一種航海交通管制方法

2023-10-30 07:36:12

一種航海交通管制方法
【專利摘要】本發明涉及一種航海交通管制方法，包括如下幾個步驟，首先通過海面雷達獲得船舶的實時和歷史位置信息；然後在每一採樣時刻，依據船舶的實時和歷史位置信息滾動推測未來時段內船舶的軌跡；再而基於船舶當前的運行狀態和歷史位置觀察序列，獲取海域風場變量的數值；再而基於各船舶的運行狀態和設定的船舶在海域內運行時需滿足的安全規則集，對船舶的動態行為實施監控並為海上交通控制中心提供及時的告警信息；當告警信息出現時，在滿足船舶物理性能和海域交通規則的前提下，通過設定優化指標函數以及融入風場變量數值，採用自適應控制理論方法對船舶避撞軌跡進行滾動規劃，並將規劃結果傳輸給各船舶執行。本發明實時預測規劃軌跡，安全性較好。
【專利說明】一種航海交通管制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種海域交通管制方法，尤其涉及一種基於滾動規劃策略的海域交通 管制方法。

【背景技術】
[0002] 隨著全球航運業的快速發展，部分繁忙海域內的交通愈加擁擠。在船舶交通流密 集複雜海域，針對船舶間的衝突情形仍然採用航行計劃結合人工間隔調配的管制方式已不 能適應航運業的快速發展。為保證船舶間的安全間隔，實施有效的衝突調配就成為海域交 通管制工作的重點。船舶衝突解脫是航海領域中的一項關鍵技術，安全高效的解脫方案對 於增加海域船舶流量以及確保海運安全具有重大意義。
[0003] 為了提高船舶的航行效率，船用雷達自動標繪儀目前已經被廣泛應用到船舶監控 和避碰中，該設備通過提取船舶相關信息為船舶間衝突情形的判定提供參考依據。儘管此 類設備極大降低了人工監控的負荷，但它並不具備船舶自動衝突解脫功能。針對船舶衝突 解脫問題，目前的處理方式主要包括幾何式確定性算法和啟發式智能算法兩大類方案，相 關文獻研究主要集中在無約束條件下兩船舶間的衝突避讓規划算法並且多以"離線形式" 為存在衝突的船舶規劃解脫軌跡，由此造成各個船舶解脫軌跡的動態適應性和魯棒性較 差。此外，在船舶實際航行中，受氣象條件、導航設備以及駕駛員操作等各種因素的影響，它 的運行狀態往往不完全屬於某一特定的運動狀態，在船舶軌跡預測過程中需要考慮各種隨 機因素的影響，通過獲取各類隨機因素的最新特性對其未來軌跡實施滾動預測並增強其軌 跡預測的魯棒性。


【發明內容】

[0004] 本發明要解決的技術問題是提供一種魯棒性較好的航海交通管制方法，該方法的 船舶軌跡預測精度較高且可有效防止船舶運行衝突。
[0005] 實現本發明目的的技術方案是提供一種航海交通管制方法，包括如下幾個步驟：
[0006] ①通過海面雷達獲得船舶的實時和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維 位置序列X' =[χ/，x2' ]和y' =[y/，y2'，…，丫/ ]，通過應用小波變 換理論對原始離散二維位置序列X' =[x/ ,X2'，...，χη']和y' =[y/，y；/，...，yn']進行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列χ=[χρχ2, ...，χη]和y= Ly1,J2, ,yn]；
[0007] ②在每一採樣時刻，依據步驟①得到的船舶的實時和歷史位置信息滾動推測未來 時段內船舶的軌跡，其具體過程如下：
[0008]2. 1)船舶軌跡數據預處理，依據所獲取的船舶原始離散二維位置序列X= [Xl， x2,. . .，xn]和y= [yi，y2,. . .，yn]，採用一階差分方法對其進行處理獲取新的船舶離散位置 序列Δχ= [Ax1,Δχ2，···，Axn-J和Ay= [Ay1,Ay2,.··，Ayn-J，其中Axi=Xw-Xi, Ayi= y i+i1i(i = 1，2,· ··，η-1);
[0009] 2. 2)對船舶軌跡數據聚類，對處理後新的船舶離散二維位置序列Λx和Λy，通過 設定聚類個數M'，採用K-means聚類算法分別對其進行聚類；
[0010] 2. 3)在每一採樣時刻對船舶軌跡數據利用隱馬爾科夫模型進行參數訓練，通過將 處理後的船舶運行軌跡數據八1和Ay視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設定隱狀態 數目N和參數更新時段τ'，依據最近的T'個位置觀測值並採用B-W算法滾動獲取最新 隱馬爾科夫模型參數λ';
