CN115407786A - 一种船舶全航程自动航行决策方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶全航程自动航行决策方法、装置、设备及介质。该方法包括：根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策。本发明的技术方案，能够在全航程环境中，基于不同航行场景，对船舶进行高效决策，实现船舶的全航程自动航行，节省人力。

Description

一种船舶全航程自动航行决策方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及水运交通和智能船舶领域，尤其涉及一种船舶全航程自动航行决策方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着智能船舶的发展，在船舶航行中，航行决策不仅仅包括避碰决策，还包括航行场景的任务决策，而航行场景的任务决策往往需凭借值班驾驶员的主观经验来确定。

因此，如何在船舶全航程自动航行中，实现自动航行决策，降低值班驾驶员的劳动强度，提高船舶航行的安全性，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种船舶全航程自动航行决策方法、装置、设备及介质，能够在全航程环境中，基于不同航行场景，对船舶进行高效决策，实现船舶的全航程自动航行，节省人力。

根据本发明的一方面，提供了一种船舶全航程自动航行决策方法，包括：

根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；所述航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息；航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域；

基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；

基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策；所述有限状态机包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。

根据本发明的另一方面，提供了一种船舶全航程自动航行决策装置，包括：

标志位确定模块，用于根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；所述航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息；航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域；

状态确定模块，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；

决策模块，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策；所述有限状态机包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例所述的船舶全航程自动航行决策方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的船舶全航程自动航行决策方法。

本发明实施例的技术方案，根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位，基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态，基于预设的有限状态机，根据航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。通过基于有限状态机，针对不同的航行场景，确定相应的航行状态和航行动作从而做出航行决策，能够在全航程环境中对船舶进行高效决策，实现船舶的全航程自动航行，降低值班驾驶员的劳动强度，节省人力。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是本发明实施例一提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程图；

图1B是本发明实施例一提供的航行状态的示意图；

图1C是本发明实施例一提供的航行动作的示意图；

图2A是本发明实施例二提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程图；

图2B是本发明实施例二提供的航行场景的转换标志位示意图；

图2C是本发明实施例二提供的航行场景的转变流程示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程示意图；

图4是本发明实施例四提供的一种船舶全航程自动航行决策装置的结构框图；

图5是本发明实施例五提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“目标”、“候选”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

图1A是本发明实施例一提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程图，图1B是本发明实施例一提供的航行状态的示意图；图1C是本发明实施例一提供的航行动作的示意图。本实施例适用于在船舶航行过程中，基于航行场景，实现全航程自动决策的情况，该方法可以由船舶全航程自动航行决策装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并可集成于具有船舶全航程自动航行决策功能的电子设备中。如图1A所示，该方法包括：

S101、根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位。

其中，航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息。船舶所处的方位信息可以包括船舶的位置、航向和航速。环境信息是指船舶的周围环境中的相关信息，例如，其他船舶的方位信息。航行区域的分区信息是指船舶航行的海面、河面或江面预先规划的分区的位置信息，例如基于经纬度信息，预先划定不同区域为不同的航行区域。具体的，航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域，泊船区域是指泊位附近预设范围内的水域，航行区域还可以包括分道通航区、定线区和锚泊区等。

规划航行路线是指预先规划的船舶的航行路线。规划航行路线可以包括船舶航行路线中航路点、起始地址等信息。航行场景是指船舶在航行中所处的场景，具体的，航行场景至少包括：靠泊航行场景、航道航行场景、开阔水域航行场景、离泊航行场景以及系泊场景。特别的，在开阔水域区域，船舶还可能处于分道通航区航行场景、船舶定线区航行场景或锚泊场景。转换标志位是指表征航行场景之间转换关系的标志位，如船舶当前航行场景为A航行场景，下一航行场景为B航行场景，则可以确定转换标志位为A航行场景向B航行场景转换。

可选的，可以根据船舶本身搭载的定位与导助航设备获取船舶所处的位置、航速和航向等信息，生成船舶所处的方位信息；根据船舶本身搭载的雷达与AIS（AutomaticIdentification System，船舶自动识别系统）获取本机船舶周围其他船舶的位置、航速和航向信息，生成环境信息；并从存储单元获取预存的航行区域的分区信息，最后根据船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息，生成船舶的航行参数信息。

