[發明專利]一種融合幾何解析與數據挖掘的船舶碰撞風險預警方法

有效

• 申請號: 202110307526.4
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112885151B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 劉釗;陳陽;劉文;劉敬賢
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G08G3/02
• 分類號: G08G3/02;G06Q10/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 許蓮英

1.一種融合幾何解析與數據挖掘的船舶碰撞風險預警方法，其特征在于：

步驟1：將研究水域的船舶歷史AIS數據進行數據預處理得到預處理后AIS數據；在預處理后的AIS數據中根據船舶類型及船長選定目標船舶，搜索以目標船舶為中心的圓形海域范圍內的其他船舶，計算時間段內其他船舶與目標船舶的最小會遇距離的相對位置，并基于四元船舶領域建模思想，建立四元船舶領域的禁止邊界與期望邊界；

步驟2：根據步驟1得到的目標船舶與周圍其他船舶最小會遇距離的相對位置分布情況，將目標船舶的船舶領域進行船舶領域內部劃分并賦予權重，作為船舶空間碰撞風險及船舶空間碰撞風險閾值計算的基礎；利用船舶實時AIS數據，求取船舶空間碰撞風險、船舶空間碰撞風險預警值、船舶時間碰撞風險；最后依據船舶空間碰撞風險計算船舶時間碰撞風險預警值；

步驟3：根據步驟2得到的船舶空間碰撞風險、船舶時間碰撞風險、船舶空間碰撞風險預警值及船舶時間碰撞風險預警值，利用突變理論分別計算兩船時空碰撞風險和時空碰撞風險預警值；然后，在兩船船舶時空碰撞風險計算模型的基礎上構建多船會遇情景下的任一船舶時空碰撞風險及船舶時空碰撞風險預警值計算模型；最后，利用邊緣計算快速對比船舶時空碰撞風險及船舶時空碰撞風險預警值，為船舶的安全監管和避碰決策提供支持；

所述步驟1具體包括：

步驟1所述進行AIS數據預處理得到預處理后AIS數據為：

刪除水上移動通信業務標識碼為零、時間戳重復、信息缺失的AIS數據并對其進行三次樣條插值，得到預處理后AIS數據；

步驟1所述預處理后AIS數據為：

Data_all＝{Ship_i|Ship_i,i＝1,2,3...,n}

其中，Data_all表示預處理后的AIS數據，Ship_i表示第i條船舶預處理后AIS數據，n表示AIS數據中的船舶數量，k表示時間間隔索引，m表示第i條船舶的軌跡點，表示第i條船舶在時刻的AIS數據，MMSI_i表示第i條船舶的水上移動通信業務標識碼，表示第i條船舶在時刻的經度，表示第i條船舶在時刻的緯度，表示第i條船舶在時刻的速度，表示第i條船舶時刻的航向，long_i表示第i條船舶的長度，width_i表示第i條船舶的寬度，type_i表示第i條船舶的類型；

步驟1所述目標船是將同種類型，船舶長度相同、船舶類型相同，的船舶歸為一類作為目標船，那么目標船的AIS數據為：

其中，Data_T表示目標船的AIS數據，表示第T_i條目標船的AIS數據，an表示目標船的數量，k表示時間間隔索引，m表示第T_i條目標船的軌跡點，表示第T_i條目標船在時刻的AIS數據，表示第T_i條目標船的水上移動通信業務標識碼，表示第T_i條目標船在時刻的經度，表示第T_i條目標船在時刻的緯度，表示第T_i條目標船在時刻的速度，表示第T_i條目標船時刻的航向，表示第T_i條目標船的長度，表示第T_i條目標船的寬度，表示第T_i條目標船的類型；

步驟1所述搜索以目標船舶為中心的海域范圍內其他船舶為：

以目標船經緯度為圓心、R海里為半徑的圓形海域范圍內，在預處理后AIS數據中搜索船舶經度、船舶緯度均落入圓形海域范圍內的船舶作為其他船舶；那么在時刻以目標船舶T_i為中心的海域范圍內其他船舶AIS數據為：

其中，表示在時刻以目標船舶T_i為中心的海域范圍內其他船舶AIS數據，bn表示在時刻以目標船舶T_i為中心的海域范圍內其他船舶的數量，表示在時刻目標船T_i周圍第條船舶的AIS數據，表示第條船舶的水上移動通信業務標識碼，表示在時刻目標船T_i周圍第條船舶的經度，表示在時刻目標船T_i周圍第條船舶的緯度，表示在時刻目標船T_i周圍第條船舶的速度，表示在時刻目標船T_i周圍第條船舶的航向，表示目標船T_i周圍第條船舶的長度，表示目標船T_i周圍第條船舶的寬度，表示目標船T_i周圍第條船舶的類型；

