CN115273557A - 一种基于ais的在航船舶碰撞风险检测及预警方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法及系统，该方法先获取船舶AIS数据，以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，并确定两船的最小会遇时间，再计算出他船相对本船的弦角，根据弦角判断出本船和他船的会遇态势，并根据计算出的船舶分布密度、平均距离和平均速度，结合会遇态势自动调整最近会遇距离阈值和最小会遇时间阈值，最后利用船舶航行轨迹进行多个轨迹点的碰撞判断，检测出碰撞风险并预警，具有更高的准确性，提高了数据的采集精度，且消除了固定阈值在不同水域产生误报的问题。

Description

一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法和系统

技术领域

本发明涉及航运交通技术领域，具体涉及一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法和系统。

背景技术

全球船舶档案中，全球运营中的国际航行船舶，共计79753艘。截止2020年，中国拥有水上运输船舶12.68万艘，其中：内河运输船舶数量11.5万艘，沿海运输船舶数量1.04万艘；远洋运输船舶数量0.15万艘。近40年来，随着航运业的快速发展，船舶数量急剧增加，同时船舶也向大型化、远洋化方向发展，导致水域通航密度持续加大，潜在的海事风险概率也随之增加，重大海事时有发生。

船舶碰撞事故涉及到停泊、靠离泊和航行的各个阶段，是事故发生率最高的海事。船舶碰撞事故大多发生在港口、狭水道、航道交汇处、渔区和低能见度区域。这些区域船舶密集、会遇频繁、交通情况复杂，航道和自然环境较差。船舶雾航中的碰撞事故占全部碰撞事故的30％-40％。碰撞事故的原因大多为没注意来船、判断或理解错误、不愿或不会避让来船、双方避让行动不协调、船太多来不及避让等。为了避免船舶碰撞事故的发生，除了规范船员行为、提高船员素质以外，如何利用科技手段对船舶碰撞危险进行预判、预警，提高船舶的自我风险检测能力，有效辅助船员安全驾驶，是航运交通研究的热点。

船舶碰撞风险检测和预警就是利用各种船载设备和传感器的信息，进行综合处理、分析和判断，自动检测船舶碰撞风险，并根据风险等级进行预警。我国关于船舶智能避碰系统的研究起步较晚。据资料显示，20世纪90年代初，大连海事大学、海军大连水面舰艇学院等高等院校及科研机构开始了对船舶避碰专家系统的研究。其中海军广州舰艇学院研究的船舶避碰专家系统，也是一种咨询式的避碰专家系统，考虑的因素较少，对会遇局面划分比较粗糙。之后，国内学者也相继提出基于多种智能算法的船舶避碰系统，但精度及准确性较低，且实用性不高。因此研究一种更加精准，更加可靠，信息综合度更高的在航船舶避碰及预警方式十分必要。

发明内容

为解决现有在航船舶避碰及预警过程中存在的精度低、准确性差，无法自适应调整DCPA(两船间的最近会遇距离)和TCPA(到达最近会遇点所需时间—最小会遇时间)阈值等问题，本发明提供了一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，基于AIS数据，根据各数据与时间的同步关系，采用特定的预设时间间隔进行超前位置计算，得到未来某一时间段内多个位置，进而计算出DCPA和TCPA，并采用特定计算方式计算出船舶分布密度、平均距离和平均速度，结合船舶会遇态势，自动调整DCPA阈值和TCPA阈值，利用船舶航行轨迹进行多个轨迹点的碰撞判断，检测出碰撞风险并预警，有效提高了数据的采集精度，能够适用于各种水域，且判定过程具有更高的准确性。本发明还涉及一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取在航船舶AIS原始报文数据，并对在航船舶AIS原始报文数据进行解析，得到船舶AIS数据；

位置计算步骤：以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；

距离及时间预判步骤：根据未来某时刻本船和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；

会遇态势判断步骤：根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；

阈值调整步骤：根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，并根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速；根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值；

