一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于AIS的船舶‑航标碰撞危险度估算方法，属于航道技术领域。该方法通过获取在航船舶AIS信息中的静态信息构建船舶的特征点模型，根据该船舶特征点模型，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；根据船舶特征点模型的预测信息，根据航标船的位置数据，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离与和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，根据碰撞危险度估计模型实时对碰撞危险度进行估算，根据碰撞危险度阈值计算模型实时计算碰撞危险度阈值。利用该判断结果可触发航标上的摄像头进行拍照，也可用于对船舶进行警示提醒。该方法无需新增测距传感器或其他传感器，即可有效预判船舶‑航标是否碰撞。

An AIS-based method for estimating ship-beacon collision risk

The invention relates to an AIS-based method for estimating the collision risk of ships and navigation aids, which belongs to the technical field of waterway. This method constructs the ship's feature point model by acquiring the static information in the ship's AIS information. According to the ship's feature point model, the ship's position, heading and track of the ship's feature points are predicted according to the ship's real-time and historical position and heading. According to the prediction information of the ship's feature point model, the position data of the beacon ship are obtained. The nearest encounter distance between the beacon and the ship's characteristic point model and the required travel distance between the ship and the ship arriving at the encounter point are calculated. The collision hazard is estimated in real time according to the collision hazard estimation model, and the collision hazard threshold is calculated in real time according to the collision hazard threshold calculation model. The result of this judgment can trigger the camera on the beacon to take photos, and can also be used to warn the ship. This method can effectively predict whether a ship is colliding with a beacon without adding a new ranging sensor or other sensors.

【技术实现步骤摘要】
一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法
本专利技术属于航道
，涉及一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法。
技术介绍
航标作为一种船舶安全航行的助航设施，在内河浅滩、暗礁、桥区、控制河段等碍航水域被广泛使用。航标船布设在内河航道水面上标示航道的方向、界限和碍航物，揭示航道有关信息，为船舶指明安全航道。随着船舶密度增加，以及水流紊乱区域，航标碰撞事故时有发生。航标碰撞事故发生后常造成航标及航标上设备损坏，甚至造成航标船倾覆、流失等重大事故，致使航标的助航功能丧失，给航运安全带来严重影响。为解决航标的碰撞报警、预警问题，航道管理部门通过在航标船上安装多种传感器构建航标遥测遥控系统，根据加速度、GPS等信息的变化对碰撞进行检测报警。该方法虽然在一定程度上解决了航标碰撞后能报警的问题，但是事后寻找肇事船舶却缺少足够证据；另一方面，在航标上安装摄像头进行拍照的可视化航标，可通过测距传感器判断船舶与航标的距离进行拍照取证。但是要实现这些功能，这种方法需要增加更多的传感器，增加了航标的成本和维护难度。