[0011] 2. 4)依據隱馬爾科夫模型參數，採用Viterbi算法獲取當前時刻觀測值所對應的 隱狀態q;
[0012] 2.5)在每一採樣時刻，通過設定預測時域W，基於船舶當前時刻的隱狀態q，獲取 未來時段船舶的位置預測值〇 ;
[0013] ③在每一採樣時刻，基於船舶當前的運行狀態和歷史位置觀察序列，獲取海域風 場變量的數值；
[0014] ④在每一採樣時刻，基於各船舶的運行狀態和設定的船舶在海域內運行時需滿足 的安全規則集，當船舶間有可能出現違反安全規則的狀況時，對其動態行為實施監控並為 海上交通控制中心提供及時的告警信息；
[0015] ⑤當告警信息出現時，在滿足船舶物理性能和海域交通規則的前提下，通過設定 優化指標函數以及融入風場變量數值，採用自適應控制理論方法對船舶避撞軌跡進行滾動 規劃，並將規劃結果傳輸給各船舶執行，其具體過程如下：
[0016] 5. 1)設定船舶避撞軌跡規劃的終止參考點位置P、避撞策略控制時域Θ、軌跡預 測時域W;
[0017] 5. 2)設定在給定優化指標函數的前提下，基於合作式避撞軌跡規劃思想，通過給 各個船舶賦予不同的權重以及融入實時風場變量濾波數值，得到各個船舶的避撞軌跡和避 撞控制策略並將規劃結果傳輸給各船舶執行，且各船舶在滾動規劃間隔內僅實施其第一個 優化控制策略；
[0018] 5. 3)在下一採樣時刻，重複步驟5. 2)直至各船舶均到達其解脫終點。
[0019] 進一步的，所述步驟①中，通過應用小波變換理論對原始離散二維位置序列X'= [χ/，χ2'，…，乂/ ]和y' =[y/，y2'，…，又/ ]進行初步處理，從而獲取船舶的 去噪離散二維位置序列X=[χρχ2,...，χη]和y= [yi，y2,...，yn]:對於給定的原始二維 序列數據V=[χ/，χ，，...，χη']，利用如下形式的線性表達式分別對其進行近似： I[xI=YjcJxVjx{x') VJ，
[0020]

【權利要求】
1. 一種航海交通管制方法，其特徵在於包括如下幾個步驟： ① 通過海面雷達獲得船舶的實時和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維位置 序列X' =[x/，x2'，...，xn']和y' =[y/，y2'，...，yn']，通過應用小波變換理 論對原始離散二維位置序列X' =[x/，x2' ,...,x/ ]和y' =[y/，y2' ,...,y/ ] 進行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x= [X1,x2, . . .，xn]和y=Iiy1, y2，? --，yJ; ② 在每一採樣時刻，依據步驟①得到的船舶的實時和歷史位置信息滾動推測未來時段 內船舶的軌跡，其具體過程如下： 2. 1)船舶軌跡數據預處理，依據所獲取的船舶原始離散二維位置序列X= [Xl，x2，...， xn]和y= [yi，y2, ...，yn]，採用一階差分方法對其進行處理獲取新的船舶離散位置序列 Ax= [Ax1,Ax2,. ? ?，Axn_J和Ay= [Ay1,Ay2,. ? ?，Ayn_J，其中Axi=xi+1_zi，Ayi =yi+i-yi(i= 1，2, ? ? ?，n-1); 2.2) 對船舶軌跡數據聚類，對處理後新的船舶離散二維位置序列Ax和Ay，通過設定 聚類個數M'，採用K-means聚類算法分別對其進行聚類； 2. 3)在每一採樣時刻對船舶軌跡數據利用隱馬爾科夫模型進行參數訓練，通過將處理 後的船舶運行軌跡數據Ax和Ay視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設定隱狀態數目N 和參數更新時段t'，依據最近的T'個位置觀測值並採用B-W算法滾動獲取最新隱馬爾 科夫模型參數A ; 2. 4)依據隱馬爾科夫模型參數，採用Viterbi算法獲取當前時刻觀測值所對應的隱狀 態q; 2. 