一种四元船舶安全领域模型及船舶避碰方法

摘要

本发明公开了一种四元船舶安全领域模型，其特征在于：该模型由参数Q和k决定。参数Q由四个方向半径决定，方向半径分别为：Rfore、Raft、Rstarb和Rport；其中，Rfore、Raft分别为四元船舶领域纵向半径（Rlon）的前、后半径；Rport、Rstarb分别为四元船舶领域横向半径（Rlat）的左、右半径；所述四元船舶安全领域模型的边界为上述四个方向半径的所确定的闭合曲线组合而成，由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种四元船舶安全领域模型和船舶避碰方法，形成了一个统一的安全领域框架，可以直观得到一个确定的船舶安全区域，结合避碰几何模型，可以有效提前警示相关船舶展开避碰动作，有效的保证了海上航行的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种四元船舶安全领域模型及应用该模型的船舶避碰方法。

背景技术

近年来随着全球经济贸易飞快发展、全球海运船队规模不断扩大，船舶碰 撞事故发生率也随之增加。因此，确定船舶安全航行领域为进行海上交通模拟 以及研究船舶碰撞危险的重要一环。

20世纪六七十年代，日本的加藤[1]提出船舶航行安全领域的概念至今，研 究者提出了各种不同形状、大小的船舶航行安全领域模型，如：文献[2]提出的“横 截面积”模型是由前后两个半椭圆拼合而成，由船舶操纵参数和航行速度等决 定；文献[3][4]提出了一种复杂的六边形船舶领域模型，用船速和船舶回旋参数 确定各边尺寸，该模型使得避碰情况下的船舶便于采用进化算法对其航迹进行 优化，但其复杂程度较高，物理意思较含糊，不便于理解和实际应用；[5]结合 船舶转向性能等因素给出几种情况下船舶领域边界的量化方法，船舶的操纵性 能在该方法中得到体现，但模型尺寸与影响因素之间的函数关系是人为给定的 一种粗略的估算公式。综上可知，虽然现代船舶领域有着广泛的研究并且在船 舶航行危险评估、船舶避碰、模拟航运交通、确定最佳航迹方面有着主要的作 用。但是，始终无法形成一个统一的模型，造成上述问题的主要原因有：（1） 不同的航行环境的因素导致产生不同形状、大小的模型；（2）大多数的模型都 按照统计数据或模拟实验的方法形成；（3）现有的模型都易于理解，但却很难 被应用到实际中去。

参考文献如下：

[1]Y.Eujii and K.Tanaka.Traffic capacity[J].Journal of Navigation,1971,24: 543-552.

[2]K.Kijima and Y.cFurukawa.Automatic collision avoidance system using  the concept of blocking area[C],//Proceeding of IFAC Conference on Manoeuvring  and Control of Marine Craft.2003:123-128

[3]SMIERZCHALSI R,MICHALEWICZ Z.Modelling of a ship trajectory  in collision at sea by evolutionary algorithm[J].IEEE Transaction on Evolutionary  Computation,2004,4(3):227-241.

[4]SMIERZCHALSI R.On-line trajectory planning in collision situation at  sea by evolutionary computation experiments[C]C//Proceeding of IFAC Conference on Computer Application in Marine System.Glasgow,UK:Elsevier Science, 2001:84-89.

[5]郭志新.船舶领域边界的量化分析[J].武汉造船,2001(S1):63-64.

[6]Ning Wang,Xianyao Meng.A Unified Analytical Framework for Ship  Domans[J],Journal of Navigation(2009),62,643-655.

[7]刘绍满，王宁.船舶领域研究综述[J].大连海事大学学报,2011。

发明内容

针对以上问题的提出，本发明提出了一种一种四元船舶安全领域模型，其 特征在于：该模型由四个方向半径决定，方向半径分为：R_fore、R_aft、R_starb和R_port； 其中，R_fore、R_aft分别为四元船舶领域纵向半径（R_lon）的前、后半径；R_port、R_starb分别为四元船舶领域横向半径（R_lat）的左、右半径；

所述四元船舶安全领域模型的边界为包括所述四个方向半径的闭合曲线， 函数表达如下：

QSD_k＝{(x,y)|f_k(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port},k≥1}

其中，边界函数：

$f_k(x,y;Q)={\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^k+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^k$

其中：$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right),$Q为方向半径，决定模型的大小，k为 模型的形状；

