kijima模型中封锁区在来船方向的半径增加了0.1327，但是船尾方向的模型基本与Kijima模型相似。在交叉态势下，第二安全等级模型相比于Kijima模型中观测区在来船方向的半径增加了0.1905Nm，第一安全等级模型相比于Kijima模型中封锁区在来船方向的半径增加了0.0737Nm，但是船尾和左舷方向的模型基本与Kijima模型相似。在追越态势下，第二安全等级模型相比于Kijima模型中观测区在来船方向的半径增加了0.1991Nm，第一安全等级模型相比于Kijima模型中封锁区在来船方向的半径增加了0.0921Nm，但是船头方向的模型基本与Kijima模型相似。由于Fujii模型只考虑了本船的船长L对模型的影响，而Wang模型在其基础上考虑了船速V的影响，因此在三次结果中Fujii模型和Wang模型大小和形状基本相同，且半径大小明显小于第一和第二安全等级下的船舶领域模型。
在具体实施例中，多船会遇本船时：
多船会遇时，本申请设置两种不同的会遇场景对多船复杂会遇态势下的模型进行对比分析，两种会遇的参数如表2所示。
表2 多船会遇参数表
Figure BDA0003498535700000151
图13和图14分别为会遇场景一和会遇场景二两种多船会遇场景下，各船舶领域模型的仿真结果。
图15和图16分别示出了会遇场景一和会遇场景二两种多船会遇场景下，在节点处各模型的半径大小。从图15中可以看出，在会与场景1中，第二安全等级模型相比于Kijima模型中观测区在三艘来船方向的半径分别增加了0.2158Nm，0.1272Nm，0.0897Nm。从图16中可以看出，在会与场景1中，第一安全等级模型相比于Kijima模型中封锁区在三艘来船方向的半径分别增加了0.1079Nm，0.0755Nm，0.0513Nm。通过仿真结果可以看出，本申请提出的船舶领域模型能有效根据来船的方向，适当调整模型的形状和大小，以应对多船复杂的会遇态势。
在具体的实施例中，如图17所示，为构建船舶安全领域模型的装置的流程图1000包括：
S1001：关键参数获取模块，配置于获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，关键参数包括本船与障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最近会遇时间；
S1002：危险隶属函数构建模块，配置于响应于关键参数，构建关键参数分别对应的危险隶属函数，危险隶属函数包括本船与障碍船的距离危险隶属函数、本船与障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数；
S1003：碰撞危险度计算模块，配置于响应于危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；
S1004：船舶会遇态势分布模型构建模块，配置于响应于碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取船舶会遇态势分布模型上的节点，计算节点的节点向量以及构建节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；
S1005：船舶安全领域模型构建模块，响应于危险度影响函数和安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在会遇态势分布下的边界向量。
本申请构建了一种考虑两种安全等级的动态船舶领域模型，该模型考虑了本船和他船的尺度、船速、航向、会遇角度、相对距离、TCPA和DCPA等因素。通过对不同影响因素建立危险度隶属函数，结合改进的高斯影响函数得出其对船舶领域模型的影响关系，使领域模型能够随着本船和目标船的航行状态的变化而进行相应调整。同时，结合对遇、交叉、追越三种会遇态势对模型进行区域划分，得到相应边界的节点，使领域模型能有效反映不同会遇类型、不同航速和距离情况下的船舶碰撞危险度，为智能船舶的自动避障提供支持和风险分析的需求。
如图18所示，计算机系统1100包括中央处理单元(CPU)1101，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1102中的程序或者从存储部分1108加载到随机访问存储器(RAM)1103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 61103中，还存储有系统1100操作所需的各种程序和数据。CPU 1101、ROM 1102以及RAM 1103通过总线1104彼此相连。输入/输出(I/O)接口1105也连接至总线1104。
以下部件连接至I/O接口1105：包括键盘、鼠标等的输入部分1106；包括液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1107；包括硬盘等的存储部分1108；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1109。通信部分1109经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1110也根据需要连接至I/O接口1105。可拆卸介质1111，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1110上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1108。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1109从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1111被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)1101执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括关键参数获取模块、危险隶属函数构建模块、碰撞危险度计算模块、船舶会遇态势分布模型构建模块和船舶安全领域模型构建模块。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，关键参数获取模块还可以被描述为“配置于获取影响船舶会遇危险程度的关键参数的模块，其中，关键参数包括本船与障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最近会遇时间”。

