CN115936190A - 一种智能航行作业风险预警方法 - Google Patents

一种智能航行作业风险预警方法 Download PDF

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白旭
刘启新
杨立
张海华
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Abstract

本发明公开了一种智能航行作业风险预警方法，包括：根据船舶领域模型确定航行安全领域；获取航行海域信息并导入雷达标绘仪中；根据本船航速、本船航向、水面障碍物信息和水下障碍物信息预测会遇点坐标；若在当前航线下，会遇点坐标在航行安全领域范围内，则重新规划航线。通过建立四元船舶领域模型，确定了智能船舶的安全航行边界，借助各种设备收集水面和水下的信息，预测可能遇到的碰撞风险，及时规划出新的航线，改变航向航速，及时躲避碰撞风险，在智能船舶航行时对其碰撞风险实时预测，提高了其航行的安全性。

Description

一种智能航行作业风险预警方法
技术领域
本发明涉及智能船舶航行控制技术领域，具体涉及一种智能航行作业风险预警方法。
背景技术
近年来，国内造船业获得了较快的发展，造船量不断增长，尤其随着数字和智能技术的不断进步，物联网、信息技术、人工智能和5G通信技术的快速发展，整个船舶领域在计算机、数字化和智能化方面取得了巨大的进步。
智能船舶在航行时，缺乏人为的控制，不能够依靠人的思维、经验去提前对风险进行预判，只能依靠各种设备之间的配合降低损失。
因此，如何及时在智能航行时对可能遭遇的碰撞风险提前预警，根据船舶自身的运行状态和风险的大小，由智能航行的决策***对船舶既定航线进行优化、实时避险，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种智能航行作业风险预警方法，以解决现有技术中智能船舶在航行过程中对船舶既定航线进行优化、实时避险存在研究不足的问题。
本发明实施例提供了一种智能航行作业风险预警方法，包括：
根据船舶领域模型确定航行安全领域；
获取航行海域信息并导入雷达标绘仪中；
根据本船航速、本船航向、水面障碍物信息和水下障碍物信息预测会遇点坐标；
若在当前航线下，会遇点坐标在航行安全领域范围内，则重新规划航线。
可选地，根据船舶领域模型确定航行安全领域，包括：
以船中心为原点，船首向为x轴正方向，垂直于船首向为y轴正方向建立坐标系：
Figure BDA0003953864780000021
其中，R前表示航行安全领域纵向前半径；R后表示航行安全领域纵向后半径；R左表示航行安全领域横向左半径；R右表示航行安全领域横向右半径；L为船舶长度；Vt为船舶航行时的实时航速。
可选地，还包括：
根据风、浪、流、海雾和降雨的影响设置航行安全领域半径：
Figure BDA0003953864780000022
Figure BDA0003953864780000023
其中，k1、k2、k3、k4、k5∈[0,1]，分别代表风、浪、流、海雾和降雨的影响系数。
可选地，航行安全领域的边界方程为：
Figure BDA0003953864780000024
Figure BDA0003953864780000025
Figure BDA0003953864780000026
其中，sgn(*)为符号判定函数。
可选地，还包括：
若水面障碍物为其他船舶，且其他船舶搭载有船舶自动识别***，则通过船舶自动识别***与互相交换船位、航速、航向、船名和呼号信息；
若其他船舶未搭载船舶自动识别***，则通过红外热成像仪和可见光摄像机对其他船舶进行识别，并通过激光雷达对其他船舶进行定位，以确定其他船舶的航向；通过两次定位获取其他船舶的航行距离和航行时间，从而获取其他船舶的实时航速，通过雷达标绘仪获取水面障碍物的航行轨迹。
可选地，还包括：
通过声呐探测水下碍航物的速度和方位；
通过雷达标绘仪获取水下碍航物的航行轨迹。
可选地，还包括：
当水面障碍物为正在航行的船舶时，若会遇点在本船航行安全领域内，根据海上避碰规则对船舶发送避让信号，直至会遇点不在本船航行安全领域内；若船舶未采取避让操作，则在船舶进入本船安全领域内时，改变本船航向和速度，主动避让船舶。
可选地，还包括：
当水面障碍物为海上碍航物时，采取主动避让策略。