多点碰撞判定及预警步骤：将某一时间段内本船与他船在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。

优选地，在数据获取步骤之后，还包括轨迹计算及异常点去除步骤：

根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；

将航行轨迹中每个轨迹点的航向角与轨迹航向角进行比对，以及将航行轨迹中每个轨迹点的航速与轨迹航速进行比对，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除。

优选地，所述多点碰撞判定及预警步骤中，将某时刻本船与他船在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于最近会遇距离报警阈值，且最小会遇时间小于最小会遇时间报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险。

优选地，所述数据获取步骤中，所述船舶AIS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、呼号、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，所述会遇态势判断步骤中，所述会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉态势。

一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取模块、位置计算模块、距离及时间预判模块、会遇态势判断模块、阈值调整模块和多点碰撞判定及预警模块，

所述数据获取模块，获取在航船舶AIS原始报文数据，并对在航船舶AIS原始报文数据进行解析，得到船舶AIS数据；

所述位置计算模块，以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；

所述距离及时间预判模块，根据未来某时刻本船和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；

所述会遇态势判断模块，根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；

所述阈值调整模块，根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，并根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速；根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值；

所述多点碰撞判定及预警模块，将某一时间段内本船与他船在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。

优选地，还包括轨迹计算及异常点去除模块，所述数据获取模块通过所述轨迹计算及异常点去除模块连接位置计算模块：

根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；

将航行轨迹中每个轨迹点的航向角与轨迹航向角进行比对，以及将航行轨迹中每个轨迹点的航速与轨迹航速进行比对，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除。

优选地，所述多点碰撞判定及预警模块中，将某时刻本船与他船在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于最近会遇距离报警阈值，且最小会遇时间小于最小会遇时间报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险。

优选地，所述船舶AIS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、呼号、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，所述会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉态势。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，基于船舶AIS数据，根据船舶AIS数据中的经纬度、航速、航向以及时间的同步关系，采用特定的预设时间间隔进行超前位置计算，得到未来某一时间段内多个位置，进而计算出两船会遇时的最近会遇距离DCPA，并确定出两船的最小会遇时间TCPA，数学建模简单，采用特定的预判时间间隔也很大程度提高了数据的采集精度；此外根据采用特定计算方式计算出的船舶分布密度、平均距离和平均速度，能够自动识别船舶所处的区域状况，结合船舶会遇态势，自动调整DCPA阈值和TCPA阈值，能够适用于各种水域，消除了固定阈值在不同水域产生误报的问题，自适应调整阈值，普适性较好；最后利用船舶航行轨迹进行多个轨迹点的碰撞判断，判断一段时间内的本船与某船是否有多个轨迹点的预判结果都落在DCPA和TCPA阈值范围之内，从而判断相关在航船舶是否存在碰撞风险并进行相应预警，本发明是一种更加精准，更加可靠，信息综合度更高的在航船舶避碰及预警方式，不仅能根据船舶航行轨迹特点剔除明显错误的轨迹点，而且有一定的时间跨度，判定过程能够更好的体现船舶的真实态势，具有更高的准确性。

本发明还涉及一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，该系统与上述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法相对应，可理解为是一种实现上述基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法的系统，包括依次连接的数据获取模块、位置计算模块、距离及时间预判模块、会遇态势判断模块、阈值调整模块和多点碰撞判定及预警模块，各模块相互协同工作，基于AIS数据，根据AIS数据中的经纬度、航速、航向以及时间的同步关系，采用特定的预设时间间隔进行超前位置计算，得到未来某一时间段内多个位置，进而计算出DCPA和TCPA，并采用特定计算方式计算出船舶分布密度、平均距离和平均速度，结合船舶会遇态势，自动调整DCPA阈值和TCPA阈值，最后利用船舶航行轨迹进行多个轨迹点的碰撞判断，判断出碰撞风险并预警，有效提高了数据的采集精度，能够适用于各种水域，消除了固定阈值在不同水域产生误报的问题，且判定过程能够更好的体现船舶的真实态势，具有更高的准确性。

