CN116067376B - 一种水下运载器航线安全性分析评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下运载器航线安全性分析评估方法，涉及水下运载器技术领域，针对现有的水下运载器航线进行安全性评估的问题，现提出如下方案，其包括碍航物评估；禁航区评估；安全航深评估；速度约束评估；浅水区评估；训练海区评估，本发明通过碍航物、禁航区、安全航深、速度约束、浅水区、训练海区，结合水深、设置的安全距离等数据，实现对计划航线的评估；适用于水下航线安全性分析评估，可用度高，实用性强。

Description

一种水下运载器航线安全性分析评估方法

技术领域

本发明涉及水下运载器技术领域，尤其涉及一种水下运载器航线安全性分析评估方法。

背景技术

对深海（1000-4000米)进行探测和作业，需要开发一种小型化实用型的水下运载机/器。

探索认知海洋是开发利用、保护海洋的先决条件，水下运载器为海洋环境探索等提供了重要支持；根据安全航行的要求，对计划的航线进行安全性评估，输出不符合安全航行需求的航线，这是水下运载器能否安全完成任务需要重点考虑的。

发明内容

本发明提出的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，解决了水下运载器航线进行安全性评估的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水下运载器航线安全性分析评估方法，包括以下内容：

（1）碍航物评估；

（2）禁航区评估；

（3）安全航深评估；

（4）速度约束评估；

（5）浅水区评估；

（6）训练海区评估。

优选的，所述碍航物评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各碍航物经纬度信息，设置距碍航物的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在碍航物附近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：选出碍航物评估的疑似航线段：考虑碍航物的投影为一个点，因此，以该点为圆心，以碍航物与航线的安全距离为半径作圆，将此圆所在坐标范围与航线段所在坐标范围进行对比，判断是否有交集，选出碍航物评估的疑似航线段；

S5：针对碍航物评估的疑似航线段进行精确计算，判断碍航物到碍航物评估的疑似航线段的最小距离是否小于安全距离；

S6：输出评估结果，包括不安全航线、及其对应的碍航物经纬度信息、不安全航线段的起点及终点的经纬度和时间信息、航线与该碍航物最短距离、航线上距离碍航物最近的点经纬度信息。

优选的，所述禁航区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各禁航区信息，设置距禁航区的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在禁航区内或距离过近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：确定禁航区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为禁航区评估的疑似航线段；

S5：选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近禁航区；

S6：计算航线段与禁航区交点并输出，若不存在，说明航线离禁航区过近，则发出提示。

优选的，所述安全航深评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向、航深，设置距海底的安全深度、距海面的安全深度、允许的最大航深；

S2：判断各航路点的航深是否满足条件，若（水深-航深）<设定的距海底的安全深度或航深<距海面的安全深度或航深>装置允许的最大航深，则分别对其进行输出。

优选的，所述速度约束评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航深、航段距离、速度，设置约束条件、允许的最大航速；

S2：在各个航路点处根据用户设置的约束条件进行判断，对不满足条件的航线段进行输出。

优选的，所述浅水区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、航向、转向时间，导入海深文件中的海深数据；

S2：用插值法取航线的经纬度坐标，读取该经纬度的海深，若小于10米，则判定不安全，并将不安全航线进行输出。

优选的，所述训练海区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各禁航区信息，设置距训练海区的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在训练海区内或距离过近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：确定训练海区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为训练海区评估的疑似航线段；

S5：选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近训练海区；

S6：计算航线段与训练海区交点并输出，若不存在，说明航线离训练海区过近，则发出提示。

本发明的有益效果：

1、通过碍航物、禁航区、安全航深、速度约束、浅水区、训练海区，结合水深、设置的安全距离等数据，实现对计划航线的评估；本方法适用于水下航线安全性分析评估，可用度高，实用性强。

2、本方案与现有技术不同，在进行安全性分析评估时，不仅考虑到多因素的影响（碍航物、禁航区、浅水区、训练海区、航深、航速），而且由于设置了合理的安全距离，因此采用“航线领域”的概念，运用空间分析法中的缓冲区概念进行分析计算，使得水下运载器在水下航线进行安全性分析评估，保障水下运载器的运行安全。

附图说明

图1为本发明提出的一种水下运载器航线安全性分析评估方法的碍航物评估算法流程图；

图2为本发明提出的一种水下运载器航线安全性分析评估方法的点、线、面缓冲区；

图3为本发明提出的一种水下运载器航线安全性分析评估方法的航线领域示意图。

具体实施方式

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。

参照图1-图3，一种水下运载器航线安全性分析评估方法，包括以下内容：（1）碍航物评估；（2）禁航区评估；（3）安全航深评估；（4）速度约束评估；（5）浅水区评估；（6）训练海区评估；