其中，定位与导助航设备可以包括导航雷达、船舶自动识别系统、惯性导航系统以及高精度GNSS（全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System）等。

可选的，确定船舶的航行参数信息并获取船舶的规划航行路线之后，可以对船舶的航行参数信息和规划航行路线进行分析，确定船舶当前所处的航行场景和船舶下一阶段的预期所处的航行场景，从而生成航行场景的转换标志位，即确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位。

S102、基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态。

其中，有限状态机是指有限状态自动机（finite state machine，FSM），是一种计算模型，可以包含各航行场景和航行状态之间的关联关系。航行状态是指在对应航行场景下船舶所处的航行状态。

示例性的，参见图1B，航行状态可以包括以下至少一种：停车状态、航道内自由航行状态、开阔水域自由航行状态、离泊状态、靠泊状态、航道内自主避碰状态、开阔水域自主避碰状态、跟驰前船状态以及紧急制动状态。

不同的航行场景可以包括不同的航行状态，预设的有限状态机存储有航行场景与航行状态的关联关系，示例性的，离泊航行场景包括离泊状态和紧急制动状态；航道航行场景包括航道内自由航行状态、航道内自主避碰状态、跟驰前船状态、紧急制动状态；开阔水域航行场景主要包括开阔水域自由航行状态、开阔水域自主避碰状态、紧急制动状态；靠泊航行场景包括靠泊状态和紧急制动状态；锚泊场景包括停车状态；系泊场景只包括停车状态。

可选的，可以根据航行场景，基于预设的有限状态机，对有限状态机中航行场景和航行状态之间的关联关系进行查询，确定该航行场景对应的至少一个候选航行状态，进一步基于预设的规则，对转换标志位和航行参数信息进行分析，从至少一个候选航行状态中，确定船舶的目标航行状态。

S103、基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。

其中，有限状态机是指有限状态自动机（finite state machine，FSM），是一种计算模型，具体可以包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。目标航行动作是指目标控制船舶执行的动作，航行动作可以包括：进车（加速）、减车（减速）、向左转向、向右转向、停车（紧急制动）、倒车（紧急制动）以及保速保向等。保速保向是指保持船舶原来（如上一时刻或上一阶段）的速度和方向行驶的航行动作。航行决策是指可以表征控制船舶的各个模块或组件，执行对应目标航行动作的决策。

示例性的，基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作时，其对应的关系如下：

若航行场景为离泊航行场景，且航行状态为离泊状态，则对应的候选航行动作包括：进车、倒车、向左转舵、向右转舵、停车以及紧急制动等，其中，进车、倒车、停车和紧急制动分别控制螺旋桨转向和转速，而向左/右转舵分别由舵机系统控制；若航行场景为航道航行场景，且航行状态为航道内自主航行状态，则对应的候选航行动作包括：保速保向。其中，保速保向主要为螺旋桨和舵机系统继续按照初始指令执行，航道内自主航行状态是指当本船处于航道航行场景且与其他船舶无碰撞危险，或与其他船舶存在碰撞危险但碰撞危险度未达到碰撞阈值时的状态。

若航行场景为航道航行场景，且航行状态为航道内自主避碰状态，则对应的候选航行动作包括：向左/右转向和减车，其中向左/右转向动作指令分别控制舵机系统，减车动作指令控制螺旋桨的转速，航道内自动避碰状态是当本机船舶处于航道航行场景、与其他船舶存在碰撞危险，且碰撞危险度达到碰撞阈值时的状态。

若航行场景为开阔水域航行场景，且航行状态为开阔水域自由航行状态，则对应的候选航行动作包括：保速保向。其中，开阔水域自由航行状态是当本机船舶处于开阔水域航行场景且与其他船舶无碰撞危险，或与其他船舶存在碰撞危险但碰撞危险度未达到碰撞阈值时的状态。若航行场景为开阔水域航行场景，且航行状态为开阔水域自主避碰状态，则对应的候选航行动作包括：向左/右转向，需要说明的是，开阔水域避碰通常不使用减车的航行动作。其中，开阔水域自主避碰状态是当本机船舶处于开阔水域航行场景且与其他船舶存在碰撞危险且碰撞危险度阈值大于碰撞阈值时的状态。