附图说明

图1是本发明基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法的流程图。

图2是本发明AIS原始报文接收流程图。

图3是本发明实施例中AIS原始报文解析结果示意图。

图4是本发明实施例中轨迹分析及滤波示意图。

图5是本发明实施例中AIS数据同步示意图。

图6是本发明实施例中两船单点碰撞预判示意图。

图7是本发明实施例中两船基于轨迹的多点碰撞预判示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，该方法的流程图如图1所示，依次包括以下步骤：

数据获取步骤，或进一步称为数据采集、解析及预处理步骤：采用AIS接收装置接收周围有效范围内所有在航船舶的各类AIS原始报文数据，AIS接收装置包括天线、馈线、AIS接收处理器和核心处理器，如图2所示，天线安装在罗经甲板或者桅杆附近等露天环境，通过馈线与安装于舱室内部的AIS接收处理器相连，AIS接收处理器通过串口与安装在舱室内的核心处理器相连，由天线采集AIS原始报文数据，并通过馈线传输给AIS接收处理器，AIS接收处理器将获取的AIS原始报文数据通过串口发送给核心处理器，核心处理器接收AIS原始报文数据并进行译码和解析，得到船舶AIS数据，AIS原始报文解析结果如图3所示。在获得船舶AIS数据后，对数据进行清洗，去除无用的干扰数据，并对船舶AIS数据进行预处理，去掉船舶AIS数据中有问题的数据(如缺失过多)。该步骤是通过串口型的小型船载AIS接收装置负责实时接收周围有效范围内的所有在航船舶的各类AIS广播信号等AIS原始报文数据，再由AIS接收处理器将AIS原始报文数据传输到核心处理器进行译码、解析的过程。

其中，AIS原始报文数据采用压缩的ASCII码进行传输，遵从NMEA0183协议，分为明码电文和暗码电文，核心处理器通过对以“！AIVDM”开头的A、B类报文进行解析，从中提取出对应船舶的AIS数据。优选地，船舶AIS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mmsi、船舶类型、呼号、船名、船高、船长和船宽等，动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向等。解析过程函数关系如下：

F(s)＝Φ(mmsi,lon,lat,cog,sog,...) (1)

其中，输入参数s表示AIS原始报文，Φ表示输出的信息集合，mmsi为船舶移动业务识别码，lon为经度，lat为纬度，cog为对地航向角，sog为对地航速。

需要说明的是，为了不影响现有船舶的设施设备、安全驾驶，并减少不必要的对接和兼容性等难点问题，因此是在现有在航船舶的基础上进行设计，原则上不依靠、不影响现有船载设施设备。

轨迹计算及异常点去除步骤，也即图1中的轨迹计算及滤波步骤：根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；根据航行轨迹中每个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值与预设的航向角阈值的比对结果，以及航行轨迹中每个轨迹点的航速和轨迹航速的差值与预设的航速阈值的比对结果，判断轨迹点是否为异常点，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将其剔除，否则为正常点，保留。该步骤是对一段时间内特定船舶的AIS数据进行跟踪、分析和计算，提取航行轨迹的真实航向角和航速等信息，并以此为参考依据，剔除轨迹中明显错误的AIS点位的过程，主要包括轨迹航向角计算、轨迹航速计算及异常点剔除。

具体地，如图4所示，假设某船舶在相邻的两个AIS坐标点之间直线航行，根据AIS国际规则，该船舶两次AIS信号的间隔只有2秒-3分钟，时间较短，航行距离不长，可以将其航行轨迹直线化。假设在航行轨迹中，相邻两个轨迹点A、B的经纬度分别为(lon_a,lat_a)和(lon_b,lat_b)，其中lon_a为A点的经度，lat_a为A点的纬度，lon_b为B点的经度，lat_b为B点的纬度。由A点、B点和北极点三点构成三角形，结合地理学知识可以得到A、B两点的航向角计算公式如下：

θ_n＝F(lat_a,lon_a,lat_b,lon_b) (2)