碍航物评估（1）包括以下步骤：1、导入数据：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各碍航物经纬度信息，设置距碍航物的安全距离；

2、坐标转换：通过墨卡托投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

3、起止点判断：计算起止点距离碍航物距离，若小于安全距离，则记录并输出；

4、选出碍航物评估的疑似航线段：考虑碍航物的投影为一个点，因此，以该点为圆心，以碍航物与航线的安全距离为半径作圆，将此圆形所在坐标范围与航线段所在坐标范围进行对比，判断是否有交集，选出碍航物评估的疑似航线段；

5、针对碍航物评估的疑似航线段进行精确计算：计算碍航物到碍航物评估的疑似航线段所在直线距离，若大于安全距离，则安全，若小于安全距离，计算最小距离点是否在线段上（根据线段范围进行判断），若在线段上，则不安全，若不在线段上，则最小距离点一定在线段端点处取得，计算碍航物到两端点的距离，两者间较小值即为最小距离；

6、输出信息：输出不安全航线、不安全航线对应的碍航物经纬度信息、不安全航线的不安全段起点及终点的经纬度和时间信息、航线与该碍航物最短距离、航线上距离碍航物最近的点经纬度信息。

所述禁航区评估中，用到“航线领域”的概念，参考船舶领域概念，运用空间分析法中的缓冲区(如图2所示)分析；在航线的投影面上建立一个安全缓冲区，将这个安全缓冲区定义为“航线领域”，如图3中区域所示。

考虑禁航区为圆形或多边形，包含以下步骤：

若禁航区是多边形区域。

（1）导入数据：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各禁航区信息，设置距禁航区的安全距离；

（2）坐标转换：通过墨卡托投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

（3）起止点判断：判断起止点是否在禁航区内，方法如下：判断点是否在多边形内的方法为：

a)假设多边形顶点为待判断点为/>求：

其中，/>为待判断点/>在x坐标距离多边形顶点x方向的最大值，/>为待判断点/>在y坐标距离多边形顶点y方向的最小值。

b) 从出发，画以/>为斜率的射线，由/>和/>的选择条件可知，此射线不会与多边形的任何顶点相交；取射线上的另外点：

可证得点/>在多边形区域外,则检测点/>是否存在于多边形内可转化为计算线段/>与多边形各条边相交的交点个数；若交点个数为奇数，则点/>在多边形内部；若交点个数为偶数，则点/>不在多边形内部。

（4）确定禁航区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为确定禁航区评估的疑似航线段。

（5）选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近禁航区（小于安全距离），主要方法为：生成航线段的航线领域，判断航线领域是否与禁航区有重合，则问题等价转化为判断航线领域的四个顶点是否在禁航区内，禁航区的各个顶点是否在航线领域内；若判断结果均为否，则说明该航线段安全，否则，可认定该航线段不安全。

（6）计算航线段与禁航区交点并输出：遍历禁航区的每条边界线段，判断线段是否相交的方法为：假定线段A的两个端点坐标为，线段B的两个端点坐标为，当存在一个或多个/>和/>使得/>与/>异号且/>与/>异号时，说明线段A与线段B存在交叉，计算出进入和离开的时间位置信息；若均不存在交叉，说明不经过禁航区，但该航线段距离禁航区过近，则发出提示，图3中WP0、WP1、WP2与WP3表示航线段，即航线领域中的主控点，航线领域边界交点表示航线段安全区域的边界点。N表示定义的正北方向；/>、/>、/>、/>以及/>、/>、/>、/>表示航线领域中的辅控点，即由起始控制点、终止控制点、圆域切线相交得到交点构成的点集；∆x表示设定的安全距离，或者主控点缓冲区圆域半径，其中主控点缓冲区圆域定义为由各个主控点为圆心的半径可控的圆域范围。

若禁航区是圆形区域：

（1）导入数据：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间和航向，导入各禁航区信息，设置距禁航区的安全距离；

（2）坐标转换：通过墨卡托投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

（3）起止点判断：判断起止点是否在圆形或圆形禁航区的缓冲区内，若不安全，则记录输出；

（4）选出训练海区评估的疑似航线段：生成此圆形区域的缓冲区，再生成圆形缓冲区的最小外接矩形，确定最小外接矩形的坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为训练海区评估的疑似航线段；

（5）针对训练海区评估的疑似航线段进行精确计算：至此，问题转化为训练海区评估的疑似航线段与圆形区域及其缓冲区是否相交的判断；先求圆心到航线段所在直线的距离，若小于圆形半径，求解不安全航线段与圆交点坐标位置，根据位置可算得到达交点的时间，若大于圆形半径但小于半径与安全距离之和，说明离禁航区过近，发出提示。

