一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法，包括步骤为：绘制辖区、划分拓扑网格、数据流式驱动机制、构建最小计算单元、局部航迹正向关联选取最优系统航迹、系统航迹反向选取最优局部航迹、航迹融合滤波。本发明专利技术实现了VTS系统中AIS雷达等多路传感器的信息融合，并且在实现过程中，综合考虑了局部航迹在所有系统航迹中正向取最优，系统航迹在候选局部航迹中反向取最优的关联方法，保证目标实现最优关联处理，并且对融合后的系统航迹进行滤波处理，在整体网格框架实现较高处理效率的前提下，能够有效提升多传感器的融合性能。能够有效提升多传感器的融合性能。能够有效提升多传感器的融合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法


[0001]本专利技术涉及船舶交通管理领域，特别是一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着船舶航运业的发展、船舶种类的增多，水运行业的业务量居高不下，船舶数量尤其是运输危险品船只和水域通航的船只密度都在不断增加，水上交通事故还时有发生，船舶的航行安全和海洋生态环境等都受到极大的威胁。VTS系统(船舶交通管理系统)，可以有效保障江河或海域通航安全，提高船舶交通利用率，减少交通事故的发生，在海运安全中具有及其重要的作用。
[0003]雷达和AIS(船舶自动识别系统)是VTS系统为提高航运管理效率最常用最重要的两种通信导航设备，它们提供的信息各有一定的局限性但同时又可以达到信息互补的特点。
[0004]雷达作为主动探测传感器，具有连续监测，覆盖范围广和检测目标位置、航速和方位的优点，获得较为全面的交通态势图像，但其也存在局限性，例如提供的信息有限，无法识别船名、船长船宽等静态信息等，且易受气象、海况以及地形等因素的影响。AIS属于被动式传感器，只有安装AIS设备的船只主动发送船舶信息，AIS基站才能接收到船只的信息。但其具有诸多的优点，不仅可以获取船舶实时动态信息和船名、船长船宽等静态信息，其信息精度高且信息量大，信息获取速度迅捷，并且信息的提供一般不会受到地形、天气及海上状况的影响。所以，通过信息融合处理，可以将AIS和各雷达站的信息互补，弥补各自的系统缺陷，发挥各自优势，提高探测目标信息的可靠性和准确性，从而提高船舶航行的安全性。
[0005]VTS系统中同时接入了AIS和多个雷达站等多个传感器信息，因此实现多路传感器的精确信息融合，提高船舶导航的准确性，降低由于误关联引起的融错导致的值班干扰等问题显得尤为重要。特别是在船舶密集、流量大的内河水域，船舶之间存在大量的追越、交叉、会遇等场景，不同传感器间的融错等问题尤为严重。VTS系统中有些辖区覆盖范围很广，接入的AIS数量很大，且同时需接入一二十个雷达站才可以覆盖全辖区，因此，同时对整个辖区内的目标均进行融合处理，需要较大的计算量，且后续算法改进也可能导致复杂度、计算量的增加，因此需要设计一个可支持并行计算的数据处理架构，可支撑所有目标的融合处理计算量。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法，该面向VTS系统的多传感器信息融合方法能实现了VTS系统中AIS和多路雷达等传感器的信息融合，并且在实现过程中，综合考虑了局部航迹在系统航迹中正向选取最优系统航迹，系统航迹在候选局部航迹中反向选取最优局部航迹的双向最优选择的关联方法，并且将辖区划分拓扑网格，组建最小计算单元，从而解决了密集水域下追
越、会遇、交叉等场景下导致的误关联、融错等问题，以及利用拓扑网格组建最小计算单元的方式实现辖区覆盖范围大可能带来的较大计算量的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法，包括如下步骤。