其中，θ_n为以A点为基准，B点相对于A点的偏北角，F为实现函数。

根据上述方法，可进一步计算出某一时间段内该船航行轨迹中相邻每个轨迹点的航向角cog。假设选取轨迹中N个点，则可得N-1段轨迹的航向角。假设该船在这段时间直线航行，则轨迹航向角θ计算公式如下：

其中，θ为最终的轨迹航向角，θ_n为相邻两点的航向角。

轨迹航速是指计算N个轨迹点的平均航速，设航行轨迹中N个相邻轨迹点的各点航速为v_n，则轨迹航速v计算公式如下：

异常点剔除是指根据航行轨迹中每个轨迹点的航向角cog和轨迹航向角θ的差值与预设的航向角阈值δ的比对结果，以及航行轨迹中每个轨迹点的航速sog和轨迹航速v的差值与预设的航速阈值λ的比对结果，判断轨迹点是否为异常点，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角cog和轨迹航向角θ的差值大于等于预设的航向角阈值δ，且航行轨迹中某个轨迹点的航速sog和轨迹航速v的差值大于等于预设的航速阈值λ，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除，否则为正常点，保留。异常点剔除公式如下：

其中，p为轨迹上一点，C(p)为剔除函数，δ为航向角阈值，λ为航速阈值，函数值为p表示保留该点，反之函数值为0表示剔除该点。

位置计算步骤，或进一步称为时间同步和位置预判步骤：以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自当前最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；该步骤是指根据最新的AIS信息对本船和其他相关船舶在时间序列上按照一定的时间间隔进行时间同步和位置预判，将离散、异步的AIS数据向相同时间点进行转换的过程。主要包含时间同步、坐标计算。

具体地，如图5所示，时间同步就是以当前时刻为时间起点、按照5秒为时间间隔往后推移30分钟，计算出每一个时间点(即360个时间点)，并分别计算出本船A和他船B当前最新船舶AIS数据接收时间与每个时间点的时间差Δt_A1，Δt_A2，Δt_A3......Δt_An，Δt_B1，Δt_B2，Δt_B3......Δt_Bn，设本船当前最新AIS数据接收时间为t₀，当前时刻为t，则本船当前最新AIS数据接收时间与同步时间点i的时间差T_s(i)计算公式如下：

T_s(i)＝(t-t₀)+5×i (6)

设他船当前最新AIS数据接收时间为t₁，当前时刻为t，则他船当前最新AIS数据接收时间与同步时间点i的时间差T_o(i)计算公式如下：

T_o(i)＝(t-t₁)+5×i (7)

其中，i表示以5秒为时间间隔向后推移的第i个5秒，其取值范围为0～360。

在计算出本船和他船当前最新船舶AIS数据接收时间与每个时间点的时间差后，根据本船和他船当前最新船舶AIS数据接收时间与每个时间点的时间差计算得到本船和他船的航行时间。

位置预判是指根据当前时刻本船和他船的航行时间、船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标。设已知点的经纬度为(lon₀,lat₀)，航速为s，航向角(偏北角)为c，航行时间为δt，则新的经纬度计算公式描述如下：

F(lon,lat)＝f(lon₀,lat₀,s,c,δt) (8)

其中，F(lon,lat)为输出函数，(lon,lat)为新的经纬度坐标。

距离及时间预判步骤：根据未来某时刻本船的经纬度坐标和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；该步骤是指计算船舶同步预判位置序列各个对应位置之间的相对距离，从中计算本船与其他相关船舶一段时间内的最小距离和计算到达最小距离位置需要多少时间的过程。主要包括计算本船与他船预判点位序列相对距离、计算最近会遇距离和最小会遇时间。

具体地，设未来某时刻本船的经纬度坐标为(lon₁,lat₁)，他船的经纬度坐标位置为(lon₂,lat₂)，则两船之间的相对距离计算公式如下：

其中，D为两船之间相对距离，R为地球半径。

在计算出本船和他船的相对距离后，并对应计算出30分钟内本船和他船在每一个时间点的相对距离，即对预判的360对经纬度坐标分别计算其相对距离，得到360个相对距离，然后在这360个相对距离中，提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离DCPA，并确定该最近会遇距离对应的最小会遇时间TCPA。计算公式如下：