若航行场景为锚泊场景，且航行状态为锚泊区自主航行状态（当本机船舶处于预设锚泊区且与其他船舶的碰撞危险度小于碰撞危险度阈值时的状态），则相应的候选航行动作为保速保向；若航行场景为锚泊场景，且航行状态为锚泊区自动避碰状态（当本机船舶处于锚泊区且与其他船舶的碰撞危险度大于等于碰撞危险度阈值时的状态），则相应的候选航行动作包括：减车、向左和向右转向。该动作下的指令分别控制螺旋桨和舵机系统；若航行场景为靠泊航行场景，且航行状态为靠泊状态，则相应的候选航行动作为停车（淌航）、向左/右转向、倒车、进车、紧急制动等。其中，紧急制动、进车、停车和倒车的执行机构为主机（螺旋桨），向左/右转向的执行机构为舵机系统；若航行场景为分道通航区航行场景或船舶。定线区航行场景，则候选航行动作为保速保向。

可选的，若确定的候选航行动作的数量为一个，则可以直接确定该候选航行动作为目标航行动作，若确定的候选航行动作的数量为至少两个，则可以对船舶的航行参数信息、规划航行路线、当前的航行场景以及目标航行状态进行分析，从候选航行动作中筛选出满足预设筛选条件的目标航行动作。

可选的，可以根据航行场景和目标航行状态，基于预设的有限状态机中航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系，确定航行场景和目标航行状态对应的候选航行动作，进一步基于预设的规则，从候选航行动作中确定目标航行动作。具体的，基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，包括：若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自主避障状态，则基于预设的有限状态机，确定船舶的候选避障方向；根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，分别确定沿候选避障方向进行避障并回归规划航行路线所需的移动距离；根据移动距离，从船舶的候选避障方向中确定目标避障方向，并根据目标避障方向，确定船舶的目标航行动作。

其中，候选避障方向是指本机船舶进行避障可选的转向方向。候选避障方向可以包括向左避障和向右避障。目标避障方向是指候选避障方向中目标采用的避障方向。

可选的，若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自主避障状态，则可以基于预设的有限状态机，确定船舶的候选航行动作为向左转向和向右转向，即确定候选避障方向为向左转向航行避障和向右转向航行避障，进一步的，可以根据船舶航行参数信息中船舶所处的方位信息和规划路线信息，确定船舶所处位置与规划路线的关系，根据船舶所处位置与规划路线的关系，分别确定沿候选避障方向进行避障并回归规划航行路线所需的移动距离，进一步根据移动距离，从船舶的候选避障方向中确定目标避障方向。例如，向左转向航行避障所需移动距离为10km，向右转向航行避障所需移动距离为5km，则可以确定目标避障方向向右转向避障。根据确定的目标避障方向，可以确定船舶的目标航行动作为向右转向。

可选的，基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，包括：若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自由航行状态，则基于预设的有限状态机，直接确定船舶的目标航行动作为保速保向。

可选的，确定目标航行动作之后，可以基于预设的规则，确定实现该目标航行动作所需控制的模块或系统，以及对不同模块或系统的控制策略，生成船舶的航行决策。例如，若目标航行动作为向左/右转向，则可以确定需要控制的舵机系统，生成航行决策。若目标航行动作为保速保向，则可以确定需要控制的为螺旋桨和舵机系统，生成航行决策。

本发明实施例的技术方案，根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位，基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态，基于预设的有限状态机，根据航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。通过基于有限状态机，针对不同的航行场景，确定相应的航行状态和航行动作从而做出航行决策，能够在全航程环境中对船舶进行高效决策，实现船舶的全航程自动航行，降低值班驾驶员的劳动强度，节省人力。

实施例二

图2A是本发明实施例二提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程图，图2B是本发明实施例二提供的航行场景的转换标志位示意图；图2C是本发明实施例二提供的航行场景的转变流程示意图，本实施例在上述实施例的基础上，进一步对“根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位”进行详细的解释说明，如图2A所示，该方法包括：

