[发明专利]一种面向全息航行场景图的水上交通本体建模方法和模型

权利要求书

1.一种面向全息航行场景图的水上交通本体建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将面向全息航行场景图的水上交通本体模型解构为包括环境本体模型、规则本体模型和船舶行为本体模型的相互影响的本体模型；

S2：构建包括语义建模层和语义提取层的环境本体模型；具体步骤为：

S21：构建语义建模层，将水上交通环境的语义信息结构化处理后作为知识源存入本体知识库；

S22：构建语义提取层，识别场景类别并生成环境要素的语义描述，实现对水上交通环境的语义理解；根据环境场景类别和环境要素的相关性，通过识别场景类别缩小无人驾驶船舶在执行航行任务时的有效搜索范围；

S23：以航行任务为驱动，通过自动重传请求ARQ查询引擎，采用三元组匹配的方法在环境场景本体知识库中检索所需的环境语义信息，进行环境场景认知；

S3：通过抽取包括国际海上避碰规则的要素及属性，构建规则本体模型；

S4：以船舶行为为水上交通对象，基于环境场景和规则场景，利用船舶活动数据，对水上交通对象在时空范围内的活动进行语义表达，构建船舶行为本体模型；

S5：基于步骤S2至S4依次构建的环境本体模型、规则本体模型和船舶行为本体模型，通过相应的感知手段获取关于环境、规则和船舶行为相关的信息，并输入到对应的本体模型中实例化为场景本体信息，形成场景域范围内的供无人驾驶船舶认知的行为场景全息语义地图。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的步骤S21中，具体步骤为：

S211：根据对水上交通环境场景语义的形成过程及其构成要素的理解，将水上交通环境场景语义分为包括自然环境和通航基础设施的不同类别；以三维体素为基本单元将连续分布的环境场数据进行离散化处理，根据时间维度上各个要素的变化，计算每个基本单元的水文环境特征、气象环境特征和地理环境特征；

S212：根据不同环境场景要素的特点和语义特征构建要素语义集，构建用于描述水域气象、水文、地理环境属性和特征的自然环境语义集、用于描述各种通航基础设施属性及其功能特性的通航基础设施功能语义集；

S213：通过本体建模实现水上交通环境场景语义的本体表达；抽取环境场景的概念和属性，并分析概念间的关系，运用本体建模工具建立水上交通环境场景的本体概念与推理规则库。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述的步骤S211中，

自然环境包括气象环境、水文环境、地理环境特征；

气象环境包括风速、风向、能见度、气压、温度和降水量；

水文环境包括流速、流向、浪高、主波向、波浪周期、潮时和潮差；

地理环境特征包括地形和地貌；

通航基础设施是指与船舶活动相关的关键特征，包括航道航路的通航能力、码头泊位的分布特征和靠泊能力、导助航设备设施的导助航功能特征、锚地的容量以及类型特征。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的步骤S22中，具体步骤为：

S221：基于深度学习算法识别环境场景类别并生成环境要素的语义描述；

S222：以自然语言的形式表达提取的语义描述，采用基于本体的语义解析器解析环境语义中的实例和属性；

S223：将环境场景类别、实例和属性与环境场景本体知识库相对应。

5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：从包括程序性规则和经验性规则的多方面分析水上交通规则的类型；

S32：基于本体建模方法抽取水上交通规则的要素，抽象为水上交通对象、对象行为、对象与对象或行为之间的关系这三个要素，以及这三个要素具备的属性；并进行语义提取和语义关联，构建每个规则描述的水上交通场景的语义模型；

S33：对每个水上交通规则场景中具有指定行为与属性的船舶对象进行避碰角色辨识；并基于本体的推理与查询机制对每一船舶应执行的操作进行语义推理与语义查询，形成特定场景下具有特定行为与属性的面向智能船舶的规则知识库，实现智能船舶对规则的自主认知，具备规则所指定的航行意识。