其中，D_m表示最小相对距离，m表示最小相对距离对应的预判时间序号，取值范围为1～n，n表示预判点个数，此处为360；D₁～D_n为相对距离，T_m为最小相对距离对应的时间。

通过上述方法即可得到最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA，计算公式如下：

会遇态势判断步骤：根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；该步骤指根据两船到达最近位置时他船相对本船的弦角来判定两船是哪种会遇态势，即根据预判数据中距离、位置、角度关系进行会遇态势判断的过程。主要包括计算他船相对本船的方位角、弦角计算和判定会遇态势。

具体地，首先提取出处于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标以及本船航向角，然后根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，设他船相对本船的方位角为θ，设本船航向角为c，则他船相对本船的弦角ω计算公式如下：

在计算出他船相对本船的弦角后，根据弦角判断出本船和他船的会遇态势，航海理论将会遇态势分成对遇、追越、交叉和其他等几种态势，判定会遇态势是指根据船舶领域(船舶周围的区域)知识和弦角判定两船属于哪一种会遇态势。根据会遇态势分类和弦角关系，会遇态势判定函数f(ω)描述如下：

阈值调整步骤，或进一步称为最近会遇距离报警阈值调整和最小会遇时间报警阈值调整步骤，也即图1中的自适应调整DCPA阈值及TCPA阈值步骤，该步骤是指通过计算本船周围海域的AIS分布密度、平均航速和平均距离等参数，自动识别本船所处的区域状况，结合目标船舶的会遇态势，在一定范围内自适应调整最小DCPA和TCPA报警阈值的过程。主要包括计算船舶分布密度、平均相对距离、平均速度及调整DCPA阈值和TCPA阈值。

根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，船舶分布密度计算通过统计本船一定范围内船舶的数量实现，设密度用ρ表示，其初始值为0，则密度计算公式如下：

其中，D_i表示其周围第i艘船到本船的距离，T为距离阈值。

然后，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，平均相对距离计算公式如下：

其中，

为平均相对距离。

再根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速，平均航速计算公式如下：

其中，

为平均速度，v_i为第i艘船的航行速度。

然后根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离DCPA报警阈值和最小会遇时间TCPA报警阈值，依据碰撞的危险程度计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，即自动调整DCPA报警阈值和TCPA的报警阈值，以达到较好的报警效果。

自适应调整阈值是根据得到的特征参数，判断本船所处的水域是开阔水域、交汇水域或内河水域，然后结合船舶之间的会遇态势，进行有区别的阈值调整。设初始设置的DCPA报警阈值为d₀，TCPA的报警阈值为t₀，则自适应阈值计算公式如下：

其中，d表示调整后的DCPA阈值，

表示各参数综合得到的DCPA阈值调整权重，ts表示会遇态势。t表示调整后的TCPA阈值，

表示各参数综合得到的TCPA阈值调整权重。

多点碰撞判定及预警步骤：基于轨迹的多点碰撞判定及预警是指通过对船舶双方航行轨迹上的多点进行分析，判断一段时间内的本船与他船是否有多个轨迹点的预判结果都落在DCPA和TCPA阈值范围之内，从而判断相关船舶是否存在碰撞风险并进行相应预警。主要包括单点碰撞判定和多点综合判定及预警。该步骤是通过对船舶双方运行轨迹上的多点进行分析，判断一段时间内的本船与某船是否有多个轨迹点的预判结果都落在DCPA和TCPA阈值范围之内，从而判断相关船舶是否存在碰撞风险并进行相应预警。主要包括单点碰撞判定和多点综合判定及预警。