S201、根据船舶的航行参数信息中船舶的位置信息，以及规划航行路线，确定船舶所处的航路点和船舶的航行路线信息。

其中，航行路线信息包括：驶离港口、离开泊位、目标港口以及目标泊位的信息。航路点是指预设的航行路线中经过的预设航行地点。船舶的位置信息是指航行参数信息中船舶所处的方位信息中包含的位置信息。

可选的，可以确定船舶的航行参数信息中的方位信息，并从方位信息中提取出船舶的位置信息，即获取船舶的位置信息。

可选的，可以直接获取相关人员预先确定的规划航行路线，也可以根据确定的目的地，生成规划航行路线，即确定规划航行路线。

可选的，可以将规划航行路线中各预设航路点的位置信息，与船舶的位置信息进行比对，确定与船舶位置最近的航路点，作为船舶所处的航路点；对规划航行路线中驶离港口、离开泊位、目标港口以及目标泊位的信息进行提取，确定船舶的航行路线信息。

S202、根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景。

可选的，可以将船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及航行路线信息输入预先训练的好模型，输出船舶当前所处的航行场景；也可以基于预设的规则，对船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及航行路线信息进行分析，确定船舶当前所处的航行场景。

可选的，根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景，包括：若船舶的离开泊位与船舶之间的距离大于预设的离泊阈值，且船舶位于驶离港口的港口航道区域，则确定船舶当前所处的航行场景为航道航行场景；若船舶的目标泊位与船舶之间的距离小于或等于预设的靠泊阈值、船舶所处的航路点为规划航行路线的最后一个航路点，且船舶位于目标港口的泊船区域，则确定船舶当前所处的航行场景为靠泊航行场景；若船舶与目标泊位或离开泊位之间的距离小于预设系泊距离，且船舶的航行参数信息中的航速小于预设系泊航速阈值，则确定船舶当前所处的航行场景为系泊场景。

其中，离泊阈值和靠泊阈值为不同的常数。离泊阈值和靠泊阈值可以预先根据船型和操作性进行自适应调整。系泊是指用链条、缆绳、锚或其它工具把船艇飞行器定位的动作。预设系泊航速阈值为预设的表征船舶船身上系有缆绳状态的船舶航行速度的上限值，例如预设系泊航速阈值可以为0.3km/h。

S203、根据船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位。

可选的，根据船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位，包括：根据船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线，确定船舶下一阶段的航行场景；根据下一阶段的航行场景和船舶当前所处的航行场景，确定航行场景的转换标志位。

可选的，可以基于预设的规则，对船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线进行分析，预测船舶下一阶段的航行场景；也可以将船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线输入预先训练好的预测模型，输出船舶下一阶段的航行场景。

S204、基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态。

S205、基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。

可选的，参见图2B，若检测到满足航行场景转换条件，如检测到船舶的位置与预测的下一阶段的航行场景的目标位置之间的距离小于预设转换距离阈值，则可以进入该下一阶段的场景，执行上述S204-205步骤，即确定目标航行状态和目标航行动作，并根据目标航行动作，进行船舵控制，实现对目标航行动作的执行，执行完毕之后，若检测到再下一阶段的航行场景，则可以退出当前的转换标志位，确定新的转换标志位并进入再下一阶段的航行场景对应的转换标志位。

本发明实施例的技术方案，根据船舶的航行参数信息中船舶的位置信息，以及规划航行路线，确定船舶所处的航路点和船舶的航行路线信息，根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景，根据船舶当前所处的航行场景、航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位，最后确定目标航行状态和目标航行动作，进行航行决策。通过这样的方式，给出了确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位的一种可实施方式，可以准备确定出船舶当前所处的航行场景，并监控船舶航行场景转换的条件，从而可以确定出更准确的航行动作，实现高效的自动航行决策。

