基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶避碰技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于航跡融合和航跡預測的船舶避 碰輔助決策方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶碰撞一直是船舶航行安全中主要事故種類，而且80%以上的碰撞事故是由人 為因素直接或間接造成的。目前，大多船舶避碰過程是由操作人員依據(jù)經(jīng)驗主觀決策的，其 操作的準確性和規(guī)范性不能保證?？梢?，為了減少船舶碰撞事故的發(fā)生，重點是要減少操作 人員不規(guī)范的或是無效的避讓措施。因此，迫切需要一種能讓船舶駕駛?cè)藛T實時地、透明地 了解船舶的航行環(huán)境，并能為其提供碰撞預警和避碰方案的船舶避碰系統(tǒng)，用于減少人為 因素引起的碰撞事故。但在已有船舶避碰系統(tǒng)的研究成果中還有很多不足，表現(xiàn)在以下幾 個方面：
[0003] 1、常用船載助航設(shè)備有船用雷達和船舶自動識別系統(tǒng)（AIS)，都能獲取目標信息， 但這兩者各有優(yōu)缺點，所以使用單一系統(tǒng)難以保證信息的準確性和全面性。
[0004] 2、在實際運行中AIS設(shè)備可能出現(xiàn)信息發(fā)送失敗，而雷達可能有盲區(qū)，這都會導 致本船上無法及時接收到最新信息。另一方面，要實現(xiàn)船舶避碰預警功能，不僅要對當前做 出碰撞危險度分析，還要能對下一時刻船舶間新的位置關(guān)系做出分析，這才能提前對危險 情況做出避讓措施。
[0005] 3、目前在船舶避碰分析與輔助決策這個技術(shù)領(lǐng)域上還沒有準確的量化模型，沒有 能夠綜合考慮檢測目標與本船的位置關(guān)系，并分析當前碰撞危險，提供預警方案的系統(tǒng)。
[0006] 4、目前嵌入式計算和計算機計算迅速發(fā)展，船舶避碰領(lǐng)域還沒有能夠結(jié)合這些技 術(shù)的智能化、自動化的系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中單一船載助航設(shè)備可靠性較差，并 且不能自動的提供船舶碰撞預警的缺陷，提供一種能夠自動化、智能化計算船舶航行狀態(tài) 的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法及系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0009] 本發(fā)明提供一種基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法，包括以下步 驟：
[0010] S1、獲取船舶自動識別系統(tǒng)與雷達傳輸?shù)拇靶畔?，并對其進行預處理得到船舶 的位置、速度和方位信息；
[0011] S2、對船舶的位置、速度和方位信息進行航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合，具體步驟為：
[0012] S21、對船舶的位置、速度和方位信息進行坐標轉(zhuǎn)換和時間配準，將經(jīng)煒度形式信 息轉(zhuǎn)換為極坐標形式信息，使用分段線性插值法將不同步的信息統(tǒng)一到同一時刻；
[0013] S22、對處理后的位置、速度和方位信息進行航跡關(guān)聯(lián)，以目標船船舶自動識別系 統(tǒng)航跡信息為基準，先排除與船舶自動識別系統(tǒng)信息相比時間、距離差距較大的雷達航跡 信息；再通過計算船舶自動識別系統(tǒng)航跡信息和雷達航跡信息的關(guān)聯(lián)程度，至多選擇一個 關(guān)聯(lián)程度較大的雷達航跡信息，將此船舶自動識別系統(tǒng)航跡信息和雷達信息選定為目標船 航跡融合的對象；
[0014]S23、對選定的關(guān)聯(lián)程度較大的目標船的船舶自動識別系統(tǒng)和雷達航跡信息進行 航跡融合，采用基于統(tǒng)計的加權(quán)估計法來完成目標船的航跡融合過程，并存儲融合結(jié)果為 航跡預測提供數(shù)據(jù)；
[0015]S3、根據(jù)航跡融合的結(jié)果對目標船進行航跡預測，并做出船舶碰撞危險評價、避讓 決策及目標船態(tài)勢監(jiān)測。
[0016] 步驟S1中對船舶信息進行預處理的方法具體為：
[0017] 分別按照船舶自動識別系統(tǒng)與雷達報文格式進行解析，并提取有效信息存儲到數(shù) 據(jù)庫中。
[0018] 步驟S2中目標船的船舶自動識別系統(tǒng)航跡信息和雷達航跡信息關(guān)聯(lián)程度的計算 方法具體為：
[0019] 通過正態(tài)分布的隸屬度函數(shù)得到距離、方位、航速、航向這4個因素的歐氏距離的 關(guān)聯(lián)和不關(guān)聯(lián)隸屬度值，再與各因素權(quán)重大小進行加權(quán)平均可得到綜合因素關(guān)聯(lián)和不關(guān)聯(lián) 隸屬度；
[0020] 最后進彳丁雙門限細關(guān)聯(lián)，即判斷綜合因素關(guān)聯(lián)隸屬度最大值與滿足細關(guān)聯(lián)次數(shù)是 否滿足設(shè)定的門限值，若都滿足則停止關(guān)聯(lián)判斷，存儲并綁定判定細關(guān)聯(lián)的目標船的船舶 自動識別系統(tǒng)和雷達標號，作為關(guān)聯(lián)程度較大的目標船航跡融合的對象。