Claims (10)

1.一种构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，所述关键参数包括本船和障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最小会遇时间；
响应于所述关键参数，构建所述关键参数分别对应的危险隶属函数，所述危险隶属函数包括本船和障碍船的距离危险隶属函数、本船和障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船和障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数；
响应于所述危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；
响应于所述碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取所述船舶会遇态势分布模型上的节点，计算所述节点的节点向量以及构建所述节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；
响应于所述危险度影响函数和所述安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在所述会遇态势分布模型下的边界向量。
2.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述本船和障碍船的距离危险隶属函数具体为：
Figure FDA0003498535690000011
式中，UD为本船与障碍船的距离危险隶属函数，D为本船与障碍船的距离，D1为最晚避让的距离，D2为可采取避让措施的距离；
所述本船与障碍船的速度比危险隶属函数具体为：
Figure FDA0003498535690000012
式中，UK为本船与障碍船的速度比危险隶属函数，K为本船和障碍船的速度比且K≥0，a为会遇角度且a的范围为0°～180°；
所述本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数具体为：
Figure FDA0003498535690000021
式中，Uθ为本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数，θ为本船相对于障碍船的舷角，且θ的范围为0～360°；
所述本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数具体为：
Figure FDA0003498535690000022
式中，UDCPA为本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数，DCPA为当前时刻最近会遇距离，d1表示障碍船能安全会遇本船的最小安全距离，d2为两船绝对安全会遇距离；
所述本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数具体为：
Figure FDA0003498535690000023
Figure FDA0003498535690000024
Figure FDA0003498535690000025
式中，UTCPA为本本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数，D1表示最晚避让的距离，D2表示可采取避让措施的距离，VR表示目标船的相对速度，DCPA为本船和障碍船的最近会遇距离，TCPA为本船和障碍船的最小会遇时间，t1为障碍船能安全会遇本船的最短时间，t2为两船绝对安全会遇时间。
3.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述本船和障碍船的碰撞危险度的具体表达式为：
CRi＝aKUKi+aθUθi+aDUD+aDCPAUDCPAi+aTCPAUTCPAi
式中，CRi为本船和障碍船的碰撞危险度，i表示为第i艘障碍船，Ki为本船和第i艘障碍船的速度比，θi为本船和第i艘障碍船的相对舷角，Di为本船和第i艘障碍船的距离，DCPAi为本船和第i艘障碍船的最近会遇距离，TCPAi为本船和第i艘障碍船的最小会遇时间，UKi为本船与障碍船的速度比危险隶属函数，UDi为本船与第i障碍船的距离危险隶属函数，Uθi为本船和第i障碍船的相对舷角、UDCPAi为本船与第i障碍船的最近会遇距离和UTCPAi为本船与第i障碍船的最近会遇时间，aK为速度比隶属函数权重，aθ为相对舷角隶属函数权重，aD为两船距离隶属函数权重，aDCPA为最近会遇距离隶属函数权重，aTCPA为最小会遇时间隶属函数权重,其中，aK+aθ+aD+aDCPA+aTCPA＝1。
4.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述构建船舶会遇态势分布模型，获取所述船舶会遇态势分布模型上的节点具体为：