Q的估计公式为$\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fore}}=(1+1.34\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{aft}}=(1+0.67\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{starb}}=(0.2+k_{\mathrm{AD}})L\\ R_{\mathrm{port}}=(0.2+0.75k_{\mathrm{AD}})L\end{array}\right)$其中L为本船船长，k_AD,k_DT分别 由下式确定：$\left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{AD}}=A_D/L={10}^{0.3591\mathrm{lgVown}+0.0952}\\ k_{\mathrm{DT}}=D_T/L={10}^{0.5441\mathrm{lgVown}-0.0795}\end{array}\right),$A_D,D_T分别表示前进运动距离和回转 半径，V_own表示本船船速。

所述四元船舶安全领域模型的边界的形状为多边形或椭圆。

多边形边界的四元船舶安全领域模型的函数表达式如下：

QSD_q＝{(x,y)|f_q(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}}

$f_q(x,y;Q)=\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}+\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}},$$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right);$

四边形四元船舶领域模型由四条直线与四个方向半径组成的四个直角三角 形组合而成。

椭圆四元船舶领域模型可定义为下式：

QSD_ce＝{(x,y)|f_ce(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}}，

其中边界函数f_ce如下：

$f_{\mathrm{ce}}(x,y;Q)={\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^2+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^2$

$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right),$椭圆船舶领域模型为以任一个纵向半径与 横向半径构成的椭圆，分别取这四个椭圆的相应的个椭圆组合而成。

一种船舶避碰方法，具有如下步骤：

—获取至少包含本船船长L，运动距离和回转半径A_D,D_T以及本船船速V_own的 船舶航行参数，计算得到四个方向半径R_fore、R_aft、R_starb和R_port；

—将所述R_fore、R_aft、R_starb和R_port带入四元船舶模型中，得到船舶安全领域区 域，所述的模型表达式如下：

QSD_k＝{(x,y)|f_k(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port},k≥1}

其中，边界函数f_k(x,y;Q)

$={\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^k+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^k$

其中：$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right),$k=1，2为模型的形状；

—建立避碰几何模型，得到最近会遇距离DCPA，如果DCPA绝对值的小 于上述的船舶领域模型的距离，两船存在碰撞危险；若本船为让路船时，将在 适当时机采取避让行动，使DCPA绝对值的不小于上述的船舶领域模型的距离， 使目标船舶安全驶过。

所述Q的计算有下式得出：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fore}}=(1+1.34\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{aft}}=(1+0.67\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{starb}}=(0.2+k_{\mathrm{AD}})L\\ R_{\mathrm{port}}=(0.2+0.75k_{\mathrm{AD}})L\end{array}\right)$

L为本船船长，k_AD,k_DT分别由下式确定：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{AD}}=A_D/L={10}^{0.3591\mathrm{lgVown}+0.0952}\\ k_{\mathrm{DT}}=D_T/L={10}^{0.5441\mathrm{lgVown}-0.0795}\end{array},\right)$

A_D,D_T分别表示前进运动距离和回转半径，V_own表示本船船速。

所述建立避碰几何模型包括如下方法：

获取本船航速V₀和航向；获取目标船舶航速V_T、航向、相对方位α和相 对距离R；

使用公式：

计算最近会遇距离DCPA。

所述四元船舶安全领域模型的边界的形状为多边形，即k=1函数表达式如 下：

$f_q(x,y;Q)=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{QSD}}_q=\left\{(x,y)\right|f_q(x,y;Q)\le 1,Q=\{R_{\mathrm{fore}},R_{\mathrm{aft}},R_{\mathrm{starb}},R_{\mathrm{port}}\}\}\\ \frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}+\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\end{array}\right),$$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right);$

四边形四元船舶领域模型由四条直线与四个方向半径组成的四个直角三角 形组合而成。

所述四元船舶安全领域模型的边界的形状为多边形，即k=2函数表达式如 下：

QSD_ce＝{(x,y)|f_ce(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}}，

其中边界函数f_ce如下：

$f_{\mathrm{ce}}(x,y;Q)={\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^2+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^2$

$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right),$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right),$椭圆船舶领域模型为以任一个纵向半径与 横向半径构成的椭圆，分别取这四个椭圆的相应的个椭圆组合而成。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种四元船舶安全领域模型和船 舶避碰方法，形成了一个统一的安全领域框架，可以直观得到一个确定的船舶 安全区域，结合避碰几何模型，可以有效提前警示相关船舶展开避碰动作，有 效的保证了海上航行的安全性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为Goodwin船舶领域模型

