CN111474916A - 船舶航行自主避碰算法测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于算法测试技术领域，具体涉及一种船舶航行自主避碰算法测试方法和装置，旨在为了解决现有技术中自主避碰算法在实际应用于自主避碰前缺少测试环节，无法通过简便、直观的方式检测算法的有效性与可靠性的问题。本申请方法应用于船舶航行数字沙盘***，获取船舶航行信息，触发所述船舶航行数字沙盘***基于船舶航行信息构建并显示三维场景模型；获取三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的目标模型的交互距离，通过交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率；基于船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果。本申请方法可以通过直观的方式展示测试结果，通过简便的方式检测算法的有效性与可靠性。

Description

船舶航行自主避碰算法测试方法和装置

技术领域

本申请属于算法测试技术领域，具体涉及一种船舶航行自主避碰算 法测试方法和装置。

背景技术

远洋运输是使用船舶跨越大洋的运输，使用智能船舶是推动远洋运 输的重要环节。现代船舶在信息感知、通信导航、能效控制、状态监测 与故障诊断、遇险预警救助等多个方面都朝向智能化、高效化方向发展， 因此智能化已成为现代船舶发展的趋势。

智能化船舶的航线规划不再依赖于人手工完成，随着计算机和人工 智能技术的不断发展，通过不同的算法进行自主避碰已成为发展趋势。 现有技术中，自主避碰算法在使用前缺少测试环节，无法通过简便、直 观的方式展示测试效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中自主避碰算法在航线使用前缺少测试环节，无 法通过简便、直观的方式检测算法的有效性与可靠性的问题，本申请提 出了一种船舶航行自主避碰算法测试方法和装置。

(二)技术方案

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种船舶航行自主避碰算法测试方法，应用 于船舶智能航行数字沙盘***，所述船舶智能航行数字沙盘***包括： 用于接收用户发出的指令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行 信息和所述指令信息生成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据 所述三维模型数据生成并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元； 该方法包括：

S10、获取船舶航行信息，所述船舶航行包括测试船舶的船舶信息、 测试海域中目标的目标信息、环境信息和自主避碰航线信息；

S20、触发所述船舶智能航行数字沙盘***中的三维模型生成单元基 于所述船舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单元基于所述三 维模型数据生成并显示三维场景模型；

S30、获取所述三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的 目标模型的交互距离，通过所述交互距离与相应的距离阈值的比较得到 船舶安全通行率；

S40、基于所述船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结 果。

作为本发明方法的一种改进，步骤S30中的“通过所述交互距离与 相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率”包括：

S31、比较交互距离与相应的距离阈值，判断测试船舶模型与每个目 标模型是否存在碰撞风险，包括：

若所述测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶存在碰撞风险， 不能通行；

若所述测试船舶模型与目标模型未发生碰撞且交互距离小于距离阈 值，则船舶存在碰撞风险，能够勉强通行；

若所述测试船舶模型与目标模型的交互距离大于等于距离阈值，则 船舶不存在碰撞风险，能够安全通行；

S32、确定船舶安全通行率，包括：

若所述测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶安全通行率为零；

若所述测试船舶模型未与目标模型发生碰撞，则将船舶能够安全通 行的次数与目标数量的比值作为船舶安全通行率。

作为本发明方法的一种改进，步骤S40中的“基于所述船舶安全通 行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果”包括：

船舶安全通行率大于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰算法 成功，将船舶航行自主避碰算法成功作为船舶航行自主避碰算法测试结 果；

船舶安全通行率小于等于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰 算法失败，将船舶航行自主避碰算法失败作为船舶航行自主避碰算法测 试结果。

作为本发明方法的一种改进，步骤S40后还包括：

步骤S50、根据所述测试船舶模型与各目标模型的交互距离，通过所 述数字沙盘交互单元对基于所述自主避碰航线信息生成的自主避碰航线 进行调整，并将调整后的航线作为所述自主避碰航线的优化结果输出。