可选地，还包括：
当水下障碍物为固定碍航物时，通过声呐测量固定碍航物与本船之间的直线距离以及固定碍航物与水平面之间的夹角；
计算固定碍航物距离水面的垂直距离；
判断固定碍航物距离水面的垂直距离与本船吃水深度的大小；
若固定碍航物距离水面的垂直距离大于本船吃水深度，则固定碍航物对本船无影响；
若固定碍航物距离水面的垂直距离小于本船吃水深度，则采取主动避让策略。
可选地，还包括：
当水下障碍物为移动碍航物时，通过声呐获取移动碍航物的移动速度和方向；
利用雷达标绘仪预测移动碍航物的上浮轨迹；
根据所述移动碍航物的上浮轨迹调整本船航向和航速。
本发明实施例的有益效果：
通过建立四元船舶领域模型，确定了智能船舶的安全航行边界，借助各种设备收集水面和水下的信息，预测可能遇到的碰撞风险，及时规划出新的航线，改变航向航速，及时躲避碰撞风险，在智能船舶航行时对其碰撞风险实时预测，提高了其航行的安全性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种智能航行作业风险预警方法的流程图；
图2示出了本发明实施例中一种智能船舶航行安全区域示意图；
图3示出了本发明实施例中一种智能船舶与它船最小会遇距离示意图；
图4示出了本发明实施例中一种水下碍航物距水面垂直距离示意图；
图5示出了本发明实施例中另一种智能航行作业风险预警方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供了一种智能航行作业风险预警方法，如图1所示，包括：
步骤S10，根据船舶领域模型确定航行安全领域。
在本实施例中，如图2所示，在建立船舶航行安全领域模型时，以船为原点，船首向为x轴正方向，垂直于船首向为y轴正方向建立坐标系，如下图所示，其中R前、R后、R左、R右分别表示为船舶领域纵向的前后半径和横向左右半径，其计算公式为：
Figure BDA0003953864780000051
其中，R前表示航行安全领域纵向前半径；R后表示航行安全领域纵向后半径；R左表示航行安全领域横向左半径；R右表示航行安全领域横向右半径；L为船舶长度；Vt为船舶航行时的实时航速。
从公式可以看出船舶的长度越长、速度越快，其安全区域的半径值就越大，说明船舶的领域大小随着船长和航速的增大而增大。
步骤S20，获取航行海域信息并导入雷达标绘仪中。
在本实施例中，将所有的单位进行统一换算，航速单位统一为海里/时，航向的单位统一为经纬度表示，导入进雷达标绘仪中后，根据航向及航速绘制出碍航物未来时刻的航行轨迹。
步骤S30，根据本船航速、本船航向、水面障碍物信息和水下障碍物信息预测会遇点坐标。
在本实施例中，通过几何的方法确定它船与本船的最小会遇距离。
步骤S40，若在当前航线下，会遇点坐标在航行安全领域范围内，则重新规划航线。
在本实施例中，智能航行决策***对其会遇点进行判定，若对本船造成危险，则智能决策***及时规划新的航线，及时避让。通过建立四元船舶领域模型，确定了智能船舶的安全航行边界，借助各种设备收集水面和水下的信息，预测可能遇到的碰撞风险，及时规划出新的航线，改变航向航速，及时躲避碰撞风险，在智能船舶航行时对其碰撞风险实时预测，提高了其航行的安全性。
作为可选的实施方式，还包括：
根据风、浪、流、海雾和降雨的影响设置航行安全领域半径：
Figure BDA0003953864780000061
Figure BDA0003953864780000062
其中，k1、k2、k3、k4、k5∈[0,1]，分别代表风、浪、流、海雾和降雨的影响系数。
在本实施例中，船舶在航行时还会受到风、浪、流、海雾、降雨等环境信息的影响，对其航行的安全区域也有一定的影响，加入风、浪、流、海雾、降雨等环境信息的影响后，重新设置船舶航行的安全领域半径。
作为可选的实施方式，航行安全领域的边界方程为：
Figure BDA0003953864780000063
Figure BDA0003953864780000064
Figure BDA0003953864780000065
其中，sgn(*)为符号判定函数。
在本实施例中，为了使船舶在会遇时不至于形成紧张局面，因此在本实施例中将安全领域设定为由四段不同的椭圆弧构成的区域，此时的领域面积更大，提高船舶避碰时的安全性，同时加入船长、速度以及环境因素的影响，根据航行环境的变化可以实现安全领域边界的动态变化。