图2为本发明四边形四元船舶领域模型

图3为本发明椭圆四元船舶领域模型

图4为本发明四边形四元船舶领域模型与船速的关系

图5为本发明椭圆四元船舶领域模型与船速的关系

图6为本发明避碰几何模型

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明 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的描述：

由图1-图5所示：一种新型船舶领域安全模型—四元船舶领域模型，模型 由四个方向半径决定，方向半径分别为：R_fore、R_aft、R_starb和R_port。R_fore、R_aft分别 为四元船舶领域纵向半径（R_lon）的前、后半径；R_port、R_starb分别为四元船舶领 域横向半径（R_lat）的左、右半径。则四元船舶领域模型由包括这四个方向半径 的封闭曲线组合而成，其表达式如下：

QSD＝{(x,y)|f(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}   （1）

这样，船舶驾驶员可以快速的建立一个直观、简单的船舶安全领域。因此， 四元船舶领域可以十分容易地用于船舶危险评估和避碰。式（1）中的边界函数 f可为线性活非线性函数，因此本船舶领域的形状可为多边形、椭圆等。具体如 下：

用四元船舶领域定义的四边形船舶领域模型（如图2）

由（1）得，四边形四元船舶领域模型可定义为下式：

QSD_q＝{(x,y)|f_q(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}}，

其中边界函数f_q如下：

$f_q(x,y;Q)=$

$\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}+\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}},$$\mathrm{sgny}=\left(\begin{array}{c}1,y\ge 0\\ -1,y<0\end{array}\right).$

如图2可知，四边形四元船舶领域模型由四条直线与四个方向半径组成的 四个三角形组合而成。

用四元船舶领域定义的椭圆船舶领域模型（如图3）

由（1）得，椭圆四元船舶领域模型可定义为下式：

QSD_ce＝{(x,y)|f_ce(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port}}，

其中边界函数f_ce如下：

$f_{\mathrm{ce}}(x,y;Q)=$

${\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^2+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^2,$$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right).$

如图3可知，椭圆船舶领域模型为以任一个纵向半径与横向半径构成的椭 圆，分别取这四个椭圆的相应的个椭圆组合而成。

由1，2可知，我们可以运用四元船舶领域模型来代替那些复杂的船舶领 域模型，因此本发明定义一个统一框架的模型如下：

QSD_k＝{(x,y)|f_k(x,y;Q)≤1,Q＝{R_fore,R_aft,R_starb,R_port},k≥1}，

其中边界函数f_k如下：

$f_k(x,y;Q)=$

${\left(\frac{2x}{(1+\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{fore}}-(1-\mathrm{sgnx})R_{\mathrm{aft}}}\right)}^k+{\left(\frac{2y}{(1+\mathrm{sgny})R_{\mathrm{start}}-(1-\mathrm{sgny})R_{\mathrm{port}}}\right)}^k,$$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{c}1,x\ge 0\\ -1,x<0\end{array}\right).$

同样，由1，2可知，参数k决定模型的形状。

综上所述，可知方向半径Q决定模型的大小，而k决定模型的形状。因此 四元领域模型由k、Q两个参数确定。确定参数Q的估计公式：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fore}}=(1+1.34\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{aft}}=(1+0.67\sqrt{k_{\mathrm{AD}}^2+{(k_{\mathrm{DT}}/2)}^2})L\\ R_{\mathrm{starb}}=(0.2+k_{\mathrm{AD}})L\\ R_{\mathrm{port}}=(0.2+0.75k_{\mathrm{AD}})L\end{array}\right),$

其中，L为本船船长；k_AD,k_DT分别由下式确定：

$\left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{AD}}=A_D/L={10}^{0.3591\mathrm{lgVown}+0.0952}\\ k_{\mathrm{DT}}=D_T/L={10}^{0.5441\mathrm{lgVown}-0.0795}\end{array}\right),$

这里，A_D,D_T分别表示船舶进距和回转半径，V_own表示本船船速。由参数Q的 估计公式可知，船舶领域的大小与船速相关（如图4和图5）。

建立避碰几何模型（如图5），即将本船动态信息（本船航速、航向分别为V₀和）和目标船动态信息（目标船航速、航向、相对方位和相对距离分别为V_T、 、α和R）通过几何作图的方法求得目标船相对速度和相对航向，以及最近会 遇距离DCPA。计算公式如下：

如果DCPA绝对值的大小小于上述的船舶领域模型的距离，两船存在碰撞 危险。若本船为让路船时，将在适当时机采取避让行动，使DCPA绝对值的大 小不小于上述的船舶领域模型的距离上，使目标船舶安全驶过。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。