作为本发明方法的一种改进，所述数字沙盘交互单元包括触摸屏和 触摸笔。

作为本发明方法的一种改进，所述船舶信息包括测试船舶的长度信 息、宽度信息、航速信息、航向信息、终点位置信息。

作为本发明方法的一种改进，所述目标包括障碍物和/或其他船舶。

作为本发明方法的一种改进，所述目标信息包括：

所述障碍物的位置信息、大小信息，和/或

所述其他船舶的位置信息、长度信息、宽度信息、航速信息、航向 信息。

作为本发明方法的一种改进，所述环境信息包括测试时间信息、气 象信息、能见度信息。

第二方面，本申请提供一种船舶航行自主避碰算法测试装置，应用 于船舶智能航行数字沙盘***，所述船舶智能航行数字沙盘***包括： 用于接收用户发出的指令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行 信息和所述指令信息生成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据 所述三维模型数据生成并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元； 该装置包括：

船舶航行信息获取模块，配置为获取船舶航行信息，所述船舶航行 包括测试船舶的船舶信息、测试海域中目标的目标信息、环境信息和自 主避碰航线信息；

触发模块，配置为触发所述船舶智能航行数字沙盘***中的三维模 型生成单元基于所述船舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单 元基于所述三维模型数据生成并显示三维场景模型；

船舶安全通行率获取模块，配置为获取所述三维场景模型中测试船 舶模型与每个目标信息生成的目标模型的交互距离，通过所述交互距离 与相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率；

测试结果获取模块，配置为基于所述船舶安全通行率，获取船舶航 行自主避碰算法测试结果。

(三)有益效果

本申请提出一种船舶航行自主避碰算法测试方法，可以通过直观的 方式展示测试过程，通过简便的方式检测算法的有效性与可靠性；使用 具有数字化、可视化、智能化特点的船舶航行数字沙盘***，不仅展示 智能船舶自主避碰算法效果，还可以直观展示船舶测试场测试测试过程， 便于专家评价。进一步地，通过数字沙盘交互单元对自主避碰航线进行 调整，并将调整后的航线作为自主避碰航线的优化结果，从而让专家可 以在自主避碰算法测试结束后直接通过交互界面对测试航线进行调整， 更直接的令技术人员明确算法完善方向。本发明方法与现场实际测试相 比，更加简便，可以在不同场合和环境下进行算法和航线测试。

附图说明

本申请借助于以下附图进行描述：

图1为本申请具体实施方式中的船舶航行自主避碰算法测试方法流 程示意图；

图2为本申请具体实施方式中的船舶航行自主避碰算法测试方法一 个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实 施方式，对本发明作详细描述。

请参阅图1，图1为本申请具体实施方式中的船舶航行自主避碰算法 测试方法流程示意图。

本发明一种船舶航行自主避碰算法测试方法，应用于船舶智能航行 数字沙盘***，船舶智能航行数字沙盘***包括用于接收用户发出的指 令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行信息和所述指令信息生 成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据所述三维模型数据生成 并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元；该方法包括：

S10、获取船舶航行信息，船舶航行包括测试船舶的船舶信息、测试 海域中目标的目标信息、环境信息和自主避碰航线信息；

S20、触发船舶智能航行数字沙盘***中的三维模型生成单元基于船 舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单元基于三维模型数据生 成并显示三维场景模型；

S30、获取三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的目标 模型的交互距离，通过交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全 通行率；

S40、基于船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果。

为了便于理解本发明方法，以下先对船舶航行数字沙盘***进行具 体说明，然后对本发明的各个步骤进行详细介绍。

数字沙盘是通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术， 运用数字投影来实现，数字沙盘可以充分体现区位特点，达到一种惟妙 惟肖、变化多姿的动态视觉效果。对参观者来说是一种全新的体验，并 能产生强烈的共鸣，比传统的沙盘模型更直观。

船舶智能航行数字沙盘***，包括：目标船数据接收单元、数字沙 盘交互单元、三维模型生成单元、虚拟场景展示单元。

目标船数据接收单元，用于接收雷达***和船舶自动识别***采集 并发送的预设海域的目标船信息数据，并将目标船信息数据发送至数字 沙盘交互单元和三维模型生成单元。

数字沙盘交互单元，用于接收目标船信息数据，根据本船信息及预 设海域的电子海图数据、目标船信息数据生成数字沙盘交互界面，接收 用户基于数字沙盘交互界面发出的指令信息，将指令信息解析为指令信 息数据发送至三维模型生成单元。

