一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法，包括获取本船与目标船的船舶信息，并根据本船与目标船的船舶信息优化四元数船舶领域QSD的参数半径；基于参数半径获取包围本船的多边形；并基于最小二乘算法近似拟合椭圆获取椭圆长短半轴；根据椭圆的长短半轴获取船舶在领域中偏移量；根据椭圆长短半轴以及偏移量获取动态椭圆船舶领域的边界方程；通过AIS数据获取不同会遇局面下的影响系数s，对动态椭圆船舶领域的边界方程式进行调整，获得动态椭圆船舶领域模型；解决了目前广泛使用的椭圆形船舶领域模型没有考虑船舶速度和船舶操纵性能的影响，是一个固定大小的领域，通常被视为海上交通的客观区域不能准确地评估碰撞风险和规划避碰操作。确地评估碰撞风险和规划避碰操作。确地评估碰撞风险和规划避碰操作。

【技术实现步骤摘要】
一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及船舶领域模型
，尤其涉及一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法。

技术介绍

[0002]船舶领域是船舶驾驶人员想象的、并努力将他船保持在该领域以外的一块水域，它是任何船舶保持航行安全所需的水域。在避碰与路径规划的相关研究中被大量应用于船舶间的安全性判断。而影响船舶领域大小的因素主要由船舶方面的因素和环境方面的因素。船舶因素包括本船舶尺度、本船操纵性能、本船速度、目标船尺度、目标船速度等；环境因素主要包括船舶会遇态势、天气情况、交通情况、规则要求和人为因素等。多数的船舶领域模型可以分为以下三种类型：静态船舶领域模型、动态解析船舶领域模型以及模糊船舶领域模型。
[0003]静态船舶领域模型:上世纪六七十年代Fuji[1]首次提出船舶领域的概念，定义为其余船舶应避免进入一艘在航船舶一定范围内的水域，并且通过观测交通局面的问卷得出数据，进行统计的概率分析方法，得出了适用于当时通航环境下的椭圆船舶领域表达式。同一时期，学者Goodwin[3]结合《国际海上避碰规则》(后文简称《规则》)中对船舶会遇及避碰的规定，并通过归纳统计，对Fuji船舶领域进行了改良，以开阔水域为通航环境，建立了相应的船舶领域模型。该模型根据《规则》中对号灯的规定，使用由号灯划分出的三个不同扇形作为组合船舶领域，并且认为这三个扇形组成区域是任何船舶的安全航行水域。
[0004]随后，Davis等人[4]通过拟合Goodwin船舶领域的边界不连续、难以仿真和应用等缺点，建立了方便使用函数表达的船舶领域，解决了Goodwin船舶领域模型中由于存在的三个不等扇形，使得船舶领域边界难以通过函数表达仿真的问题。在提出的船舶领域模型中，船舶偏离圆心，向着模型的左下方移动，可以近似将圆形领域划分为四个不等的区域的同时，继承了Goodwin船舶领域的创新之处。通过Davis船舶领域模型研究船舶避碰行为时，为保持本船船舶领域模型不被其它船舶入侵，建立了船舶驾驶员需要采取合适避让行动的动界领域。Coldwell[5]按船舶尺寸和会遇局面对观测到数据进行分类统计，在Fuji船舶领域和《规则》的基础上，建立了船舶沿椭圆短轴方向，向左偏移的椭圆船舶领域。
[0005]HansenM等[6]经过对丹麦南部水域长达四年的观测和数据统计，利用大量的AIS数据对船舶领域进行研究，建立了开阔水域的船舶领域模型。国内学者孙立成等人[7,8]通过问卷及询问的方式，对驾驶员在船舶航行中的避让行动进行调查，开展相关船舶的避碰决策研究。同时区分多种会遇局面下的船舶避让情况，建立了不同航行环境下的船舶领域，这些模型在传统船舶领域模型的基础上加入了环境影响要素。
[0006]动态解析船舶领域模型：我国学者贾传荧[9]通过分析船舶领域尺寸与船速、船长间的映射关系，建立适用于拥挤水域的船舶领域模型，并通过统计方式获取的缩放因子对船舶领域尺寸进行控制。Pietrzykowski[10]等人在多船会遇局面中基于目标船航向及方位的不同，将船舶离散化处理。通过得出的数据进行统计分析，结合船舶碰撞危险度CRI
(CollisionRiskIndex)的理论，建立了由规则多边形包围的船舶领域模型。这种船舶领域模型受到船舶驾驶员操船知识及目标船真方位的影响，因此该船舶领域的尺寸是会随着环境动态变化的。向哲[11]通过收集到的AIS数据，提出一种在受限水域内基于网格频数法船舶领域确定方法:Smierzchalski[11
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13]通过船速和旋回参数确定尺寸的方式，建立了一种六边形船舶领域模型，但其物理含义模糊，不便于实际应用；郭志新[14]根据船舶转向过程中的运动特性,分析船舶操纵性能与船舶领域模型尺寸间关系，提出不同会遇态势下的船舶领域模型尺寸的计算方法；Wielgosz[15]重点分析在受限水域中船速对船舶领域形状和尺寸的影响。代君[16]分析水流对船舶航行造成的偏航影响，对船舶领域模型进行修正。文献[17]考虑船舶周围不同方向上速度的影响，建立了受限水域航行安全判定的经验船舶领域模型，并根据新加坡海峡收集到的船舶航行数据对模型进行校正。