5)在每一採樣時刻，通過設定預測時域W，基於船舶當前時刻的隱狀態q，獲取未來 時段船舶的位置預測值〇 ; ③ 在每一採樣時刻，基於船舶當前的運行狀態和歷史位置觀察序列，獲取海域風場變 量的數值； ④ 在每一採樣時刻，基於各船舶的運行狀態和設定的船舶在海域內運行時需滿足的安 全規則集，當船舶間有可能出現違反安全規則的狀況時，對其動態行為實施監控並為海上 交通控制中心提供及時的告警信息； ⑤ 當告警信息出現時，在滿足船舶物理性能和海域交通規則的前提下，通過設定優化 指標函數以及融入風場變量數值，採用自適應控制理論方法對船舶避撞軌跡進行滾動規 劃，並將規劃結果傳輸給各船舶執行，其具體過程如下： 5. 1)設定船舶避撞軌跡規劃的終止參考點位置P、避撞策略控制時域?、軌跡預測時 域W; 5. 2)設定在給定優化指標函數的前提下，基於合作式避撞軌跡規劃思想，通過給各個 船舶賦予不同的權重以及融入實時風場變量濾波數值，得到各個船舶的避撞軌跡和避撞控 制策略並將規劃結果傳輸給各船舶執行，且各船舶在滾動規劃間隔內僅實施其第一個優化 控制策略； 5.3) 在下一採樣時刻，重複步驟5. 2)直至各船舶均到達其解脫終點。
2.根據權利要求1所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟①中，通過應 用小波變換理論對原始離散二維位置序列X' =[x/，x2'，...，xn']和y' =[y/， y2'，...，y/ ]進行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x= [X1,x2,...,xn]和y= [y,，y2, ...，yn]:對於給定的原始二維序列數據X' = [Xi'，X2'，...，x/ ]，
f' (X')表示對數據平滑處理後得到的函數表達式，V(X')表示母波，S、J和K均 為小波變換常數，)表示母波的轉換形式，c"表示由小波變換過程得到的函數系 數，它體現了子波K(x')對整個函數近似的權重大小，若此係數很小，那麼它意味著子 波V1,K(x')的權重也較小，因而可以在不影響函數主要特性的前提下，從函數近似過程 中將子波V1,K(x')除去；在實際數據處理過程中，通過設定閾值X來實施"閾值轉換"， 當C1,K<X時，設定Cl,K=0;閾值函數的選取採用如下兩種方式：
對於y' =[y/，y2'，...，yn']，也採用上述方法進行去噪處理。
3.根據權利要求1或2所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟②中，步 驟2. 3)中確定航跡隱馬爾科夫模型參數A'=( ，A，B)的過程如下： 2. 3. 1)變量賦初值：應用均勻分布給變量Jii，ajPb>k)賦初值<，4和並 使其滿足約束條件：1，K1S〇'）和！TA(?MUW，由此得 到入Q=(ji(^。，8(|)，其中〇1;表示某一顯觀測值，11 (|人和8(|分別是由元素<、4和￥構 成的矩陣，令參數1=0,〇= (〇", +1，...，〇^，〇1)為當前時刻t之前的T'個歷史位置觀 測值； 2. 3. 2)執行E-M算法： 2. 3. 2. 1)E-步驟：由X1計算 &e(i，j)和 Ye(Si);
31i，aij和b」(ok)並由此得到入1+1; 2. 3. 2. 3)循環：1 = 1+1，重複執行E-步驟和M-步驟，直至JIp和b^ok)收斂，即 屮(0|入1+1)-卩( 0|入1)|<￡，其中參數￡=〇.〇〇〇〇1，返回步驟2.3.2.4) ; 2. 3.2.4):令入'=入1+1，算法結束。
4. 根據權利要求1至3之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟② 中，步驟2. 4)確定船舶航跡最佳隱狀態序列的迭代過程如下： 2. 4. 1)變量賦初值：令g= 2, @r (Si) =I(SiGS), 5 工（Si) = (O1)，V! (Si)= 〇,其中，
其中變量￥?表示使變量取最大值的船舶航跡隱狀態Si,參數S表示 隱狀態的集合；
2. 4. 3)時刻更新：令g=g+1，若g<T'，返回步驟2. 4. 2)，否則迭代終止並轉到步驟 2. 4. 4)；
2. 4. 5)最優隱狀態序列獲取： 2.4. 5.1)變量賦初值：令g=T' -1; 2. 4. 5. 2)後向遞推：知=%+1 (^g+1); 2. 4. 5. 3)時刻更新：令g=g-1，若g彡1，返回步驟2. 4. 5. 2)，否則終止。