三维模型生成单元，用于接收指令信息数据和目标船信息数据；根 据本船信息及预设海域的电子海图数据、目标船信息数据生成三维模型 数据，并根据指令信息数据对当前三维模型数据进行动态调整；将当前 三维模型数据或动态调整后的三维模型数据作为三维模型数据发送至虚 拟场景展示单元。

虚拟场景展示单元，用于接收三维模型数据，生成并显示相应的三 维数字沙盘模型。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 步骤S30中的“通过所述交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安 全通行率”包括：

S31、比较交互距离与相应的距离阈值，判断测试船舶模型与每个目 标模型是否存在碰撞风险，包括：

若测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶存在碰撞风险，不能 通行；

若测试船舶模型与目标模型未发生碰撞且交互距离小于距离阈值， 则船舶存在碰撞风险，能够勉强通行；

若测试船舶模型与目标模型的交互距离大于等于距离阈值，则船舶 不存在碰撞风险，能够安全通行；

S32、确定船舶安全通行率，包括：

若测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶安全通行率为零；

若测试船舶模型未与目标模型发生碰撞，则将船舶能够安全通行的 次数与目标数量的比值作为船舶安全通行率。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 步骤S40中的“基于所述船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法 测试结果”包括：

船舶安全通行率大于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰算法 成功，将船舶航行自主避碰算法成功作为船舶航行自主避碰算法测试结 果；

船舶安全通行率小于等于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰 算法失败，将船舶航行自主避碰算法失败作为船舶航行自主避碰算法测 试结果。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 步骤S40后还包括：

步骤S50、根据测试船舶模型与各目标模型的交互距离，通过数字沙 盘交互单元对基于自主避碰航线信息生成的自主避碰航线进行调整，并 将调整后的航线作为所述自主避碰航线的优化结果输出。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 数字沙盘交互单元包括触摸屏和触摸笔。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 船舶信息包括测试船舶的长度信息、宽度信息、航速信息、航向信息、 终点位置信息。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 目标包括障碍物和/或其他船舶。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 目标信息包括：

障碍物的位置信息、大小信息，和/或

其他船舶的位置信息、长度信息、宽度信息、航速信息、航向信息。

具体地，在本发明的一个船舶航行自主避碰算法测试方法实施例中， 环境信息包括测试时间信息、气象信息、能见度信息。

请参阅图2，图2为本申请具体实施方式中的船舶航行自主避碰算法 测试方法一个实施例的流程示意图。以下结合图2对本发明方法一个实 施例中的各步骤进行详细说明。

S1、使用触摸笔在数字沙盘操作台的互动界面中选择自主避碰算法 测试模式，选择“新建测试方案”或“测试案例”。选择自主避碰算法 测试模式后，数字沙盘操作台中以三维画面自动呈现船舶测试场所在海 区的电子海图。测试案例是预设测试方案，已包含本船起始位置、本船 信息、目标信息、环境信息，该方案可以是通过无人艇测绘模块获取船 舶测试场在测试阶段的数据。

S2、如果选择“新建测试方案”，转到S3；否则，选择“测试案例”， 转到S5。

S3、在互动界面中输入测试方案，包括本船信息、目标信息、环境 信息等。本船信息包括：船长、船宽、航速、航向、终点位置等；目标 是障碍物或其他船舶，如果是障碍物，则目标信息包括：位置、大小等； 如果是其他船舶，则目标信息包括：位置、船长、船宽、航速、航向等； 环境信息包括：测试时间、气象信息、能见度大小等。

S4、使用触摸笔在互动界面中选择本船有效起始位置；有效起始位 置不能是本船无论如何都不能避开目标的位置。

S5、将触摸笔在本船起始位置按住不动五秒后沙盘三维模拟显示器 会显示根据测试方案和海图数据构建的三维模拟动画并且在互动界面中 的电子海图上将显示出一条由实线箭头组成表示的自主避碰航线；自主 避碰航线是由船舶航行数字沙盘***接入的智能船舶自主避碰算法根据 测试方案以及海图信息分析计算出来的。