优选的，参见图2C，给出了一种船舶从A港口泊位航行至B港口泊位过程中航行场景的转换示意图，具体过程如下：船舶离泊前，根据目标港口的位置信息进行全局路径规划，确定规划航行路线，此时的航行场景为系泊场景，当船舶解下最后一根缆绳后，开始离泊，此时的航行场景为离泊航行场景，对应的航行动作为螺旋桨错车、倒车，当船舶与离开泊位的相对距离或横距满足预设的离泊滞环函数的安全距离要求时，离泊结束。离泊结束后，本机船舶根据环境信息，判断附近其他船舶的航行情况，若无其他船舶船或其他船舶与本船不会构成碰撞危险，本机船舶的航行场景确定为出港的航道航行场景，船舶循迹航行于出港航线，此时，本机船舶应根据当地的港口航道管理规定，按照规定航速航行，在该过程中，若本机船舶前方有其他船舶同在出港航行，则本机船舶应与其他船舶保持安全距离，跟驰前船排队出港。根据转换标志位，本机船舶的位置信息和预设的航行区域的分区信息，可以判断船舶是否在航道航行，若否，即确定船舶不处于出港的航道航行场景之后，则此时船舶进入港外航行，航行场景确定为开阔水域航行场景。当船舶抵达目的港航道附近后，根据当地进出港管理规定，若船舶需要在锚地抛锚等候，船舶应航行至目的港锚地内，开启锚泊场景，另外，船舶在开阔水域航行时，根据预设的定线区和分道通航区的位置信息，船舶的航行场景还可以是船舶定线区航行场景和分道通航区航行场景。当船舶到达B港港外航道附近时，船舶准备进港并航行至B港入港航道之后，船舶根据实时位置和航道地理要素信息判断后，航行场景确定为进港的航道航行场景，决策状态和航行动作与出港相同。随着船舶不断进港航行，抵达泊位附近后，可以对船舶的航行趋势进行分析，即确定船舶是否不断地驶近码头，相对距离越来越小；同时，确定船舶与泊位间的相对距离是否小于靠泊阈值；当船舶与泊位间的相对距离满足上述两个条件后，根据设定的滞环函数确定进入靠泊航行场景，以减小由于外界环境干扰船舶运动导致发生航行场景跳变的概率。船舶完成靠泊作业后，航行场景确定为系泊场景。其中，船舶在内河航行时，一般不存在分道通航区航行场景，在内河领域（如长江），会存在预设的船舶定线区航行场景。

实施例三

图3是本发明实施例三提供的一种船舶全航程自动航行决策方法的流程示意图，本实施例在上述实施例的基础上，进一步对“基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态”的过程进行详细解释说明，如图3所示，该方法包括：

S301、根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位。

S302、若确定航行场景为航道航行场景，且航行场景未进入转换标志位，则基于预设的有限状态机，确定航道航行场景关联的候选航行状态为航道内自由航行状态、跟驰前船状态、航道内自主避碰状态以及紧急制动状态。

可选的，若确定航行场景为航道航行场景，且检测到该航行场景未达到进入下一阶段航行场景的条件，即未进入转换标志位，则可以基于预设的有限状态机，对有限状态机中航行场景和航行状态之间的关联关系进行查询，确定该航行场景对应的至少一个候选航行状态，从而确定出航道航行场景关联的候选航行状态为航道内自由航行状态、跟驰前船状态、航道内自主避碰状态以及紧急制动状态。

可选的，若检测到航行场景进入了转换标志位，则可以根据该转换标志位，更新航行场景为转换后的航行场景，并基于预设的有限状态机，确定更新后的航行场景关联的候选航行状态。

S303、若根据航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到本机船舶的预设距离范围内存在其他船舶、位于本机船舶前方的目标船舶与本机船舶的航向航速均相同、且目标船舶与本机船舶同在航道内航行，则确定本机船舶的目标航行状态为跟驰前船状态。

可选的，若根据航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到其他船舶与本机船舶的航向不同，且其他船舶与本机船舶之间的距离小于预设安全距离阈值，则确定本机船舶的目标航行状态为紧急制动状态。