[0021] 步驟S3中船舶碰撞危險評價的方法具體為：
[0022] 綜合考慮最小會遇距離、最小會遇時間、兩船距離、目標船與本船的方位角、本船 與目標船的速度比這5個作為評價因素，得到各自隸屬度后與其對應權(quán)重值加權(quán)得到綜合 因素碰撞危險度。
[0023] 步驟S3中避讓決策的方法具體為：
[0024] 首先確定避讓行動時機，采用碰撞危險度理論的方法計算碰撞危險度，并將其與 設(shè)定的危險度閾值進行比較，若大于該閾值，根據(jù)本船與目標船的會遇態(tài)勢判斷避讓方式， 確定本船是直航船還是避讓船，以及向左還是向右避讓；最后確定轉(zhuǎn)向避讓幅度。
[0025] 步驟S3中目標船態(tài)勢監(jiān)測的方法具體為：
[0026] 以本船為直角坐標系中心原點，實時繪制并顯示本船周圍8海里范圍內(nèi)的監(jiān)測目 標位置、航向信息和航跡，并通過不同顏色繪制目標能直觀反映不同碰撞危險程度狀態(tài)，點 擊對應目標能顯示相應信息與避讓建議。
[0027] 本發(fā)明提供一種基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策系統(tǒng)，包括串口接 收模塊和數(shù)據(jù)庫，以及均與所述數(shù)據(jù)庫連接的信息處理模塊、算法模塊和人機交互模塊，所 述串口接收模塊與所述信息處理模塊相連；
[0028] 所述信息處理模塊，包括船舶自動識別系統(tǒng)信息處理模塊、雷達信息處理模塊和 其他信息處理模塊，用于接收來自串口接收模塊發(fā)送來的船舶航行信息，并對其進行預處 理得到船舶的位置、速度、方位信息，最后將處理結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中；
[0029] 所述算法模塊，包括數(shù)據(jù)融合算法模塊、航跡預測算法模塊、避讓決策算法模塊、 碰撞危險算法模塊和其他算法模塊，用于從數(shù)據(jù)存儲模塊中讀取船舶的位置、速度、方位信 息，并對其進行航跡融合和航跡預測，根據(jù)計算結(jié)果進行碰撞預警和避讓決策；
[0030] 所述人機交互模塊，包括目標態(tài)勢監(jiān)控模塊、信息查詢模塊、碰撞預警模塊、系統(tǒng) 配置模塊和其他功能模塊，用于實時的顯示船舶的航行信息，以及各種預警信息。
[0031] 該系統(tǒng)采用linux嵌入式系統(tǒng)為開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫采用SQLite3,界面開發(fā)工具采 用QT，硬件ARM板采用S3C6410芯片作為處理器。
[0032] 該系統(tǒng)還包括GPRS通信模塊，并通過所述GPRS通信模塊與監(jiān)控中心通信。
[0033] 所述人機交互模塊采用觸摸屏進行人機交互。
[0034] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決 策方法，通過將船載雷達和AIS系統(tǒng)相結(jié)合，保證了單一系統(tǒng)失效的情況下仍然能對船舶 碰撞危險度進行分析，提高了數(shù)據(jù)來源的可靠性和穩(wěn)定性；另一方面，通過航跡融合和航跡 預測算法，對船舶航行時的碰撞危險進行分析，并做出避讓決策和目標態(tài)勢監(jiān)測，能夠?qū)崟r 的、智能的監(jiān)測船舶航行時的安全信息，避免船舶發(fā)生碰撞；并且結(jié)合嵌入式技術(shù)和計算機 技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可擴展性，且有助于船載設(shè)備的智能化和小型化，具有良好的 實際應用價值。
【附圖說明】
[0035] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0036]圖1是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法的流 程圖；
[0037]圖2是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法的工 作流程圖；
[0038]圖3是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)框圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策系統(tǒng)的硬 件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖5是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法中預 測算法流程圖；
[0041]圖6是本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方法的船 舶運動矢量圖。
【具體實施方式】
[0042] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于航跡融合和航跡預測的船舶避碰輔助決策方 法，包括以下步驟：
[0044]S1、獲取船舶自動識別系統(tǒng)與雷達傳輸?shù)拇靶畔?，并對其進行預處理得到船舶 的位置、速度和方位信息；分別按照船舶自動識別系統(tǒng)與雷達報文格式進行解析，并提取有 效信息存