[0007]模糊船舶领域模型：考虑到船舶领域尺寸受驾驶员主观因素影响存在模糊性甚至引起错误操船等问题,赵劲松等[18]采用模糊数学理论对Goodwin提出的船舶领域模型边界进行模糊化处理使得到的船舶领域具有更高的自由度和柔性，便于在航海实践中进行应用。针对影响船舶领域因素众多的问题，Zhou等人[19]采用回归分析技术对影响船舶领域模型的因素进行分析，通过小波分解和神经网络结合的方式对船舶领域与这些因素间的映射关系进行分析并通过心理学函数对领域边界进行模糊化处理，建立一种新的动态模糊船舶领域模型区别于传统的船舶领域模型将船舶周围的领域划分为安全区域和危险区域两个区域。Pietrzykowski[20]利用经验数据对神经网络进行训练，得到输出参数碰撞危险度与船舶避碰参数间的映射关系，并分别在开阔水域和狭窄水域定义了不同危险度下的船舶领域模型。王宁[21,22]建立了四元船舶领域模型以及对应的四元模糊船舶领域模型，并从人、船、环境的角度考虑了船舶领域的主观性和客观性，为了提高船舶领域模型的准确性和可操作性，进一步提出随时间变化的动态四元船舶领域模型。
[0008]由于受多种不确定因素影响，目前现有广泛使用的椭圆形船舶领域模型没有考虑船舶速度和船舶操纵性能的影响，是一个固定大小的领域，通常被视为海上交通的客观区域，而不是导航员自愿保留的主观区域，因此不能准确地评估碰撞风险和规划避碰操作。而大多数考虑了船舶因素的船舶领域形状不规则，难以计算和应用，使得船舶领域在海上碰撞风险评估和避碰过程中的实际应用受阻。
[0009][1]Yahei Fujii,Shiobara Reijiro.The Analysis of Traffic Accidents[J].The Journal of Navigation,1971,24(4):534
‑
543.
[0010][2]Rafal Szlapczynski,Szlapczynska Joanna.Review of ship safety domains:Models and applications[J].Ocean Engineering,2017,145277
‑
289.
[0011][3]E
‑
M Goodwin.A Statistical Study of Ship Domains[J].Journal of Navigation,1975,28(3):328
‑
344.
[0012][4]P
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V Davis,Dove M
‑
J,Stockel C
‑
T.A Computer Simulation of Marine Traffic Using D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法，包括以下步骤：步骤S1：获取本船与目标船的船舶信息，并根据所述本船与目标船的船舶信息优化四元数船舶领域QSD的参数半径；所述船舶信息包括船舶航向、船舶航速、船舶的长度、船舶方位坐标以及本船航向与目标船航向的夹角；所述参数半径包括第一参数半径R
fore
、第二参数半径R
aft
、第三参数半径R
port
以及第四参数半径R
stard
；步骤S2：基于所述参数半径获取包围本船的多边形；步骤S3：根据最小二乘算法对所述多边形进行近似拟合椭圆，获取椭圆长半轴a与椭圆短半轴b；根据所述椭圆的长半轴a与短半轴b获取船舶在领域中偏移量；所述偏移量包括船舶沿椭圆长轴从椭圆圆心向船尾的偏移量Δa与船舶沿椭圆短轴向船舶左舷偏移量Δb；步骤S4：根据所述椭圆长半轴a、椭圆短半轴b以及所述偏移量获取动态椭圆船舶领域的边界方程；步骤S5：通过AIS数据获取不同会遇局面下的影响系数s，并基于所述不同会遇局面下的影响系数s对动态椭圆船舶领域的边界方程式进行调整，获得动态椭圆船舶领域模型。2.根据权利要求1所述的一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中所述优化四元数船舶领域QSD的参数半径的计算公式为式中：L表示本船的船身长度；v表示本船的航行速度；s表示不同会遇局面下的影响系数；T
90
表示船舶旋转90
°
所需要的时间，且D
T
表示回旋战术直径(Tactical diameter)，从船舶原来航线至船首转向180
°
时船纵中剖面所在位置之间的距离；A
D
表示为纵距(advance)，从转舵开始时刻船舶重心所在的位置至船首转向90
°
时船舶纵中剖面的距离；所述A
D
和D
T
的值近似估计公式为：的值近似估计公式为：且不同会遇局面下的影响系数s的计算公式为：
式中：v
t
表示其他船舶的航行速度；α表示本船与其他船的航向夹角。3.根据权利要求1所述的一种AIS数据驱动的动态椭圆船舶领域模型的构建方法，其特征在于，步骤S3中所述获取椭圆长半轴a与椭圆短半轴b具体为以本船船体为圆心，以船舶右舷正横方向为x轴正方向，以船首向方向为y轴正方向建立笛卡尔坐标系，获取在所述笛卡尔坐标系下多边形的各顶点坐标；根据所述多边形的各顶点坐标值获取椭圆长半轴a与椭圆短半轴b，计算公式式中：R
fore
、R
aft
、R
port
以及R
stard
表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟峰，钟路锋，史国友，王庆武，马麟，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：