[0009]步骤1、绘制辖区：在VTS系统的交通管理子系统客户端绘制辖区。
[0010]步骤2、划分拓扑网格：将步骤1绘制的辖区，进行拓扑网格划分。
[0011]步骤3、数据流式驱动机制：将每个雷达站或每个AIS输出的一维航迹数据均定义为局部航迹，将融合后的航迹定义为系统航迹；则航迹融合处理采用数据流式驱动机制，当接收到任意最新局部航迹时，立即触发航迹融合，保障融合数据处理的实时性和有效性；整个融合过程仅在系统航迹和局部航迹两个维度之间进行匹配计算。
[0012]步骤4、构建最小计算单元：持续从数据采集层接收最新局部航迹信息，并根据其最新的位置信息填充至对应的拓扑网格，并获取对应的拓扑网格编码；以当前拓扑网格编码为中心网格，并取与其相邻的8个拓扑网格，组成九宫格；每个九宫格中所包含的最新接收到的局部航迹、若干个系统航迹，以及与每个系统航迹关联的所有局部航迹，共同形成最小计算单元。
[0013]步骤5、局部航迹正向选取最优系统航迹：局部航迹更新，并将当前局部航迹，与步骤4构建的最小计算单元中的所有系统航迹，进行关联计算。
[0014]当未关联到系统航迹时，则根据当前局部航迹创建新的系统航迹，作为最优系统航迹。
[0015]当从最小计算单元中仅关联到一个系统航迹时，则已关联系统航迹作为最优系统航迹。
[0016]当从最小计算单元中仅关联到两个及以上系统航迹时，则从已关联系统航迹中，选取相似度最大的系统航迹作为最优系统航迹。
[0017]步骤6、最优系统航迹反向选取最优局部航迹：步骤5选取的最优系统航迹在属于同一传感器的局部航迹中反向选取最优局部航迹，具体选取方法为：
[0018]当最优系统航迹仅具有一个相关联的局部航迹时，已关联局部航迹为最优局部航迹。
[0019]当最优系统航迹具有两个及以上的相关联局部航迹时，则从已关联局部航迹中，选取相似度最大的局部航迹作为最优局部航迹。
[0020]步骤7、构建链式关联关系映射，包括如下步骤：
[0021]步骤7
‑
1、构建：最优系统航迹与选取的最优局部航迹之间形成临时链式映射。
[0022]步骤7
‑
2、周期维持：在每个航迹更新周期内，均重复步骤4至步骤6，当临时链式映射中的最优系统航迹与最优局部航迹能正、反向选取到时，则最优局部航迹次数累计加1；在设定的N个航迹更新周期内，当最优局部航迹的累计次数达到门限阈值S时，则认为临时链式映射中的最优系统航迹与最优局部航迹之间满足真正的关联关系，并建立真正的链式关联关系映射；其中，N≥3。
[0023]步骤8、航迹融合，包括如下步骤：
[0024]步骤8
‑
1、设定融合阈值F
h
。
[0025]步骤8
‑
2、设定滑窗内的航迹更新周期数量M。
[0026]步骤8
‑
3、计算综合相似度针对步骤7构建的链式关联关系映射中最优局部航迹与最优系统航迹，局部航迹更新后，持续计算两者间的相似度，并计算滑窗平滑后的综合相似度
[0027]步骤8
‑
4、航迹融合：当步骤8
‑
3计算的综合相似度大于融合阈值F
h
时，则步骤7构建的链式关联关系映射中最优局部航迹与最优系统航迹满足融合条件，更新对应系统航迹信息。
[0028]步骤9、滤波：对步骤8的融合航迹进行滤波。
[0029]步骤2中，拓扑网格划分时，需满足如下三项规则：
[0030]规则一、每个拓扑网格的尺寸应该不超过5km*5km，便于计算量被充分地均摊。
[0031]规则二、划分后的每个拓扑网格均为正方形，具备相同的水平距离和垂直距离。
