一种商船航行智能避碰方法与流程

本发明涉及船舶航运领域，尤其涉及一种商船航行智能避碰方法。

背景技术：

在2020年《智能船舶规范》中明确指出：智能航行系统指利用先进感知技术和传感信息融合技术等获取和感知船舶航行所需的状态信息，并通过计算机技术、控制技术进行分析和处理，为船舶的航行提供决策建议。通常情况下，船舶的避让会默认采用保速转向的处理方式，仅在船舶无法通过转向避让目标时才会考虑减速让行。目前船舶避碰领域常用的避碰方法可分为三大类：基于数理模型的算法，基于人工智能相关的算法，混合智能系统。基于数理模型的算法是将环境和动态船舶进行数学或者物理建模，具有求解的确定性优点，部分算法未能考虑海图环境的构建(不能考虑静态障碍物)，未能考虑避碰规则或考虑不充分，传统的人工势场法存在局部最小值，目标点不可达问题；基于人工智能的方法存在对规则考虑不充分，数据获取困难，无法保证实时性等问题；混合智能系统例如综合性的仿人智能系统通常局限于开阔水域，且对于直航船义务的遵守有待优化；综上所述，在避让与复航的过程中，如何保证实时性，在同时避让多个动静态障碍物的情形下，考虑规则并给出合理的建议航向是智能航行中真实存在的问题。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种商船航行智能避碰方法成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种商船航行智能避碰方法，能够实时获取环境信息并规划建议航向，辅助航行决策。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种商船航行智能避碰方法，其不同之处在于，包括以下步骤：

步骤1：获取雷达、ais和电子海图数据；

步骤2：初始化参数，并判断目标是否进入检测范围；

步骤3：判断目标是动态障碍物、静态障碍物或目标点；

步骤4：转向角度选择；

步骤5：一定时间间隔后进入新一次迭代，重复以上步骤。

按以上技术方案，所述步骤3中，若目标为动态障碍物，对动态障碍物进行参数计算，判断当前态势为无危险阶段、协商避让阶段或紧急避让阶段。

按以上技术方案，所述步骤3中，若目标为静态障碍物，对静态障碍物进行参数计算，得到本船前方势场值，并获取相关的势能值。

按以上技术方案，所述步骤3中，若目标为目标点时，对目标点进行参数计算，得到目标点的引力值。

按以上技术方案，所述步骤4中，若仅存在动态障碍物，且当前态势为协商避让阶段或紧急避让阶段，根据协商避让阶段受到的右行斥力或紧急避让阶段收到的左行、右行斥力，结合目标点的引力，得到其合力，所述合力方向即为所选择的转向角度方向。

按以上技术方案，所述步骤4中，若仅存在静态障碍物，则判断本船前方势场值是否大于设定阈值，如大于设定阈值，则朝向低势能方向转向最大转向角，所述最大转向角为30°～35°。

按以上技术方案，所述步骤4中，若动态障碍物和静态障碍物同时存在，则判断动态障碍物和静态障碍物是否位于同侧，如处于同侧则转向角度选择最大转向角避让(向另一侧)；如处于非同侧则优先避让静态障碍物再避让动态障碍物，先避让静态障碍物时，朝向低势能方向转向最大转向角；再避让动态障碍物时，按上述方案的计算合力，并按合力方向选择转向角度。特殊情况下，转向方向不符合国际规则的，不给出建议，与它船协商避让。

按以上技术方案，所述检测范围为6～7海里，所述协商避让阶段的范围为3～6海里，所述紧急避让阶段的范围为3海里以内。

一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序在被处理器执行时用于实现如上述技术方案中所述的方法。

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，其上存储有一个或多个程序，所述一个或多个程序在被所述一个或多个处理器执行时用于实现如上述技术方案中所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能够综合考虑避碰规则，操舵习惯和船舶特性的系统，系统智能获取和处理环境信息后将信息展示于实时界面，作出避让决策建议。当无障碍物时，船舶向航路点方向行驶；出现危险障碍物时，船舶避让后向航路点复航；

1)设定目标点作为目的地，设定动态障碍物和静态障碍物作为避让目标。通过建模确定目标点，动态障碍物和静态障碍物的影响半径和影响因子；

2)通过模型结构和参数设定，处理目标点与障碍物合力为零，目标点不可到达问题；

3)建立本船和他船的模拟数据，在实际运行过程中不断更新船舶位置并作出决策，综合考虑《国际海上避碰规则》的十三至十七条核心条款，能够使本船的转向方向符合规则要求和早大宽清原则(早：提早避让；大：大角度转向；宽：多让一点；清：让请为止)；