作为可选的实施方式，还包括：
若水面障碍物为其他船舶，且其他船舶搭载有船舶自动识别***，则通过船舶自动识别***与互相交换船位、航速、航向、船名和呼号信息；
若其他船舶未搭载船舶自动识别***，则通过红外热成像仪和可见光摄像机对其他船舶进行识别，并通过激光雷达对其他船舶进行定位，以确定其他船舶的航向；通过两次定位获取其他船舶的航行距离和航行时间，从而获取其他船舶的实时航速，通过雷达标绘仪获取水面障碍物的航行轨迹。
在具体实施例中，当水面障碍物为正在航行的船舶时，若会遇点在本船航行安全领域内，根据海上避碰规则对船舶发送避让信号，直至会遇点不在本船航行安全领域内；若船舶未采取避让操作，则在船舶进入本船安全领域内时，改变本船航向和速度，主动避让船舶。
在本实施例中，本船的航速可以直接从航速指示仪中获得，而航向根据GPS***来获得。对于正在海面上航行的船舶，通过几何作图法在雷达标绘仪上标出本船与它船的最小会遇距离(DCPA)，如图3所示。若会遇点在本船的安全领域内，则根据海上避碰规则对其发出避让信号，直至会遇点不在本船的安全领域范围内；如若其无任何避让操作，当其进入本船的安全领域内时，需要本船依据智能航行决策***对当前航线重新规划，改变航向和速度，及时避让。
在具体实施方式中，由于船舶所装载的号灯最小可见距离为6海里，因此在本发明中收集的海上信息范围是以智能船舶为中心，半径为6海里的圆形区域。对于正在海面上航行的船舶，需要获得其航向航速，智能船舶装载有船舶自动识别***(AIS)，同样装载此***的船舶可以通过其自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息，获得所需要的信息。
对于部分未装载AIS***的船舶，本船依靠所装载的红外热成像仪和可见光摄像机对其进行识别，同时采用激光雷达对其进行定位，确定其航向，通过短时间的两次定位确定其航行距离s和所需时间t，据此计算出实时航速v＝s/t，其他碍航物也通过这些船载设备进行识别定位。
作为可选的实施方式，还包括：
通过声呐探测水下碍航物的速度和方位；
通过雷达标绘仪获取水下碍航物的航行轨迹。
在本实施例中，对于水下碍航物的确定采用声呐进行侦测，确定其速度及方位，以上信息的监测均为实时动态监测。
当水下障碍物为固定碍航物时，通过声呐测量固定碍航物与本船之间的直线距离以及固定碍航物与水平面之间的夹角。计算固定碍航物距离水面的垂直距离。判断固定碍航物距离水面的垂直距离与本船吃水深度的大小。若固定碍航物距离水面的垂直距离大于本船吃水深度，则固定碍航物对本船无影响。若固定碍航物距离水面的垂直距离小于本船吃水深度，则采取主动避让策略。
当水下障碍物为移动碍航物时，通过声呐获取移动碍航物的移动速度和方向。利用雷达标绘仪预测移动碍航物的上浮轨迹。根据所述移动碍航物的上浮轨迹调整本船航向和航速。
在本实施例中，对于水下的碍航物，需确定是移动碍航物还是固定碍航物，若是固定碍航物则需要获取碍航物距水面的垂直距离L，具体步骤为：由声呐装置测量出碍航物与船舶的直线距离S以及碍航物与水平面的夹角α，如图4所示，则碍航物距水平面的距离为L＝S*sinα，假设本船的吃水深度为D，判断L与D的大小，若L＞D，则碍航物对船舶没有任何影响；若是移动障碍物，通过声呐装置确定其移动速度和方向，利用雷达标绘仪预测其按照此时速度和方向移动，在其浮出水面时是否在此刻的船舶安全区域内，根据预测结果及时改变航向或速度，保证智能船舶航行的安全。
作为可选的实施方式，还包括：
当水面障碍物为海上碍航物时，采取主动避让策略。
在本实施例中，对于海上碍航物，本船应及时采取措施进行躲避，避免造成损失，具体方法为：对于移动碍航物来说，判断方法同正在航行的船舶，不同之处在于本船只能进行重新规划航线进行躲避；对于固定碍航物，需要根据本船的航行轨迹，判断其是否在未来某时刻的安全区域内，若在则重新规划航线，躲避障碍物。
在具体实施方式中，如图5所示，根据四元船舶领域模型建立智能船舶航行时的安全区域，获取航行海域信息并导入雷达标绘仪中，分别对水面信息和水下信息进行分析处理，并选择避让策略，保证智能船舶航行的安全。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种智能航行作业风险预警方法，其特征在于，包括：