与本专利技术相关的现有技术一现有技术一的技术方案专利名：一种适用于航标的船舶防撞预警视频检测系统及检测方法本专利技术提供一种适用于航标的船舶防撞预警视频检测方法，结合航道实际船情、水情，利用基于高斯混合模型的运动物体识别技术，实现了船舶识别抓拍、速度分析、撞击预警等功能。现有技术一的缺点缺点：根据图像分析来抓取船舶图像，分析速度方向，建立模型来对撞击进行预警的方法过程复杂耗时长，无法及时给出船-航标碰撞预警；而且由于昼夜，水面漂浮物，浅滩碣石、船舶体型差异等因素，对于船-航标碰撞的危险程度很容易产生误判。与本专利技术相关的现有技术二现有技术二的技术方案专利名：一种桥区船舶主动防撞预警方法及系统本专利技术涉及一种桥区船舶主动防撞预警方法及系统，在桥区通航区域内，根据船舶实时坐标、船艏方向获取用于评价船舶行驶状态的碰撞风险等级，并根据不同风险等级分类向船舶提供助航服务和预警信息的播发。现有技术二的缺点该技术提供的预警只考虑船舶实时坐标与船艏方向，危险程度的判断精度不够。且内河流域往往存在浅滩、桥区、窄道等通行环境恶劣的情况下，通行船舶存在惯性大、操作能力差等情况，只针对直线通行的情况做预警并不满足于船-航标碰撞预警的情况。与本专利技术相关的现有技术三现有技术三的技术方案专利：基于多种传感器的航标碰撞检测系统该方法主要是通过碰撞单元测量航标船的姿态角和加速度信息判断碰撞是否发生，通过测距预警单元的雷达测距仪判断船舶与航标距离，触发预警和启动拍照取证单元进行拍照。现有技术三的缺点该方法的主要确定是需要安装测距传感器进行船舶与航标距离的判断，而一般的测距传感器，比如，红外线，超声波等有有效距离和范围受限的问题，而雷达测距仪也有成本高，范围受限、耗能、使用环境等因素的影响，造成航标成本高，推广应用困难。缩略语和关键术语定义：控制河段：一些只能允许船舶单向行驶的特殊河段。AIS：船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem)，由船载设备和基站两部分组成，船舶的相关信息可以通过船载AIS设备无线传输到附近基站，再经过局域网传输到相应航道管理部门。船载设备提供的AIS信息包含有：1.船舶静态数据，包含船名、呼号、MMSI、IMO、船舶类型、船长、船宽等；2.船舶动态数据，包含经度、纬度、船艏向、航速等；3.船舶航程数据，包含船舶状态，吃水，目的地、ETA等。次生海损事故：海损事故指发生物质损失或者费用损失的水上运输事故，次生海损事故指由前一个海损事故直接或间接导致的海损事故，在本专利中主要指由船-航标碰撞事故导致的航标功能失常，使后继船舶无法得知航道信息，从而导致的海损事件。VHF：甚高频(VeryHighFrequency)，是指频带由30Mhz到300MHz的无线电电波，波长范围为1m～10m。多数是用作电台及电视台广播，同时又是航空和航海的沟通频道。最近会遇距离：在本文中指船舶驶过航标时，船舶和航标之间最近的距离。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法，通过获取在航船舶AIS信息中的静态信息构建船舶的特征点模型，根据航船AIS动态信息提供的船舶实时船位，滚动计算和预测船舶的特征点模型位置、艏向和航迹；根据航标船的位置数据，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离与和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，根据碰撞危险度估计模型实时对碰撞危险度估算。可根据计算出的危险程度进行触发报警。该方法无需在现有的智能航标基础上附加专门的测距传感器即可实现船-航标碰撞的预判。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法，包括以下步骤：S1：以某一航标A为中心，获取航标A的位置信息和在航船舶的AIS信息；S2：计算航标A与在航船舶间的距离，筛选出满足条件的航标-船舶对，并根据筛选结果获取对应船舶的静态信息；S3：将航标A的位置及船舶B的船位数据进行坐标转换，转换为大地平面坐标系数据，以船舶B的当前位置为坐标原点；S4：根据船舶B的AIS发送的静态信息，建立船舶的特征点模型；所述特征点模型以船舶B上定位设备天线安装位置V0相对于船舶B的安装位置，同时结合船长、船宽信息，选取特征点V1，V2，V3，V4，V5来描述船舶的形状；进一步结合船舶当前船位和艏向，确定船舶在二维平面上的实际姿态，从而将传统方法中船舶和航标之间，点与点的相对位置关系转化为一个面和点的相对位置关系；S5：采用合适的预测算法，以T为预测周期，对船舶B当前船位后船舶B在不同预测周期的船位和艏向，即，船舶B的定位设备天线安装位置V0和船舶外形特征点V1，至V5，六个特征点，在T，2T，3T...