[发明专利]一种航标智能化避碰方法及系统

权利要求书

1.一种航标智能化避碰方法，其特征在于，通过预测船舶航迹、构建3D场景和碰撞风险估算实现对船舶-航标碰撞风险智能预测预警；

预测船舶航迹，根据船舶特征点模型，根据船舶实时和历史的船位、艏向预测船舶特征点的船位、艏向和航迹，其中船舶航迹根据卡尔曼滤波方法来预测，所述卡尔曼滤波方法中引入了不同的时间尺度；

构建3D场景，对航标的配布进行三维视景展示，所述三维视景展示中包括航标配布示意图；

碰撞风险估算，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，实时对碰撞危险进行估算，预判船舶和航标是否碰撞；

所述预测船舶航迹过程中采用的船舶运动系统的数学模型为：

其中x为状态变量，u(k)为时间k的输入向量，w_k为时间k的系统状态噪声，k为时间时序计数，T(k)为AIS位置更新报告的第k个时间间隔，z_k为时间k的测量输出，ε_k为时间k的测量噪声，表示k+1时刻的误差，K_k+1表示k+1时刻的卡尔曼滤波的增益，x(k)表示k时刻的状态变量，表示时间间隔的平均值，表示k时刻的动力学的测量，v(k+1)表示k+1时刻船舶的速度，表示k+1时间的估计误差的协方差，P_k表示时间k的误差的协方差，E表示取平均值，Q_k表示系统噪声在时刻k的协方差。

2.根据权利要求1所述的一种航标智能化避碰方法，其特征在于，所述系统噪声在时刻k的协方差按照选择状态噪声协方差的自适应机制计算，计算模型如下：其中β是遗忘因子，β的取值范围是0.95β0.99，λ_k是时刻k时的增益系数。

3.根据权利要求2所述的一种航标智能化避碰方法，其特征在于，所述预测船舶航迹过程中船舶在k+1th时间间隔瞬间的经纬度可计算为：

λ(k+1)＝λ(k)+v(k)T(k)sin(θ(k))

系统状态方程为：

x(k+1)＝x(k)+T(k)u(k)+w(k)

系统观测值为：

z(k+1)＝x(k+1)+ε(k+1)

其中，x为状态变量，u(k)为时间k的输入向量，w_k为时间k的系统状态噪声，k为时间时序计数，T(k)为AIS位置更新报告的第k个时间间隔，z_k为时间k的测量输出，ε_k为时间k的测量噪声。

4.根据权利要求1所述的一种航标智能化避碰方法，其特征在于，所述碰撞风险估算过程包括如下步骤：

s01，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，其中，设船舶航迹为Q₁Q₂，观察线为P₁P₂；

s02，作快速排斥试验，设以线段P₁P₂为对角线的矩形为R，设以线段Q₁Q₂为对角线的矩形为T，如果R和T不相交，则两线段不会相交，判断两个航迹不会碰撞；

s03，进行跨立试验，如果两线段相交，则两线段必然相互跨立对方，若P₁P₂跨立Q₁Q₂，则矢量P₁和P₂两点位于Q₂和Q₁的所在直线的两侧，未通过跨立试验则判定两个航迹会碰撞，通过跨立试验则判定两个航迹不会碰撞。

5.一种航标智能化避碰系统，其特征在于，包括船舶航迹预测装置、3D场景展示装置和碰撞风险估算装置，所述船舶航迹预测装置按照如权利要求1-3任意一项所述的方法对船舶航迹进行预测，所述3D场景展示装置按照如权利要求1所述的方法对航标的配布进行三维视景展示，所述碰撞风险估算装置按照如权利要求1或4所述的方法对船舶-航标碰撞风险进行评估。

6.根据权利要求5所述的一种航标智能化避碰系统，其特征在于，所述3D场景展示装置为内设有基于3DMax建模工具和UNITY 3D发布的3D场景展示系统的移动终端，所述移动终端包括基于IOS、ANDROID、PC、WEB、PS3和XBOX的移动终端。