以本船的首向为0°，以本船为圆心，将所述0°到360°范围的空间划分为包括对遇态势、交叉态势和追越态势，其中，所述对遇态势的空间范围包括(0°～5°)和(355°～360°)，所述交叉态势的空间范围包括(5°～112.5°)和(247.5°～355°)，所述追越态势的空间范围为(112.5°～247.5°)，将所述交叉态势的空间和所述追越态势的空间用若干条经过所述圆心的平分线分别在各自的空间范围内等分成若干个相等的区域，取所述平分线相对于所述圆心的另一端作为所述船舶会遇态势分布模型上的节点。
5.根据权利要求4所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述交叉态势分别等分成4个区域，所述追越态势分别等分成3个区域。
6.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述计算所述节点的节点向量的长度以及构建所述节点向量对应的危险度影响函数的具体步骤为：
计算所述节点的方向危险度为0时，所述节点向量的长度为：
Figure FDA0003498535690000041
式中，dbi为节点的方向危险度为0时节点向量的长度，dmax为船舶会遇态势分布模型的最大半径；
构建所述节点向量对应的危险度影响函数，具体为：
Figure FDA0003498535690000042
Figure FDA0003498535690000043
式中，Gi为危险度影响函数，aG为随来船方位角变化的幅值变量，θbi为模型各节点方向的角度，θ为来船方位角。
7.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述构建安全等级模型具体为：
建立包括封锁区域和观测区域的安全等级模型，分别计算出所述封锁区域和所述观测区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和左右区域的横向直径，从中分别取出最大和最小的半径分别作为安全等级模型的最大半径和最小半径，所述安全等级模型包括第一安全等级模型和第二安全等级模型。
8.根据权利要求7所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述第一安全等级模型中的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径计算如下：
Figure FDA0003498535690000044
其中，
Figure FDA0003498535690000051
Figure FDA0003498535690000052
式中，Rbf，Rba，Sb分别为所述第一安全等级模型的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径，kAD为进距距离的增益，kDT为旋回直径的增益，AD为进距距离，DT为旋回初径，L为本船船长，Vo为本船船速，dmin1为第一安全等级模型的最小半径，dmax1为第一安全等级模型的最大半径；
所述第二安全等级模型中的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径计算如下：
Figure FDA0003498535690000053
Figure FDA0003498535690000054
式中，Rwf，Rwa，Sw分别为所述第二安全等级的封锁区域的前区域的纵向半径、后区域的纵向半径和横向直径，L为本船船长，Vo为本船船速，dmin2为第二安全等级模型的最小半径，dmax2为第二安全等级的最大半径，kn为船速的单位。
9.根据权利要求1所述的构建船舶安全领域模型的方法，其特征在于，所述计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在所述会遇态势分布模型下的边界向量具体为：
计算单船会遇状态下各节点方向的向量长度为
Dsi＝dbi+(dmax-dmin)·CRi·Gi
式中，Dsi为单船会遇状态下各节点方向的向量长度，dbi为节点的方向危险度为0时节点向量的长度，dmin为船舶会遇态势分布模型的的最小半径，dmax为船舶会遇态势分布模型的的最大半径，CRi为本船和障碍船的碰撞危险度，Gi为危险度影响函数；
基于所述单船会遇状态下各节点方向的向量长度，计算多船同时会遇本船时各节点方向的向量长度，通过在每个节点方向选取最大向量作为多船会遇态势下的船舶领域模型的边界向量：
Dmi＝max(Dsi(j))
式中，Dmi为多船会遇状态下各节点方向的向量长度，Dsi为单船会遇状态下各节点方向的向量长度。
10.一种构建船舶安全领域模型的装置，其特征在于，所述装置包括：关键参数获取模块，配置于获取影响船舶会遇危险程度的关键参数，其中，所述关键参数包括本船和障碍船的距离、本船和障碍船的速度比、本船和障碍船的相对舷角、本船和障碍船的最近会遇距离和本船和障碍船的最小会遇时间；
危险隶属函数构建模块，配置于响应于所述关键参数，构建所述关键参数分别对应的危险隶属函数，所述危险隶属函数包括本船与障碍船的距离危险隶属函数、本船与障碍船的速度比危险隶属函数、本船和障碍船的相对舷角危险隶属函数、本船与障碍船的最近会遇距离危险隶属函数和本船和障碍船的最小会遇时间危险隶属函数；
碰撞危险度计算模块，配置于响应于所述危险隶属函数，计算本船和障碍船的碰撞危险度；
船舶会遇态势分布模型构建模块，配置于响应于所述碰撞危险度，构建船舶会遇态势分布模型，获取所述船舶会遇态势分布模型上的节点，计算所述节点的节点向量以及构建所述节点向量对应的危险度影响函数，构建安全等级模型；
船舶安全领域模型构建模块，配置于响应于所述危险度影响函数和所述安全等级模型，分别计算本船与单艘障碍船和多艘障碍船在所述会遇态势分布模型下的边界向量。
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