CN115273556A - 一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法及系统。本发明系统，包括：基于宽度优先互操作，实现了分布式避碰决策系统同一层次的避碰决策信息计算、交换、存储、反馈修正以及演示功能；基于深度优先互操作，实现了避碰决策系统内不同深度的数据获取、交换、理解及显示功能，并构建了船舶综合信息显示、智能避碰决策计算与智能避碰决策演示相应的分布式子系统。三个子系统通过人机交互界面显示并进行控制操作，可编辑系统参数可以控制各子系统按照人机交互界面输入的操作运行。本发明的技术方案解决了现有技术中的严重依赖船员人工认知避碰危险度和避让方案制定、系统面向目标与功能间均是独立运行的问题。
Description
技术领域
本发明涉及船舶避碰技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法及系统。
背景技术
互操作技术是目前实现我国海上交通系统协调工作、共享信息的核心技术，是分布式交通系统信息集成应用需要解决的核心问题。现阶段一方面船舶避碰尚未有成熟的系统应用于航海实际，严重依赖船员人工认知避碰危险度和避让方案制定，为船舶航行安全与自主化发展带来制约性的影响。另一方面，目前船载仪器间及实验室自主航行系统雏形均无法做到系统面向目标与功能间均是独立运行，无法实现互操作性。同时，目前航海领域尚未有构建信息显示、态势理解、避碰决策的分布式系统。
发明内容
根据上述提出严重依赖船员人工认知避碰危险度和避让方案制定、系统面向目标与功能间均是独立运行的技术问题，提供一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法及系统。本发明基于宽度优先互操作，实现了分布式避碰决策系统同一层次的避碰决策信息计算、交换、存储、反馈修正以及演示功能；基于深度优先互操作，实现了避碰决策系统内不同深度的数据获取、交换、理解及显示功能。从而提高分布式海上交通系统的互操作性、安全性及可靠性。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法，包括如下步骤：
S1、基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；
S2、构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现步骤S1与步骤S2之间的数据交换与交互操作；
S3、基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
进一步地，所述步骤S1的具体实现方式如下：
S11、基于本体构建航行态势语义理解模型并进行场景划分，基于几何法和BOP实时解算本船周围一定范围内障碍船舶与智能船舶的船速比、方位、距离TCPA、DCPA、会遇局面及碰撞危险度；
S12、通过对本船、他船及其他障碍物的信息融合处理，判断会遇局面、计算碰撞危险度，基于海事大数据驱动、强化学习与B样条构建以本船为中心的避碰决策模型；
S13、基于大数据分析技术，对DCPA、TCPA、避碰危险度、船舶间距离变化进行数据可视化。
进一步地，所述步骤S2的具体实现方式如下：
S21、基于S-57标准的ENC构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；
S22、基于人机交互的试操船功能，构建航迹推演算法，实现未来3-15分钟内的航行避碰轨迹推演效果；
S23、基于socket构建通信服务，实现步骤S1与步骤S2之间的信息交互，以实时显示目标船舶航行态势信息、本船航行态势信息和避碰危险及报警信息。
本发明还提供了一种基于上述船舶避碰决策方法的基于互操作技术的船舶避碰决策系统，包括：
智能决策计算子系统，基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；
智能决策演示子系统，构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现智能决策计算子系统与智能决策演示子系统之间的数据交换与交互操作；
船舶综合信息显示子系统，基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
进一步地，所述智能决策演示子系统是避碰决策效果和避让轨迹的呈现平台，同时也是试操船和航迹推演的人机交互平台。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于互操作技术的船舶避碰决策方法及系统，构建了船舶综合信息显示、智能避碰决策计算、智能避碰决策演示的分布式系统，各子系统设置了简约、可靠、容错的人机交互界面，各子系统间满足基于宽度优先互操作，实现了分布式避碰决策系统同一层次的避碰决策信息计算、交换、存储、反馈修正以及演示功能；基于深度优先互操作，实现避碰决策系统内不同深度的数据获取、交换、理解及显示功能。
基于上述理由本发明可在船舶避碰等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统运行流程图。
图2为本发明系统架构图。
图3为本发明智能决策计算子系统示意图。
图4为本发明智能决策演示子系统示意图。
图5为本发明船舶综合信息演示子系统示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在||上方”和“在||下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法，包括如下步骤：
S1、基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；
S2、构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现步骤S1与步骤S2之间的数据交换与交互操作；
S3、基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1的具体实现方式如下：
S11、基于本体构建航行态势语义理解模型并进行场景划分，基于几何法和BOP实时解算本船周围一定范围内障碍船舶与智能船舶的船速比、方位、距离TCPA、DCPA、会遇局面及碰撞危险度；
S12、通过对本船、他船及其他障碍物的信息融合处理，判断会遇局面、计算碰撞危险度，基于海事大数据驱动、强化学习与B样条构建以本船为中心的避碰决策模型；
S13、基于大数据分析技术，对DCPA、TCPA、避碰危险度、船舶间距离变化进行数据可视化。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2的具体实现方式如下：
S21、基于S-57标准的ENC构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；
S22、基于人机交互的试操船功能，构建航迹推演算法，实现未来3-15分钟内的航行避碰轨迹推演效果；
S23、基于socket构建通信服务，实现步骤S1与步骤S2之间的信息交互，以实时显示目标船舶航行态势信息、本船航行态势信息和避碰危险及报警信息。
