[發(fā)明專利]一種航標智能化避碰方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010427248.1
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111721321B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李鋒;甄濤;江道偉;陳國偉;謝奎;邵哲平;洪長華;薛晗;孫洪波;洪煒煜
• 申請（專利權(quán)）人: 交通運輸部東海航海保障中心上海航標處;集美大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/22
• 代理公司: 廈門仕誠聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 35227
• 代理人: 吳圳添

1.一種航標智能化避碰方法，其特征在于，通過預測船舶航跡、構(gòu)建3D場景和碰撞風險估算實現(xiàn)對船舶-航標碰撞風險智能預測預警；

預測船舶航跡，根據(jù)船舶特征點模型，根據(jù)船舶實時和歷史的船位、艏向預測船舶特征點的船位、艏向和航跡，其中船舶航跡根據(jù)卡爾曼濾波方法來預測，所述卡爾曼濾波方法中引入了不同的時間尺度；

構(gòu)建3D場景，對航標的配布進行三維視景展示，所述三維視景展示中包括航標配布示意圖；

碰撞風險估算，計算航標與船舶特征點模型的最近會遇距離和抵達會遇點船舶所需的行駛距離，實時對碰撞危險進行估算，預判船舶和航標是否碰撞；

所述預測船舶航跡過程中采用的船舶運動系統(tǒng)的數(shù)學模型為：

其中x為狀態(tài)變量，u(k)為時間k的輸入向量，w_k為時間k的系統(tǒng)狀態(tài)噪聲，k為時間時序計數(shù)，T(k)為AIS位置更新報告的第k個時間間隔，z_k為時間k的測量輸出，ε_k為時間k的測量噪聲，表示k+1時刻的誤差，K_k+1表示k+1時刻的卡爾曼濾波的增益，x(k)表示k時刻的狀態(tài)變量，表示時間間隔的平均值，表示k時刻的動力學的測量，v(k+1)表示k+1時刻船舶的速度，表示k+1時間的估計誤差的協(xié)方差，P_k表示時間k的誤差的協(xié)方差，E表示取平均值，Q_k表示系統(tǒng)噪聲在時刻k的協(xié)方差。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航標智能化避碰方法，其特征在于，所述系統(tǒng)噪聲在時刻k的協(xié)方差按照選擇狀態(tài)噪聲協(xié)方差的自適應(yīng)機制計算，計算模型如下：其中β是遺忘因子，β的取值范圍是0.95β0.99，λ_k是時刻k時的增益系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種航標智能化避碰方法，其特征在于，所述預測船舶航跡過程中船舶在k+1th時間間隔瞬間的經(jīng)緯度可計算為：

λ(k+1)＝λ(k)+v(k)T(k)sin(θ(k))

系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

x(k+1)＝x(k)+T(k)u(k)+w(k)

系統(tǒng)觀測值為：

z(k+1)＝x(k+1)+ε(k+1)

其中，x為狀態(tài)變量，u(k)為時間k的輸入向量，w_k為時間k的系統(tǒng)狀態(tài)噪聲，k為時間時序計數(shù)，T(k)為AIS位置更新報告的第k個時間間隔，z_k為時間k的測量輸出，ε_k為時間k的測量噪聲。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航標智能化避碰方法，其特征在于，所述碰撞風險估算過程包括如下步驟：

s01，計算航標與船舶特征點模型的最近會遇距離和抵達會遇點船舶所需的行駛距離，其中，設(shè)船舶航跡為Q₁Q₂，觀察線為P₁P₂；

s02，作快速排斥試驗，設(shè)以線段P₁P₂為對角線的矩形為R，設(shè)以線段Q₁Q₂為對角線的矩形為T，如果R和T不相交，則兩線段不會相交，判斷兩個航跡不會碰撞；

s03，進行跨立試驗，如果兩線段相交，則兩線段必然相互跨立對方，若P₁P₂跨立Q₁Q₂，則矢量P₁和P₂兩點位于Q₂和Q₁的所在直線的兩側(cè)，未通過跨立試驗則判定兩個航跡會碰撞，通過跨立試驗則判定兩個航跡不會碰撞。

5.一種航標智能化避碰系統(tǒng)，其特征在于，包括船舶航跡預測裝置、3D場景展示裝置和碰撞風險估算裝置，所述船舶航跡預測裝置按照如權(quán)利要求1-3任意一項所述的方法對船舶航跡進行預測，所述3D場景展示裝置按照如權(quán)利要求1所述的方法對航標的配布進行三維視景展示，所述碰撞風險估算裝置按照如權(quán)利要求1或4所述的方法對船舶-航標碰撞風險進行評估。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種航標智能化避碰系統(tǒng)，其特征在于，所述3D場景展示裝置為內(nèi)設(shè)有基于3DMax建模工具和UNITY 3D發(fā)布的3D場景展示系統(tǒng)的移動終端，所述移動終端包括基于IOS、ANDROID、PC、WEB、PS3和XBOX的移動終端。