在時刻，目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間的距離為目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間的相對方位為為從目標船舶T_i與其周圍第條船舶中心連線到目標船舶T_i航向線之間逆時針方向的夾角，其范圍為0°～360°；

以目標船舶T_i中心為坐標原點，以目標船舶T_i的航向方向為Y軸正方向，以目標船舶T_i的右正橫方向為X軸正方向，則目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間的相對位置為：

目標船舶T_i在m個時間間隔內，其周圍船舶的相對位置為：

其中，表示目標船舶T_i在m個時間間隔內，其周圍船舶的相對位置，表示在時刻目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間的距離，表示在時刻目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間的相對位置；

根據中的數據取得目標船舶T_i與其周圍第條船舶之間最小距離的相對位置，即步驟1所述計算時間段內其他船舶與目標船舶的最小會遇距離的相對位置為：

其中，表示目標船T_i與其周圍船舶的相對位置數據，an表示目標船舶的數量，表示目標船T_i周圍船舶的數量，表示目標船T_i與其周圍第條船舶的最小會遇距離，表示目標船T_i與其周圍第條船舶最小會遇距離的相對位置坐標；

步驟1.1：利用置信區間來確定目標船舶的船舶領域禁止邊界的四元參數，具體如下：

首先，根據目標船舶與周圍其他船舶最小會遇距離的相對位置分布情況，在目標船舶的首向、尾向、左正橫、右正橫左右各5°將目標船舶坐標軸方向劃分為4個扇形；然后，對每個扇形區域的船舶點數按照距離本船的距離大小進行排序；接著，根據距離的大小，找出每個扇形區域的第5％的點作為臨界點，第1個扇區有200個船舶點數，對船舶點數按照離目標船舶的距離大小進行排序，距離目標船舶最近的那個點為第1個點，依次類推，則第10個點就是臨界點，不足為整的取整，有101個船舶點數，則選第5個點為臨界點；4個點到目標船的距離為船舶領域禁止邊界的四元參數，如下所示：

Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}

其中，R_fore和R_aft分別表示船舶領域禁止邊界的縱向半徑，R_starb和R_port分別為船舶領域禁止邊界的橫向半徑；

根據目標船舶與周圍其他船舶最小會遇距離的相對位置分布情況，在目標船舶的首向、尾向、左正橫、右正橫左右各5°將目標船舶坐標軸方向劃分為4個扇形；然后，對每個扇形區域的船舶點數離本船的距離采用高斯核密度估計，將密度最大的點求取出來，計算該點距離目標船的距離，即目標船舶的船舶領域期望邊界的四元參數，具體如下：

Q'＝{R'_fore,R'_aft,R'_starb,R'_port}

其中，R'_fore和R'_aft分別表示船舶領域期望邊界的縱向半徑，R'_starb和R'_port分別為船舶領域期望邊界的橫向半徑；

步驟1.2：根據船舶領域禁止邊界的四元參數，建立組合四元船舶領域模型；

式中：

所述步驟2具體為：

步驟2.1：將船舶領域禁止邊界與期望邊界之間的區域由內而外均分為n層；根據目標船舶與周圍其他船舶最小會遇距離的相對位置分布情況使用下式計算每層的船舶密度；

式中：D_i為第i層的船舶密度，N_i為第i層的船舶數量，S_i為第i層的船舶面積；最后，根據每層的船舶密度值，利用最小二乘法擬合船舶密度函數，并對船舶領域層級進行權重賦值，使用交叉相加的方法來標定船舶領域疊加層權重；

μ＝{μ₁,μ₂,μ₃,...,μ_n,μ₁+μ₂+μ₃+...+μ_n＝1}

μ_ij＝{μ_ij|μ_ij＝μ_i+μ_j,i＝1,2,3,...,n,j＝1,2,3,...,n}

其中，μ表示船舶領域的權重值，μ_ij表示為一船舶第i層船舶領域與另一船舶第j層船舶領域的疊加權重；

步驟2.2：根據兩船船舶領域分層疊加面積以及各疊加層的權重賦值，兩船船舶領域分層加權的疊加面積的數值計算方法如下所示：

式中：F為兩船船舶領域疊加面積數值計算值；S_ij為一船舶第i層與另一船舶第j層的疊加區域面積值；μ_ij為不同層級疊加權重；

運用船舶同方位他船進入本船船舶領域禁止邊界時的兩船船舶領域疊加面積數值計算值對船舶碰撞空間進行標準化處理，建立船舶空間碰撞風險模型，如下所示：

式中：K_t為船舶空間碰撞風險，無量綱化的歸一值，范圍0-1；F_t為t時刻兩船船舶領域疊加面積數值計算值；F_t-max為同方位他船進入本船船舶領域禁止邊界時的船舶領域疊加面積數值計算值；