S6、沿着自主避碰航线拖动触摸笔。

S7、如果触摸笔移动后离开自主避碰航线，则锁定三维模拟动画， 转到S8；否则，沙盘三维模拟显示器中将同步显示智能船舶自主避碰过 程的三维模拟动画，转到S6；锁定状态为在该情况下，无论触摸笔如何 移动，三维动画都处于暂停状态。

S8、如果还未移动终点位置，则转到S9；否则，触摸笔离开操作台， 转到S10。

S9、将触摸笔在S7离开自主避碰航线的位置按住不动五秒后解锁三 维模拟动画，转到S6。

S10、如果需要再次查看，则转到S4；否则，转到S11。

S11、获取三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的目标 模型的交互距离，通过交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全 通行率，具体包括：

S111、比较交互距离与相应的距离阈值，判断测试船舶模型与每个 目标模型是否存在碰撞风险，包括：

若测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶存在碰撞风险，不能 通行；

若测试船舶模型与目标模型未发生碰撞且交互距离小于距离阈值， 则船舶存在碰撞风险，能够勉强通行；

若测试船舶模型与目标模型的交互距离大于等于距离阈值，则船舶 不存在碰撞风险，能够安全通行；

S112、确定船舶安全通行率，包括：

若测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶安全通行率为零；

若测试船舶模型未与目标模型发生碰撞，则将船舶能够安全通行的 次数与目标数量的比值作为船舶安全通行率。

船舶安全通行率大于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰算法 成功，将船舶航行自主避碰算法成功作为船舶航行自主避碰算法测试结 果；

船舶安全通行率小于等于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰 算法失败，将船舶航行自主避碰算法失败作为船舶航行自主避碰算法测 试结果。

请专家评价自主避碰航线是否需要修改，若需要修改，则转到S12； 否则，转到S17。

S12、用手指在互动界面中点击“修改”按钮。

S13、将触摸笔在自主避碰航线需要修改的位置按住不动五秒后沙盘 三维模拟显示器会显示该位置的三维模拟动画。

S14、专家根据三维模拟动画，拖动触摸笔，避开目标障碍物或目标 船。

S15、当触摸笔离开操作台后，在互动界面中的海图上将显示出由虚 线箭头组成显示专家避碰航线。

S16、如果修改全部完成，则转到S17；否则，转到S13。

S17、智能船舶自主避碰算法测试结束。

本实施例通过手势和触摸笔作为输入设备，减少设备数量且操作简 单；可以反复展示船舶测试场在测试阶段的避碰过程，可以让未能在现 场的人员全面、清晰的观看到测试效果；为专家展示智能船舶自主避碰 算法得到的自主避碰航线更简单、快捷、直观、立体；本发明简单的操 作过程可以让专家一边操作一边评价，能够让技术人员更容易理解，令 测试后的算法修改工作效率更高。

本发明第二方面提出了一种船舶航行自主避碰算法测试装置，应用 于船舶智能航行数字沙盘***，船舶智能航行数字沙盘***包括：用于 接收用户发出的指令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行信息 和指令信息生成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据三维模型 数据生成并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元；该装置包括：

船舶航行信息获取模块，配置为获取船舶航行信息，船舶航行包括 测试船舶的船舶信息、测试海域中目标的目标信息、环境信息和自主避 碰航线信息；

触发模块，配置为触发船舶智能航行数字沙盘***中的三维模型生 成单元基于船舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单元基于三 维模型数据生成并显示三维场景模型；

船舶安全通行率获取模块，配置为获取三维场景模型中测试船舶模 型与每个目标信息生成的目标模型的交互距离，通过交互距离与相应的 距离阈值的比较得到船舶安全通行率；

测试结果获取模块，配置为基于船舶安全通行率，获取船舶航行自 主避碰算法测试结果。

需要说明的是，上述实施例提供的船舶航行自主避碰算法测试装置， 仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需 要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的 模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一 个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者 部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了 区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁， 上述描述的装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例 中的对应过程，在此不再赘述。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说 明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了 解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡 是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发 明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶航行自主避碰算法测试方法，应用于船舶智能航行数字沙盘***，所述船舶智能航行数字沙盘***包括：用于接收用户发出的指令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行信息和所述指令信息生成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据所述三维模型数据生成并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元；其特征在于，该方法包括：