如图6所示，单点碰撞判定是指将某时刻本船与他船(B船)在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离DCPA和最小会遇时间TCAP分别与自适应调整后的DCPA报警阈值和TCAP报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于DCPA报警阈值，且最小会遇时间小于TCAP报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险，反之则不存在碰撞风险。单点碰撞判定公式如下：

其中，J(D_i,T_i)表示碰撞判定函数，D_i为该轨迹点上计算得到的两船的DCPA，T_i为该轨迹点上计算得到的TCPA，d为DCPA阈值，t为TCPA阈值，结果为1表示有碰撞风险，反之则表示没有碰撞风险。

如图7所示，多点综合判定及预警是指将某一时间段内本船与他船(B船)在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。即如果在一段时间内，多个(例如3个)轨迹点的预判结果均存在碰撞风险，则需要进行风险报警，相反若只有个别(例如1个或2个)轨迹点有碰撞风险，则视为报警条件不充分，无需报警。报警逻辑函数关系描述如下：

其中，A(tr₀,tr_m)表示碰撞判定函数，tr₀表示本船轨迹，tr_m表示某船m的轨迹，J(D_i,T_i)为前面所述的单点碰撞判定函数，i为轨迹上对应点序号，n为统计的轨迹点个数，B为碰撞点位个数阈值。A(tr₀,tr_m)为1表示需要报警，反之则无需报警。

本发明还涉及了一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，该系统与上述基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法相对应，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获取模块、位置计算模块、距离及时间预判模块、会遇态势判断模块、阈值调整模块和多点碰撞判定及预警模块，具体地，

数据获取模块，获取在航船舶AIS原始报文数据，并对在航船舶AIS原始报文数据进行解析，得到船舶AIS数据；

位置计算模块，以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；

距离及时间预判模块，根据未来某时刻本船的经纬度坐标和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；

会遇态势判断模块，根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；

阈值调整模块，根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，并根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速；根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值；

多点碰撞判定及预警模块，将某一时间段内本船与他船在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。

优选地，在数据获取模块之后，还包括轨迹计算及异常点去除模块，所述数据获取模块通过所述轨迹计算及异常点去除模块连接位置计算模块：

根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；根据航行轨迹中每个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值与预设的航向角阈值的比对结果，以及航行轨迹中每个轨迹点的航速和轨迹航速的差值与预设的航速阈值的比对结果，判断轨迹点是否为异常点，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除，否则为正常点，保留。

优选地，多点碰撞判定及预警模块中，碰撞风险的判定包括：将某时刻本船与他船在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于最近会遇距离报警阈值，且最小会遇时间小于最小会遇时间报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险。

优选地，船舶AIS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、呼号、船名、船高、船长和船宽等，所述动态数据包括船舶经纬度位置信息、时间戳、对地航向、对地航速和船艏向等。

优选地，会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉态势等。

本发明提供了客观、科学的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法及系统，基于AIS数据，采用特定的预设时间间隔进行超前位置计算，得到未来某一时间段内多个位置，进而计算出DCPA和TCPA，并采用特定计算方式计算出船舶分布密度、平均距离和平均速度，结合船舶会遇态势，自动调整DCPA阈值和TCPA阈值，并利用船舶航行轨迹进行多个轨迹点的碰撞判断，判断出碰撞风险并预警，消除了固定阈值在不同水域产生误报的问题，且判定过程能够更好的体现船舶的真实态势，具有更高的准确性。

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 (10)

1.一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取在航船舶AIS原始报文数据，并对在航船舶AIS原始报文数据进行解析，得到船舶AIS数据；

位置计算步骤：以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；

距离及时间预判步骤：根据未来某时刻本船和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；

会遇态势判断步骤：根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；

阈值调整步骤：根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，并根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速；根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值；

多点碰撞判定及预警步骤：将某一时间段内本船与他船在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。

2.根据权利要求1所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，在数据获取步骤之后，还包括轨迹计算及异常点去除步骤：

根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；

将航行轨迹中每个轨迹点的航向角与轨迹航向角进行比对，以及将航行轨迹中每个轨迹点的航速与轨迹航速进行比对，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除。