步驟2.3：將t時刻船舶A的位置信息表示為(x_At,y_At)、船舶B的位置信息表示為(x_Bt,y_Bt)，則t時刻船舶A到船舶B的相對位置矢量，如下所示：

P_ABt＝(x_Bt-x_At,y_Bt-y_At)

根據船舶的航速和航向數據，可將船舶速度進行矢量化處理；將t時刻船舶A的速度表示為v_At、航向表示為α_At，船舶B的速度表示為v_Bt、航向表示為α_Bt，則t時刻船舶A到船舶B的相對速度矢量如下所示；

根據船舶的相對位置矢量和相對速度矢量求取船舶碰撞時間的方法，如下所示：

式中：T_t^o為船舶碰撞時間，即在t時刻相對位置和相對接近速度的條件下，從t時刻到船舶發生碰撞時的時間差(min)；為t時刻船舶A到船舶B的相對位置矢量；為船舶之間的距離(nmile，1nmile＝1852m)；為t時刻船舶A到船舶B的相對速度矢量(kn，1kn＝1nmile/h)；d_ABt-min為t時刻船舶A到船舶B發生碰撞時的最小距離(nmile)；

根據船舶碰撞時間與碰撞風險之間的關系，運用指數函數建立船舶時間碰撞風險模型，如下所示：

式中：T_t為船舶時間碰撞風險，無量綱化的歸一值，范圍0-1；T_t^o為船舶碰撞時間(min)；n為大于0的調節系數，可根據專家咨詢或大數據統計擬合得到；

步驟2.4：運用船舶同方位他船進入本船船舶領域期望邊界時的兩船船舶領域疊加面積數值計算值對船舶碰撞空間進行標準化處理，建立船舶空間碰撞風險預警模型，如下所示：

式中：K′_t為t時刻船舶碰撞空間風險預警值，無量綱化的歸一值，范圍0-1；F_t為t時刻兩船船舶領域疊加面積數值計算值；F′_t-max為同方位他船進入本船船舶領域期望邊界時的船舶領域疊加面積數值計算值；

步驟2.5：時間風險閾值對應船舶碰撞時空風險的時間指標；在一定時空狀態下，船舶的時間風險閾值與船舶的空間碰撞風險成反向相關關系，即船舶空間碰撞風險越大，時間風險閾值越小；因此，船舶碰撞風險的時間閾值可通過下式確定：

T_t′＝1-K_t

式中：T_t′為t時刻船舶時間碰撞風險預警值，無量綱化的歸一值，范圍0-1，K_t為t時刻船舶空間碰撞風險；

所述步驟3具體為：

步驟3.1：根據船舶空間碰撞風險模型和時間碰撞風險模型，基于突變理論建立兩船船舶時空碰撞風險計算模型，如下所示：

式中：R_t為t時刻船舶時空碰撞風險值；K_t為t時刻船舶空間碰撞風險值，范圍0-1；T_t為t時刻船舶時間碰撞風險值，范圍0-1；

步驟3.2：在兩船船舶碰撞動態風險計算模型的基礎上構建多船會遇情景下的任一船舶碰撞風險計算模型需要考慮的原則有：

對任一船舶，船舶碰撞風險最大值為1，即任一船舶與他船發生碰撞，則該船舶的碰撞風險為1，其他船舶對該船舶的風險應不再予以疊加；

對任一船舶，若未與他船發生碰撞，則該船舶的碰撞風險應小于1，且大于該船舶與單個任意他船碰撞風險的最大值；

任一船舶的碰撞風險不應小于0；根據上述原則，建立多船船舶碰撞風險計算模型，如下所示：

R_it＝R_1it+(1-R_1it)R_2it+…+{1-R_1it-(1-R_1it)R_2it-…-[1-R_1it-(1-R_1it)R_2it-…]R_(n-1)it}R_nit

式中：R_it為船i在t時刻與他船的總碰撞動態風險值；R_1it，R_2it，R_3it，…R_nit分別為t時刻不同他船對船i構成的碰撞風險，且R_1it≥R_2it≥R_2it≥…≥R_nit；n為會遇船舶數量；

步驟3.3：根據步驟3.1、步驟3.2分別計算兩船船舶時空碰撞風險預警計算模型、多船船舶時空碰撞風險預警計算模型；

步驟3.4：利用邊緣計算搭建計算船舶時空碰撞風險應用程序、AIS數據與船舶預警固件組成的船舶航行動態風險預警系統，可以實時或更快的進行船舶碰撞預警，其中判斷船舶預警的公式如下所示；

式中：R_it為船i在t時刻與他船的總碰撞動態風險值，R′_it為船i在t時刻與他船的總碰撞動態風險預警值。