5. 根據權利要求1至4之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟② 中，聚類個數M'的值為4,隱狀態數目N的值為3,參數更新時段t'為30秒，T'為10， 預測時域W為300秒。
6. 根據權利要求1至5之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟③ 獲取海域風場變量的數值的具體過程如下： 3. 1)設定船舶的停靠位置為軌跡參考坐標原點並在水平面上建立橫坐標軸和縱坐標 軸； 3. 2)在船舶處於直線運行狀態和勻速轉彎運行狀態時，構建海域風場線性濾波模型 叉1(七+厶1：)=?(1：)叉1(1：)+￥(1：)和2(1：)=11(1：)叉 1(1：)+￥(1：)獲取風場變量數值，其中厶1：表示 採樣間隔，X1U)表示t時刻的狀態向量，Z(t)表示t時刻的觀測向量，且X1 (t) = [X(t)， 又(1：)，￥!￡(1：)，￥7(1：)，￥ !￡(1：)，'\^(1：)]1，其中1(1：)和7(1：)分別表示1：時刻船舶位置在橫坐標軸 和縱坐標軸上的分量，Vx (t)和Vy (t)分別表示t時刻船舶速度在橫坐標軸和縱坐標軸上 的分量，Wx (t)和wy (t)分別表不t時刻風場數值在橫坐標軸和縱坐標軸上的分量，F(t)和 H(t)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統噪聲向量和測量 噪聲向量：
在船舶處於變速轉彎運行狀態時，構建海域風場非線性濾波模型X1 (t+At) =W(t，X1U),u(t))+w(t)、z(t) =Q(t，xJtD+vU)和U(t) =[C0a(t) ,Ya(t)]T，其中W( ?) 和Q(?)分別表示狀態轉移矩陣和輸出測量矩陣，《a(t)和Ya(t)分別表示轉彎率和加 速率：
3. 3)根據所構建的濾波模型獲取風場變量的數值。
7.根據權利要求1至6之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟④ 中對各船舶的動態行為實施監控並為海上交通控制中心提供及時的告警信息的具體過程 如下： 4. 1)構造船舶在海域內運行時需滿足的安全規則集D"(t) >Dmin，其中D"(t)表示任 意兩個船舶m和船舶r在t時刻的距離，0_表示船舶間的最小安全距離； 4. 2)依據採樣時間，建立由船舶連續運行狀態至離散採樣狀態的觀測器A:r-S，其 中r表示船舶的連續運行狀態，S表示船舶的離散採樣狀態； 4. 3)當船舶m和r的觀測器A，Ar的離散觀測數值S，Sr在t時刻表明該向 量不在安全規則集中時，即關係式D"(t)SDminF成立時，立刻向海上交通控制中心發出告 警信息。
8. 根據權利要求1至7之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：步驟⑤中，步 驟5.2)的具體過程是:令4 =I巧(0-埒1:=(?-4)2+(?-欠)2， 其中表示t時刻船舶R當前所在位置和下一航道點間的距離的平方，Pk(t) = (xKt，yRt)，A- (?，);i?)，那麼t時刻船舶R的優先級指數可設定為：
其中Zt表示t時刻海域內存在衝突的船舶數目，由優先級指數的含義可知，船舶距離 其下一航道點越近，其優先級越高； 設定優化指標
，其中Rel(t)表示船舶代碼且I(t) = {1，2, ...，Zt}，PK(t+hAt)表示船舶在 時刻（t+hAt)的位置向量，P/表示船舶R的解脫終止點，uK表示待優化的船舶R的最 優控制序列，Qm為正定對角矩陣，其對角元素為船舶R在t時刻的優先級指數LKt，並且
9. 根據權利要求1至9之一所述的一種航海交通管制方法，其特徵在於：所述步驟⑤ 中終止參考點位置P設定為船舶運行的下一個航道點,避撞策略控制時域?為300秒；軌 跡預測時域W為300秒。
【文檔編號】G08G3/00GK104504934SQ201410849264
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優先權日:2014年12月30日
【發明者】韓雲祥, 趙景波, 李廣軍 申請人:江蘇理工學院