，处的预测的位置点，将这些点连线并结合艏向，即为船舶B在当前船位后的预测航迹；所述当前船位为数据中心收到的船舶B的AIS发送的船位；S6：依据船舶-航标会遇模型，计算船舶B与航标A的最近会遇距离；船舶B的特征点V0的预测轨迹中，V0与航标A距离最近的位置即为会遇点X，分别计算航标A当前位置与预测的船舶B各特征点运行轨迹的垂直距离L1，…，L5，即航标A与船舶B特征点的最近会遇距离，其中最小的最近会遇距离记为La，最大的最近会遇距离记为Lb；S7：计算船舶B抵达到会遇点X所需的行驶距离；根据各特征点的运行轨迹的数学模型，计算船舶B某一特征点从某一未来时刻位置到会遇点的轨迹弧长u作为行驶距离；S8：应用碰撞危险度估计模型估算该船舶B和其对应的航标A在某段时间后的船-航标碰撞危险度；所述碰撞危险度估计模型为：首先计算航标A到船舶B的最近会遇距离的高斯分布：其中，是最近会遇距离的均值，最近会遇距离的标准差σx是该船舶B过去一段时间历史位置数据的预测误差标准差；然后计算船舶B抵达到会遇点X所需的行驶距离的高斯分布：其中，σs为行驶距离方差；均值是船舶B是否能顺利避开航标A的临界值，即安全距离，通过下式求得：其中，静水回转半径是为回转率，vwater是当前水流速度在船舶B艏向上的分量，lwid是船宽，llen是船长，v是船舶对地速度，h是船载定位设备天线位置到船舶左舷的垂直距离，r是航标碰撞判本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于AIS的船舶‑航标碰撞危险度估算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：以某一航标A为中心，获取航标A的位置信息和附近在航船舶的AIS信息；S2：计算航标A与在航船舶间的距离，筛选出满足条件的航标‑船舶对，并根据筛选结果获取对应船舶的静态信息；S3：将航标A的位置及船舶B的船位数据进行坐标转换，转换为大地平面坐标系数据，以船舶B的当前位置为坐标原点；S4：根据船舶B的AIS发送的静态信息，建立船舶的特征点模型；所述模型以船舶B上定位设备天线安装位置V0相对于船舶B的安装位置，同时结合船长、船宽信息，选取特征点V1，V2，V3，V4，V5来描述船舶的形状；进一步结合船舶当前船位和艏向，确定船舶在二维平面上的实际姿态，从而将传统方法中船舶和航标之间，点与点的相对位置关系转化为一个面和点的相对位置关系；S5：采用合适的预测算法，以T为预测周期，对船舶B当前船位后船舶B在不同预测周期的船位和艏向，即，船舶B的定位设备天线安装位置V0和船舶外形特征点V1至V5六个特征点，在T，2T，3T...，处的预测的位置点，将这些点以一定的数学模型连线并结合艏向，即为船舶B各个特征点在当前船位后的预测航迹；所述当前船位为数据中心收到的船舶B的AIS发送的船位；S6：依据船舶‑航标会遇模型，计算船舶B与航标A的最近会遇距离；船舶B的特征点V0的预测轨迹中，V0与航标A距离最近的位置即为会遇点X；分别计算航标A当前位置与预测的船舶B各特征点运行轨迹的垂直距离L1，…，L5，即航标A与船舶B特征点的最近会遇距离，其中最小的最近会遇距离记为La，最大的最近会遇距离记为Lb；；S7：计算船舶B抵达到会遇点X所需的行驶距离；根据各特征点在当前时刻后不同时间段内的运行轨迹的数学模型，计算船舶B的定位设备天线安装位置V0行驶到会遇点的轨迹弧长u作为行驶距离；S8：应用碰撞危险度估计模型估算该船舶B和其对应的航标A的船‑航标碰撞危险度；所述碰撞危险度估计模型为：首先计算航标A到船舶B的最近会遇距离的高斯分布：...

【技术特征摘要】
1.一种基于AIS的船舶-航标碰撞危险度估算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：以某一航标A为中心，获取航标A的位置信息和附近在航船舶的AIS信息；S2：计算航标A与在航船舶间的距离，筛选出满足条件的航标-船舶对，并根据筛选结果获取对应船舶的静态信息；S3：将航标A的位置及船舶B的船位数据进行坐标转换，转换为大地平面坐标系数据，以船舶B的当前位置为坐标原点；S4：根据船舶B的AIS发送的静态信息，建立船舶的特征点模型；所述模型以船舶B上定位设备天线安装位置V0相对于船舶B的安装位置，同时结合船长、船宽信息，选取特征点V1，V2，V3，V4，V5来描述船舶的形状；进一步结合船舶当前船位和艏向，确定船舶在二维平面上的实际姿态，从而将传统方法中船舶和航标之间，点与点的相对位置关系转化为一个面和点的相对位置关系；S5：采用合适的预测算法，以T为预测周期，对船舶B当前船位后船舶B在不同预测周期的船位和艏向，即，船舶B的定位设备天线安装位置V0和船舶外形特征点V1至V5六个特征点，在T，2T，3T...，处的预测的位置点，将这些点以一定的数学模型连线并结合艏向，即为船舶B各个特征点在当前船位后的预测航迹；所述当前船位为数据中心收到的船舶B的AIS发送的船位；S6：依据船舶-航标会遇模型，计算船舶B与航标A的最近会遇距离；船舶B的特征点V0的预测轨迹中，V0与航标A距离最近的位置即为会遇点X；分别计算航标A当前位置与预测的船舶B各特征点运行轨迹的垂直距离L1，…，L5，即航标A与船舶B特征点的最近会遇距离，其中最小的最近会遇距离记为La，最大的最近会遇距离记为Lb；；S7：计算船舶B抵达到会遇点X所需的行驶距离；根据各特征点在当前时刻后不同时间段内的运行轨迹的数学模型，计算船舶B的定位设备天线安装位置V0行驶到会遇点的轨迹弧长u作为行驶距离；S8：应用碰撞危险度估计模型估算该船舶B和其对应的航标A的船-航标碰撞危险度；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁山，毕方全，李庭轩，徐晓明，周孝羽，许根平，李明，王德军，王新宇，吴朝昇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50