安全航深评估中，包含以下步骤：

（1）导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向、航深，设置距海底的安全深度、距海面的安全深度、允许的最大航深；

（2）判断各航路点的航深是否满足条件，若（水深-航深）<设定的距海底的安全深度或航深<距海面的安全深度或航深>装置允许的最大航深，则分别对其进行输出。

速度约束评估中，包含以下步骤：

（1）导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航深、航段距离、速度，设置约束条件(航深 X米时，航速 X节)、允许的最大航速；

（2）在各个航路点处根据用户设置的约束条件进行判断，对不满足条件的航线段进行输出。

浅水区评估中，包含以下步骤：

（1）导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、航向、转向时间，导入海深文件中的海深数据；

（2）用插值法取航线的经纬度坐标，读取该经纬度的海深，若小于10米，则判定不安全，并将不安全航线进行输出。

训练海区评估方法包括以下步骤：

（1）导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各禁航区信息，设置距训练海区的安全距离；

（2）通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

（3）判断航线起止点是否在训练海区内或距离过近，若起止点不安全，则记录输出；

（4）确定训练海区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为训练海区评估的疑似航线段；

（5）选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近训练海区；

（6）计算航线段与训练海区交点并输出，若不存在，说明航线离训练海区过近，则发出提示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，包括以下内容：

（1）碍航物评估，得到评估结果，包括不安全航线、及其对应的碍航物经纬度信息、不安全航线段的起点及终点的经纬度和时间信息、航线与该碍航物最短距离、航线上距离碍航物最近的点经纬度信息；

（2）禁航区评估，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近禁航区；在航线的投影面上建立一个安全缓冲区，将这个安全缓冲区定义为“航线领域”；

（3）安全航深评估，判断各航路点的航深是否满足条件；

（4）速度约束评估，对不满足用户约束条件的航线段进行输出；

（5）浅水区评估，根据海深判断航线是否安全；

（6）训练海区评估，判断航线是否进入或者靠近训练海；

所述禁航区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间和航向，导入各禁航区信息，设置距禁航区的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在禁航区内或距离过近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：确定禁航区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为禁航区评估的疑似航线段；

S5：选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近禁航区；

S6：计算航线段与禁航区交点并输出，若不存在，说明航线离禁航区过近，则发出提示。

2.根据权利要求1所述的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，所述碍航物评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各碍航物经纬度信息，设置距碍航物的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在碍航物附近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：选出碍航物评估的疑似航线段：考虑碍航物的投影为一个点，因此，以该点为圆心，以碍航物与航线的安全距离为半径作圆，将此圆所在坐标范围与航线段所在坐标范围进行对比，判断是否有交集，选出碍航物评估的疑似航线段；

S5：针对碍航物评估的疑似航线段进行精确计算，判断碍航物到碍航物评估的疑似航线段的最小距离是否小于安全距离；

S6：输出评估结果，包括不安全航线、及其对应的碍航物经纬度信息、不安全航线段的起点及终点的经纬度和时间信息、航线与该碍航物最短距离、航线上距离碍航物最近的点经纬度信息。

3.根据权利要求1所述的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，所述安全航深评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向和航深，设置距海底的安全深度、距海面的安全深度、允许的最大航深；

S2：判断各航路点的航深是否满足条件，若水深-航深<设定的距海底的安全深度，或航深<距海面的安全深度，或航深>装置允许的最大航深，则分别对其进行输出。

4.根据权利要求1所述的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，所述速度约束评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航深、航段距离、速度，设置约束条件、允许的最大航速；

S2：在各个航路点处根据用户设置的约束条件进行判断，对不满足条件的航线段进行输出。

5.根据权利要求1所述的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，所述浅水区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、航向、转向时间，导入海深文件中的海深数据；

S2：用插值法取航线的经纬度坐标，读取该经纬度的海深，若小于10米，则判定不安全，并将不安全航线进行输出。

6.根据权利要求1所述的一种水下运载器航线安全性分析评估方法，其特征在于，所述训练海区评估包括以下步骤：

S1：导入航线计划表内各航路点的经度、纬度、转向时间、航向，导入各禁航区信息，设置距训练海区的安全距离；

S2：通过投影将经纬度坐标转换为二维平面坐标；

S3：判断航线起止点是否在训练海区内或距离过近，若起止点不安全，则记录输出；

S4：确定训练海区的不安全坐标范围，若航线段的坐标范围与其范围有交集，则选出此航线段，作为训练海区评估的疑似航线段；

S5：选出范围存在重合的航线段，生成“航线领域”，进而精确判断是否进入或靠近训练海区；

S6：计算航线段与训练海区交点并输出，若不存在，说明航线离训练海区过近，则发出提示。