S10、获取船舶航行信息，所述船舶航行包括测试船舶的船舶信息、测试海域中目标的目标信息、环境信息和自主避碰航线信息；

S20、触发所述船舶智能航行数字沙盘***中的三维模型生成单元基于所述船舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单元基于所述三维模型数据生成并显示三维场景模型；

S30、获取所述三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的目标模型的交互距离，通过所述交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率；

S40、基于所述船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果。

2.根据权利要求1所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，步骤S30中的“通过所述交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率”包括：

S31、比较交互距离与相应的距离阈值，判断测试船舶模型与每个目标模型是否存在碰撞风险，包括：

若所述测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶存在碰撞风险，不能通行；

若所述测试船舶模型与目标模型未发生碰撞且交互距离小于距离阈值，则船舶存在碰撞风险，能够勉强通行；

若所述测试船舶模型与目标模型的交互距离大于等于距离阈值，则船舶不存在碰撞风险，能够安全通行；

S32、确定船舶安全通行率，包括：

若所述测试船舶模型与目标模型发生碰撞，则船舶安全通行率为零；

若所述测试船舶模型未与目标模型发生碰撞，则将船舶能够安全通行的次数与目标数量的比值作为船舶安全通行率。

3.根据权利要求2所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，步骤S40中的“基于所述船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果”包括：

船舶安全通行率大于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰算法成功，将船舶航行自主避碰算法成功作为船舶航行自主避碰算法测试结果；

船舶安全通行率小于等于预设的通行率阈值时，船舶航行自主避碰算法失败，将船舶航行自主避碰算法失败作为船舶航行自主避碰算法测试结果。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，步骤S40后还包括：

步骤S50、根据所述测试船舶模型与各目标模型的交互距离，通过所述数字沙盘交互单元对基于所述自主避碰航线信息生成的自主避碰航线进行调整，并将调整后的航线作为所述自主避碰航线的优化结果输出。

5.根据权利要求4所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，所述数字沙盘交互单元包括触摸屏和触摸笔。

6.根据权利要求1所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，所述船舶信息包括测试船舶的长度信息、宽度信息、航速信息、航向信息、终点位置信息。

7.根据权利要求1所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，所述目标包括障碍物和/或其他船舶。

8.根据权利要求6所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，所述目标信息包括：

所述障碍物的位置信息、大小信息，和/或

所述其他船舶的位置信息、长度信息、宽度信息、航速信息、航向信息。

9.根据权利要求1所述的船舶航行自主避碰算法测试方法，其特征在于，所述环境信息包括测试时间信息、气象信息、能见度信息。

10.一种船舶航行自主避碰算法测试装置，应用于船舶智能航行数字沙盘***，所述船舶智能航行数字沙盘***包括：用于接收用户发出的指令信息的数字沙盘交互单元，用于根据船舶航行信息和所述指令信息生成三维模型数据的三维模型生成单元，用于根据所述三维模型数据生成并显示三维数字沙盘模型的虚拟场景展示单元；其特征在于，该装置包括：

船舶航行信息获取模块，配置为获取船舶航行信息，所述船舶航行包括测试船舶的船舶信息、测试海域中目标的目标信息、环境信息和自主避碰航线信息；

触发模块，配置为触发所述船舶智能航行数字沙盘***中的三维模型生成单元基于所述船舶航行信息生成三维模型数据，虚拟场景展示单元基于所述三维模型数据生成并显示三维场景模型；

船舶安全通行率获取模块，配置为获取所述三维场景模型中测试船舶模型与每个目标信息生成的目标模型的交互距离，通过所述交互距离与相应的距离阈值的比较得到船舶安全通行率；

测试结果获取模块，配置为基于所述船舶安全通行率，获取船舶航行自主避碰算法测试结果。

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