[发明专利]一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法

权利要求书

1.一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取本船和周围目标船的船舶信息；

S2，根据获取的船舶信息计算目标船相对于本船的相对方位和相对距离；

S3，根据计算得到的相对方位和相对距离，筛选预设时间段内在指定方位区间上本船与周围目标船之间的最小安全距离；

S4，对筛选出的最小安全距离进行数据点去噪；将本船周围区域划分为m*n个栅格，每个最小安全距离数据点转换为对应的栅格编号，统计每个栅格中最小安全距离数据点的数量，删除本船周围非零值最小安全距离数据点总数低于预定义阈值的栅格；

S5，构建最小安全距离与船长、航速、相对方位的数学模型；

S6，计算本船和目标船之间的最近会遇距离，并根据最近会遇距离与最小安全距离对船舶间的冲突概率进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述船舶信息包括：目标船经纬度坐标、目标船航向、目标船艏向、目标船航速、目标船船长以及本船经纬度坐标、本船航向、本船艏向、本船航速、本船船长。

3.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S2中，计算目标船相对于本船的相对方位和相对距离的方法为：

令t＝0时刻，本船艏向为A₀，本船经纬度坐标为目标船船艏向为A₁，目标船经纬度坐标为

相对距离计算公式如下：

δλ＝λ₁-λ₀

相对方位计算公式如下：

TB＝cos^-1(δλ*60/d)

TB＝360°-cos^-1(δλ*60/d)

Q＝TB-A₀

其中，TB为目标船的真方位，即从真北沿顺时针方向到目标船的夹角；Q为目标船相对本船的相对方位，即从本船艏向沿顺时针计算到目标船的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S3中，定义安全距离为：在某一时刻t₁在指定方位区间θ_i上，本船与周围目标船之间的最小距离；定义最小安全距离为：在预设时间段内，方位区间θ_i上的安全距离随时间变化，在时刻t₂出现的最小的安全距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S4中，对最小安全距离进行数据点去噪的方法为：

对本船周围的区域进行栅格划分，每个最小安全距离数据点转换为对应的栅格编号；令每个栅格的长度为x；

计算距离每增加x经纬度的增量为：

其中，ΔLon为经度增量，ΔLat为纬度增量；R_e为地球半径；

计算每个栅格的经纬度编号：

其中，表示栅格的经度编号，表示栅格的纬度编号；lon表示某个栅格的经度，lat表示某个栅格的纬度；lon₁、lon₂表示本船周围进行栅格划分的区域的经度边界；lat₁、lat₂表示本船周围进行栅格划分的区域的纬度边界；

统计每个栅格中最小安全距离数据点的数量，删除本船周围非零值最小安全距离数据点总数低于预定义阈值ξ的栅格。

6.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S5中，最小安全距离与船长、航速、相对方位的数学模型为：

其中，MSD为最小安全距离，L为本船船长，V为本船航速，Q为目标船相对本船的相对方位；A、B、C、D、α、ω为模型的参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法，其特征在于，步骤S6中，对船舶间冲突概率进行求解的方法为：

将本船标记为X_O，目标船标记为X_T；

在不考虑不确定运行误差及突发情况下，根据船舶X_O、X_T到达各转向点的时间划分航行时间段；在某航行时间段内，本船和目标船的位置、航速分别为(x_O，y_O)、(x_T，y_T)，(V_xO，V_yO)、(V_xT，V_yT)；航行时长为t，起始时间为t_start，结束时间为t_end；以本船作为参考，目标船的相对位置(x′_T，y′_T)和相对速度(V′_xT，V′_yT)表示为：

(x′_T，y′_T)＝-(x_O，y_O)+(x_T，y_T)

(V′_xT，V′_yT)＝-(V_xO，V_yO)+(V_xT，V_yT)

在任意时刻，本船X_O和目标船X_T之间的相对位置为：

其中，V′_kxT、V′_kyT为在时间段k的起始时刻目标船X_T在x、y方向上的相对速度；V′_ixT、V′_iyT为在时间段i的起始时刻目标船X_T在x、y方向上的相对速度；t_k为第k时段；

考虑到船舶航行轨迹的波动，每艘船的运动方程表示如下：

其中，分别是本船X_O和目标船X_T的航向角；W_O～N(0，Q_O)、W_T～N(0，Q_T)表示零均值高斯过程噪声向量；Q_O和Q_T是与轨迹不确定性相关的误差协方差矩阵；

定义冲突为：目标船与本船的最近会遇距离小于或等于最小安全距离时，即存在冲突；

任意时刻船舶间的距离D(t)表示为：

其中：

A＝(V_xO-V_xT)²+(V_yO-V_yT)²

B＝2[(x_O-x_T)(V_xO-V_xT)+(y_O-y_T)(V_yO-V_yT)]

C＝(x_O-x_T)²+(y_O-y_T)²

船舶间的距离D(t)的最小值即为船舶之间的最近会遇距离，在时间区间[t_start，t_end]内该最近会遇距离有以下三种可能：

其中，DCPA为两船的最近会遇距离；

两船存在冲突的概率P_con由两船之间的最近会遇距离DCPA小于或等于MSD的概率给出：

P_con＝P(d_min≤MSD)

其中，d_min即为两船之间的最近会遇距离DCPA；MSD为两船的最小安全距离；

该概率P_con利用蒙特卡洛仿真进行计算：根据船舶航速的概率密度函数生成随机采样点，在船舶不确定性运动方程模型中插入每个随机样本点，将随机问题转化为确定性问题，利用确定性求解器对冲突概率P_con进行求解。