S304、基于预设的有限状态机，根据航行场景和目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。

本发明实施例的技术方案，若确定航行场景为航道航行场景，且航行场景未进入转换标志位，则基于预设的有限状态机，确定航道航行场景关联的候选航行状态为自由航行状态、跟驰前船状态以及紧急制动状态，若根据航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到本机船舶的预设距离范围内存在其他船舶，且其他船舶与本机船舶的航向相同，则确定本机船舶的目标航行状态为跟驰前船状态，最后确定船舶的目标航行动作并进行决策。通过这样的方式，给出了确定船舶的目标航行状态的一种可实施方式，可以确定出准确的目标航行状态，便于后续确定出准确的航行决策。

实施例四

图4是本发明实施例四提供的一种船舶全航程自动航行决策装置的结构框图，本发明实施例所提供的一种船舶全航程自动航行决策装置可执行本发明任一实施例所提供的船舶全航程自动航行决策方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

如图4所示，该装置包括：

标志位确定模块401，用于根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；所述航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息；航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域；

状态确定模块402，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；

决策模块403，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策；所述有限状态机包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。

本发明实施例的技术方案，根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位，基于预设的有限状态机，根据航行场景、转换标志位以及航行参数信息，确定船舶的目标航行状态，基于预设的有限状态机，根据航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据目标航行动作，确定船舶的航行决策。通过基于有限状态机，针对不同的航行场景，确定相应的航行状态和航行动作从而做出航行决策，能够在全航程环境中对船舶进行高效决策，实现船舶的全航程自动航行，降低值班驾驶员的劳动强度，节省人力。

进一步的，标志位确定模块401可以包括：

信息确定单元，用于根据船舶的航行参数信息中船舶的位置信息，以及规划航行路线，确定船舶所处的航路点和船舶的航行路线信息；所述航行路线信息包括：驶离港口、离开泊位、目标港口以及目标泊位的信息；

场景确定单元，用于根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及所述航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景；

标志位确定单元，用于根据所述船舶当前所处的航行场景、所述航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位。

进一步的，场景确定单元具体用于：

若船舶的离开泊位与船舶之间的距离大于预设的离泊阈值，且船舶位于驶离港口的港口航道区域，则确定船舶当前所处的航行场景为航道航行场景；

若船舶的目标泊位与船舶之间的距离小于或等于预设的靠泊阈值、船舶所处的航路点为规划航行路线的最后一个航路点，且船舶位于目标港口的泊船区域，则确定船舶当前所处的航行场景为靠泊航行场景；所述离泊阈值和所述靠泊阈值为不同的常数；

若船舶与目标泊位或离开泊位之间的距离小于预设系泊距离，且船舶的航行参数信息中的航速小于预设系泊航速阈值，则确定船舶当前所处的航行场景为系泊场景。

进一步的，标志位确定单元具体用于：

根据所述船舶当前所处的航行场景、所述航行参数信息和规划航行路线，确定船舶下一阶段的航行场景；

根据所述下一阶段的航行场景和船舶当前所处的航行场景，确定航行场景的转换标志位。

进一步的，状态确定模块402具体用于：

若确定航行场景为航道航行场景，且航行场景未进入转换标志位，则基于预设的有限状态机，确定航道航行场景关联的候选航行状态为自由航行状态、跟驰前船状态以及紧急制动状态；

若根据所述航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到本机船舶的预设距离范围内存在其他船舶，且其他船舶与本机船舶的航向相同，则确定本机船舶的目标航行状态为跟驰前船状态；

若根据所述航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到其他船舶与本机船舶的航向不同，且其他船舶与本机船舶之间的距离小于预设安全距离阈值，则确定本机船舶的目标航行状态为紧急制动状态。

进一步的，决策模块403具体用于：

若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自主避障状态，则基于预设的有限状态机，确定船舶的候选避障方向；

根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，分别确定沿候选避障方向进行避障并回归规划航行路线所需的移动距离；

根据所述移动距离，从船舶的候选避障方向中确定目标避障方向，并根据所述目标避障方向，确定船舶的目标航行动作。

进一步的，决策模块403具体用于：

若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自由航行状态，则基于预设的有限状态机，直接确定船舶的目标航行动作为保速保向。

实施例五

图5是本发明实施例五提供的电子设备的结构示意图。图5示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备10的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。

如图5所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）12、随机访问存储器（RAM）13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器（ROM）12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器（RAM）13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、ROM 12以及RAM 13通过总线14彼此相连。输入/输出（I/O）接口15也连接至总线14。