3.根据权利要求1或2所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，所述多点碰撞判定及预警步骤中，将某时刻本船与他船在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于最近会遇距离报警阈值，且最小会遇时间小于最小会遇时间报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险。

4.根据权利要求1或2所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，所述数据获取步骤中，所述船舶AIS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、呼号、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。

5.根据权利要求1或2所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警方法，其特征在于，所述会遇态势判断步骤中，所述会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉态势。

6.一种基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取模块、位置计算模块、距离及时间预判模块、会遇态势判断模块、阈值调整模块和多点碰撞判定及预警模块，

所述数据获取模块，获取在航船舶AIS原始报文数据，并对在航船舶AIS原始报文数据进行解析，得到船舶AIS数据；

所述位置计算模块，以当前时刻为时间起点、预设时间段为时间间隔，计算出当前时刻后某一时间段内的多个时间点，并计算出本船和他船各自最新船舶AIS数据接收时间分别与每个时间点的时间差，进而根据时间差计算得到本船和他船的航行时间；根据当前时刻本船和他船的航行时间以及船舶AIS数据中的航向角、平均航速和经纬度坐标计算出未来某时刻本船和他船的经纬度坐标；

所述距离及时间预判模块，根据未来某时刻本船和他船的经纬度坐标计算得到本船和他船的相对距离，并对应计算出未来某一时间段内多个时间点的本船和他船的多个相对距离，从多个相对距离中提取出最小相对距离作为两船会遇时的最近会遇距离，进而确定两船的最小会遇时间；

所述会遇态势判断模块，根据位于最近会遇距离时本船和他船的经纬度坐标计算出他船相对本船的方位角，根据他船相对本船的方位角和船舶AIS数据中本船的航向角计算出他船相对本船的弦角，并根据弦角判断出本船和他船的会遇态势；

所述阈值调整模块，根据本船和他船的相对距离计算出本船周围海域的船舶分布密度，根据船舶分布密度、本船和他船的相对距离计算出本船与他船的平均相对距离，并根据船舶分布密度和船舶AIS数据中的船舶航速计算出平均航速；根据计算出的船舶分布密度、平均相对距离和平均航速，并结合本船和他船的会遇态势以及初始预设的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值，计算出待自适应调整的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值；

所述多点碰撞判定及预警模块，将某一时间段内本船与他船在航行轨迹中多个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，并根据比对结果确定两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量，若两船之间存在碰撞风险的轨迹点数量大于预设的数量阈值，则进行碰撞风险预警。

7.根据权利要求6所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，还包括轨迹计算及异常点去除模块，所述数据获取模块通过所述轨迹计算及异常点去除模块连接位置计算模块：

根据船舶AIS数据计算出船舶在航行轨迹中多个轨迹点的轨迹航速，并根据船舶AIS数据计算出任意相邻两个轨迹点的航向角，进而计算出船舶的轨迹航向角；

将航行轨迹中每个轨迹点的航向角与轨迹航向角进行比对，以及将航行轨迹中每个轨迹点的航速与轨迹航速进行比对，若航行轨迹中某个轨迹点的航向角和轨迹航向角的差值大于等于预设的航向角阈值，且航行轨迹中某个轨迹点的航速和轨迹航速的差值大于等于预设的航速阈值，则该轨迹点为异常点，将该异常点剔除。

8.根据权利要求6或7所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，所述多点碰撞判定及预警模块中，将某时刻本船与他船在航行轨迹中某个轨迹点的最近会遇距离和最小会遇时间分别与自适应调整后的最近会遇距离报警阈值和最小会遇时间报警阈值进行比对，若最近会遇距离小于最近会遇距离报警阈值，且最小会遇时间小于最小会遇时间报警阈值，则判断在该轨迹点两船存在碰撞风险。

9.根据权利要求6或7所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，所述船舶AIS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、呼号、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。

10.根据权利要求6或7所述的基于AIS的在航船舶碰撞风险检测及预警系统，其特征在于，所述会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉态势。

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