[0032]规则三、单个航迹的关联范围，应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向VTS系统的多传感器信息融合方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、绘制辖区：在VTS系统的交通管理子系统客户端绘制辖区；步骤2、划分拓扑网格：将步骤1绘制的辖区，进行拓扑网格划分；步骤3、数据流式驱动机制：将每个雷达站或每个AIS输出的一维航迹数据均定义为局部航迹，将融合后的航迹定义为系统航迹；则航迹融合处理采用数据流式驱动机制，当接收到任意最新局部航迹时，立即触发航迹融合，保障融合数据处理的实时性和有效性；整个融合过程仅在系统航迹和局部航迹两个维度之间进行匹配计算；步骤4、构建最小计算单元：持续从数据采集层接收最新局部航迹信息，并根据其最新的位置信息填充至对应的拓扑网格，并获取对应的拓扑网格编码；以当前拓扑网格编码为中心网格，并取与其相邻的8个拓扑网格，组成九宫格；每个九宫格中所包含的最新接收到的局部航迹、若干个系统航迹，以及与每个系统航迹关联的所有局部航迹，共同形成最小计算单元；步骤5、局部航迹正向选取最优系统航迹：局部航迹更新，并将当前局部航迹，与步骤4构建的最小计算单元中的所有系统航迹，进行关联计算；当未关联到系统航迹时，则根据当前局部航迹创建新的系统航迹，作为最优系统航迹；当从最小计算单元中仅关联到一个系统航迹时，则已关联系统航迹作为最优系统航迹；当从最小计算单元中仅关联到两个及以上系统航迹时，则从已关联系统航迹中，选取相似度最大的系统航迹作为最优系统航迹；步骤6、最优系统航迹反向选取最优局部航迹：步骤5选取的最优系统航迹在属于同一传感器的局部航迹中反向选取最优局部航迹，具体选取方法为：当最优系统航迹仅具有一个相关联的局部航迹时，已关联局部航迹为最优局部航迹；当最优系统航迹具有两个及以上的相关联局部航迹时，则从已关联局部航迹中，选取相似度最大的局部航迹作为最优局部航迹；步骤7、构建链式关联关系映射，包括如下步骤：步骤7
‑
1、构建：最优系统航迹与选取的最优局部航迹之间形成临时链式映射；步骤7
‑
2、周期维持：在每个航迹更新周期内，均重复步骤4至步骤6，当临时链式映射中的最优系统航迹与最优局部航迹能正、反向选取到时，则最优局部航迹次数累计加1；在设定的N个航迹更新周期内，当最优局部航迹的累计次数达到门限阈值S时，则认为临时链式映射中的最优系统航迹与最优局部航迹之间满足真正的关联关系，并建立真正的链式关联关系映射；其中，N≥3；步骤8、航迹融合，包括如下步骤：步骤8
‑
1、设定融合阈值F
h
；步骤8
‑
2、设定滑窗内的航迹更新周期数量M；步骤8
‑
3、计算综合相似度针对步骤7构建的链式关联关系映射中最优局部航迹与最优系统航迹，局部航迹更新后，持续计算两者间的相似度，并计算滑窗平滑后的综合相似度步骤8
‑
4、航迹融合：当步骤8
‑
3计算的综合相似度大于融合阈值F
h
时，则步骤7构建的
链式关联关系映射中最优局部航迹与最优系统航迹满足融合条件，更新对应系统航迹信息；步骤9、滤波：对步骤8的融合航迹进行滤波。2.根据权利要求1所述的面向VTS系统的多传感器信息融合方法，其特征在于：步骤2中，拓扑网格划分时，需满足如下三项规则：规则一、每个拓扑网格的尺寸应该不超过5km*5km，便于计算量被充分地均摊；规则二、划分后的每个拓扑网格均为正方形，具备相同的水平距离和垂直距离；规则三、单个航迹的关联范围，应该被约束在其所在拓扑网格及其相邻的8个拓扑网格组成的九宫格内。3.根据权利要求1或2所述的面向VTS系统的多传感器信息融合方法，其特征在于：当绘制的辖区为多边形时，步骤2中，拓扑网格的划分方法，包括如下步骤：步骤2
‑
1、组建矩形：从多边形辖区中寻找经度最小值Lon
min
、经度最大值Lon
max
、纬度最小值Lat

【专利技术属性】
技术研发人员：张灿，彭鹏，孙雪涛，张金松，陆月晴，
申请(专利权)人：中船重工鹏力南京大气海洋信息系统有限公司，
类型：发明
国别省市：