如图2所示，本发明提供了一种基于上述船舶避碰决策方法的基于互操作技术的船舶避碰决策系统，包括：智能决策计算子系统、智能决策演示子系统以及船舶综合信息显示子系统，其中：
智能决策计算子系统，基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；在本实施例中，智能决策计算子系统在pycharm中运行，在智能避碰决策计算软件的人机交互页面进行参数设置：勾选“避碰辅助决策演示软件”→点击“信息输入”列下的“设置”→点击“信息输入”列下的“发送”→算法选择“VO算法”→点击“控制区”列下的“设置”→点击“控制区”列下的“运行”。
智能决策演示子系统，构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现智能决策计算子系统与智能决策演示子系统之间的数据交换与交互操作；在本实施例中，智能决策演示子系统在基于宽度优先互操作确保了船舶运动模型系统和智能避碰决策计算软件处于待机状态后点击运行，系统人机交互界面包括了设置场景、开始运行、停止、白天模式、黄昏模式、夜晚模式、显示计划航线、显示历史轨迹、显示推算航迹(3-15min)及一键找本船等按钮。
船舶综合信息显示子系统，基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。在本实施例中，船舶综合信息显示子系统用户提供更为直观、综合的避碰辅助决策信息，用户界面基于JAVA Script平台开发，可实现网页上分模块、实时显示船舶相关航行避碰决策信息。主界面显示软件采用模块化设计思路，将相关信息进行分类显示，主界面一共分为10个显示区：软件版本信息显示区、航线相关信息显示区、本船航行态势信息显示区、目标船航行态势信息显示区、本船航向、航速预测变化区、外部环境信息显示(风向、风速、流向、流速等)仪表区、避碰危险信息显示区、避碰决策信息显示区，本船及目标船的历史航迹以及预测航迹显示区、多船碰撞危险排序报警区。
实施例1
如图3所示，为本实施例提供的智能决策计算子系统示意图，首先基于本体构建航行态势语义理解模型并进行场景划分，基于几何法和BOP实时解算本船周围一定范围内障碍船舶与智能船舶的船速比、方位、距离TCPA、DCPA、会遇局面及碰撞危险度。然后，通过对本船、他船及其他障碍物的信息融合处理，判断会遇局面、计算碰撞危险度，基于海事大数据驱动、强化学习与B样条构建以本船为中心的避碰决策模型。最后，基于大数据分析技术，对DCPA、TCPA、避碰危险度、船舶间距离变化进行数据可视化。
实施例2
如图4所示，为本实施例提供的智能决策演示子系统示意图，首先基于S-57标准的ENC构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换等功能。然后，基于人机交互的试操船功能，构建航迹推演算法，实现未来3-15分钟内的航行避碰轨迹推演效果。最后，基于socket构建通信服务，实现智能决策计算子系统与智能决策演示子系统之间的信息交互，以实时显示目标船舶航行态势信息、本船航行态势信息和避碰危险及报警信息。
在本实施例中，智能决策演示子系统是避碰决策效果和避让轨迹的呈现平台，同时也是试操船和航迹推演的人机交互平台，能依照当前航行态势，进行航迹推演，并可以对一定范围内的会遇目标提供人机交互模拟试操后的效果，通过观察借助计算机用人工输入模拟航向和(或)航速避让行动的效果，与自适应避碰决策算法的结果比对，并进一步的优化算法及系统。
实施例3
如图5所示，本实施例提供的船舶综合信息显示子系统示意图，首先基于JAVAScript的船舶综合信息显示用户界面，可实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息。然后，以仪表、文字、图形、声音等方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
表1智能避碰决策系统内部互操作接口要求说明
表2智能避碰决策系统所属互操作系统安装软件清单
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于互操作技术的船舶避碰决策方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；
S2、构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现步骤S1与步骤S2之间的数据交换与交互操作；
S3、基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
2.根据权利要求1所述的基于互操作技术的船舶避碰决策方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现方式如下：
S11、基于本体构建航行态势语义理解模型并进行场景划分，基于几何法和BOP实时解算本船周围一定范围内障碍船舶与智能船舶的船速比、方位、距离TCPA、DCPA、会遇局面及碰撞危险度；
S12、通过对本船、他船及其他障碍物的信息融合处理，判断会遇局面、计算碰撞危险度，基于海事大数据驱动、强化学习与B样条构建以本船为中心的避碰决策模型；
S13、基于大数据分析技术，对DCPA、TCPA、避碰危险度、船舶间距离变化进行数据可视化。
3.根据权利要求1所述的基于互操作技术的船舶避碰决策方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实现方式如下：
S21、基于S-57标准的ENC构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；
S22、基于人机交互的试操船功能，构建航迹推演算法，实现未来3-15分钟内的航行避碰轨迹推演效果；
S23、基于socket构建通信服务，实现步骤S1与步骤S2之间的信息交互，以实时显示目标船舶航行态势信息、本船航行态势信息和避碰危险及报警信息。
4.一种基于权利要求1-3中任意一项权利要求所述船舶避碰决策方法的基于互操作技术的船舶避碰决策系统，其特征在于，包括：
智能决策计算子系统，基于深度优先互操作，通过人机交互界面选取信息输入、互操作信息发送、算法选择、控制系统运行及结果可视化；
智能决策演示子系统，构建电子海图基础显示平台，实现避碰场景设置、避碰效果演示、助航物标查询、碰撞危险预警、显示模式切换功能；通过人机交互执行试操船功能和航迹推演功能；基于宽度优先互操作，实现智能决策计算子系统与智能决策演示子系统之间的数据交换与交互操作；
船舶综合信息显示子系统，基于JAVA Script的船舶综合信息显示用户界面，实现网页上分模块、实时显示智能船舶综合信息，以仪表、文字、图形、声音方式显示船舶综合信息，并给出预警危险信息和避碰决策信息。
5.根据权利要求4所述的基于互操作技术的船舶避碰决策系统，其特征在于，所述智能决策演示子系统是避碰决策效果和避让轨迹的呈现平台，同时也是试操船和航迹推演的人机交互平台。
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