电子设备10中的多个部件连接至I/O接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如船舶全航程自动航行决策方法。

在一些实施例中，船舶全航程自动航行决策方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到RAM 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的船舶全航程自动航行决策方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行船舶全航程自动航行决策方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶全航程自动航行决策方法，其特征在于，包括：

根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；所述航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息；航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域；

基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；

基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策；所述有限状态机包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位，包括：

根据船舶的航行参数信息中船舶的位置信息，以及规划航行路线，确定船舶所处的航路点和船舶的航行路线信息；所述航行路线信息包括：驶离港口、离开泊位、目标港口以及目标泊位的信息；

根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及所述航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景；

根据所述船舶当前所处的航行场景、所述航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据船舶的航行参数信息、船舶所处的航路点，以及所述航行路线信息，确定船舶当前所处的航行场景，包括：

若船舶的离开泊位与船舶之间的距离大于预设的离泊阈值，且船舶位于驶离港口的港口航道区域，则确定船舶当前所处的航行场景为航道航行场景；

若船舶的目标泊位与船舶之间的距离小于或等于预设的靠泊阈值、船舶所处的航路点为规划航行路线的最后一个航路点，且船舶位于目标港口的泊船区域，则确定船舶当前所处的航行场景为靠泊航行场景；所述离泊阈值和所述靠泊阈值为不同的常数；

若船舶与目标泊位或离开泊位之间的距离小于预设系泊距离，且船舶的航行参数信息中的航速小于预设系泊航速阈值，则确定船舶当前所处的航行场景为系泊场景。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述船舶当前所处的航行场景、所述航行参数信息和规划航行路线，确定航行场景的转换标志位，包括：

根据所述船舶当前所处的航行场景、所述航行参数信息和规划航行路线，确定船舶下一阶段的航行场景；

根据所述下一阶段的航行场景和船舶当前所处的航行场景，确定航行场景的转换标志位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态，包括：

若确定航行场景为航道航行场景，且航行场景未进入转换标志位，则基于预设的有限状态机，确定航道航行场景关联的候选航行状态为航道内自由航行状态、跟驰前船状态、航道内自主避碰状态以及紧急制动状态；

若根据所述航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到本机船舶的预设距离范围内存在其他船舶、位于本机船舶前方的目标船舶与本机船舶的航向航速均相同、且目标船舶与本机船舶同在航道内航行，则确定本机船舶的目标航行状态为跟驰前船状态；

若根据所述航行参数信息中的环境信息和方位信息，检测到其他船舶与本机船舶的航向不同，且其他船舶与本机船舶之间的距离小于预设安全距离阈值，则确定本机船舶的目标航行状态为紧急制动状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，包括：

若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自主避障状态，则基于预设的有限状态机，确定船舶的候选避障方向；

根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，分别确定沿候选避障方向进行避障并回归规划航行路线所需的移动距离；

根据所述移动距离，从船舶的候选避障方向中确定目标避障方向，并根据所述目标避障方向，确定船舶的目标航行动作。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，包括：

若确定航行场景为开阔水域航行场景，且目标航行状态为开阔水域自由航行状态，则基于预设的有限状态机，直接确定船舶的目标航行动作为保速保向。

8.一种船舶全航程自动航行决策装置，其特征在于，包括：

标志位确定模块，用于根据船舶的航行参数信息和规划航行路线，确定船舶当前所处的航行场景和航行场景的转换标志位；所述航行参数信息包括：船舶所处的方位信息、环境信息，以及预设的航行区域的分区信息；航行区域至少包括：港口航道区域、开阔水域区域以及泊船区域；

状态确定模块，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景、所述转换标志位以及所述航行参数信息，确定船舶的目标航行状态；

决策模块，用于基于预设的有限状态机，根据所述航行场景和所述目标航行状态，确定船舶的目标航行动作，并根据所述目标航行动作，确定船舶的航行决策；所述有限状态机包含各航行场景、航行状态和航行动作之间的关联关系。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的船舶全航程自动航行决策方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的船舶全航程自动航行决策方法。

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