根据船舶领域模型确定航行安全领域；
获取航行海域信息并导入雷达标绘仪中；
根据本船航速、本船航向、水面障碍物信息和水下障碍物信息预测会遇点坐标；
若在当前航线下，所述会遇点坐标在所述航行安全领域范围内，则重新规划航线。
2.根据权利要求1所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，根据船舶领域模型确定航行安全领域，包括：
以船中心为原点，船首向为x轴正方向，垂直于船首向为y轴正方向建立坐标系：
Figure FDA0003953864770000011
其中，R前表示航行安全领域纵向前半径；R后表示航行安全领域纵向后半径；R左表示航行安全领域横向左半径；R右表示航行安全领域横向右半径；L为船舶长度；Vt为船舶航行时的实时航速。
3.根据权利要求2所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
根据风、浪、流、海雾和降雨的影响设置航行安全领域半径：
Figure FDA0003953864770000012
Figure FDA0003953864770000013
其中，k1、k2、k3、k4、k5∈[0,1]，分别代表风、浪、流、海雾和降雨的影响系数。
4.根据权利要求3所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，所述航行安全领域的边界方程为：
Figure FDA0003953864770000021
Figure FDA0003953864770000022
Figure FDA0003953864770000023
其中，sgn(*)为符号判定函数。
5.根据权利要求1所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
若水面障碍物为其他船舶，且其他所述船舶搭载有船舶自动识别***，则通过所述船舶自动识别***与互相交换船位、航速、航向、船名和呼号信息；
若其他所述船舶未搭载船舶自动识别***，则通过红外热成像仪和可见光摄像机对其他所述船舶进行识别，并通过激光雷达对其他所述船舶进行定位，以确定其他所述船舶的航向；通过两次定位获取其他所述船舶的航行距离和航行时间，从而获取其他所述船舶的实时航速，通过所述雷达标绘仪获取所述水面障碍物的航行轨迹。
6.根据权利要求1所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
通过声呐探测水下碍航物的速度和方位；
通过所述雷达标绘仪获取所述水下碍航物的航行轨迹。
7.根据权利要求5所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
当所述水面障碍物为正在航行的船舶时，若会遇点在本船航行安全领域内，根据海上避碰规则对所述船舶发送避让信号，直至所述会遇点不在本船航行安全领域内；若所述船舶未采取避让操作，则在所述船舶进入本船安全领域内时，改变本船航向和速度，主动避让所述船舶。
8.根据权利要求7所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
当所述水面障碍物为海上碍航物时，采取主动避让策略。
9.根据权利要求6所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
当水下障碍物为固定碍航物时，通过所述声呐测量所述固定碍航物与本船之间的直线距离以及所述固定碍航物与水平面之间的夹角；
计算所述固定碍航物距离水面的垂直距离；
判断所述固定碍航物距离水面的垂直距离与本船吃水深度的大小；
若所述固定碍航物距离水面的垂直距离大于本船吃水深度，则所述固定碍航物对本船无影响；
若所述固定碍航物距离水面的垂直距离小于本船吃水深度，则采取主动避让策略。
10.根据权利要求9所述的智能航行作业风险预警方法，其特征在于，还包括：
当水下障碍物为移动碍航物时，通过所述声呐获取所述移动碍航物的移动速度和方向；
利用所述雷达标绘仪预测所述移动碍航物的上浮轨迹；
根据所述移动碍航物的上浮轨迹调整本船航向和航速。
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