4)能够提取矢量电子海图数据辅助环境建模，综合船舶吃水与等深线信息防止船舶搁浅；

5)能够获取雷达历史数据，显示多个目标点位置并作出避让决策；

6)通过redis进行实时数据的传输，设计海图与雷达显示界面；

7)能够根据建议结果输出一定时间内的船舶运动轨迹，并结合船员实际操舵习惯，一定时间间隔内给出合理的建议航向角度。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例的船舶会遇的多种会遇局面示意图；

图3为本发明实施例的几种会遇局面下的避碰策略。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图3，本发明实施例中，主要针对商船在开阔或狭窄水域中智能避让危险目标并输出建议航向。通过ais，雷达设备和电子海图数据获取周围环境信息。环境信息包括但不限于动态船舶，静态障碍物和等深线等会导致船舶置于危险境地的目标。建议航向会综合考虑《国际海上避碰规则》的核心条款，船舶运动特性和船员的常规操舵习惯，将环境信息与预测结果实时显示，从而辅助船舶航行智能决策。

当航路点(目标点)在正前方时，此时本船仅受到朝向目标点的作用力，本船向目标点前进；当目标点处于本船正后方时，此时本船受到与速度相反方向的力，本船会向右偏转最大偏转角度(最大偏转角度会考虑到船舶的旋回实验，具体参数参考船舶本身的属性，例如转艏速率为30度每分钟)；若无目标点且无危险目标时，无建议航向。

避让环境中存在两种障碍物分别为动态障碍物和静态障碍物，动态障碍物指ais数据中的其他船舶信息，静态障碍物指的是海图数据中的灯塔，等深线，岸线等数据。对于雷达数据，暂将其当作动态障碍物处理(目前仅通过实船录制的雷达历史数据作为实验)。本船保向保速前进过程中，若将进入到动态障碍物的影响范围，则会受到该船对本船的作用力；若前进方向两侧一定长度的探测线会检测到静态障碍物，则会计算左右两侧的危险程度，选择低危险度的一侧转向。当同时遭遇动态障碍物和静态障碍物时，通常会优先避让静态障碍物再避让动态障碍物。

航海实践中使用dcpa(最短会遇距离)和tcpa(最短会遇时间)，cc碰撞危险检测标准(判断船舶是否有避让需求，即是否为危险船)cd碰撞危险检测距离(识别的范围，进入此范围才会去判断)等概念。dcpa：两船会遇时的最小通过距离(本船中心到目标船相对运动航向线的最短距离)tcpa：两船到达最短会遇距离的时间。

通过dcpa和tcpa来判定船舶避让的紧迫程度，同时也可确定目标船舶是否存在危险。所以，存在三种避让状态分别为无避碰危险，有危险且为协商避让阶段，有危险且为紧急避让状态。无危险阶段(无需避让)：1、处于探测范围之外；2、处于探测范围之内但不满足构成危险的条件；协商避让阶段：两船能够互见(一般认为6nm内)，并且dcpa和tcpa能够满足阈值则视为协商避让阶段；应急避让阶段：对应船舶避让规则中的构成紧迫局面；什么是碰撞危险检测范围(构成碰撞危险的距离)：两船接近时能见到它船的桅灯时或者能见度不良时两船接近4-6nm。综上所述，本发明实施例中，设定探测范围为6～7nm。

协商避让阶段时，规则要求有让路义务的船舶应当优先向右侧避让。无论因何种情况导致避让态势进入紧急避让状态，此时本船应采用尽可能快速安全的避让方案，此时以优先避让为目标，不再限定船舶右行。

本船与目标船数据来自本船与他船的模拟器，能够实时更新并模拟本船与它船的会遇局面，同时，模拟本船的经纬度后还可读取电子海图中该坐标周围一定范围的目标障碍物(灯塔，失事点，等深线，岸线等)，智能判断是否存在危险和是否有避让的需求。

本发明实施例中，计算未来5-15分钟内的转向角建议，并结合自身的航速航向等信息计算运动轨迹。每一分钟启动一次算法，并采用预计运动轨迹的切线方向为预计航线方向。当建议航向小于最大转向角时，采用建议航向；当建议航向大于最大转向角时，建议航向定为船舶最大转向角(最大转向角度由船舶的旋回实验确定)。

将斥力分解为三个方向(本船与它船的连线方向；本船与她船的连线的法向量方向；本船与目标点的连线方向)，其中本船与它船的连线法向量方向上的分力会决定本船左行或右行。当处于紧急避让阶段时(紧迫局面)，采用计算所得斥力；当处于协商避让阶段时，通过改变本船她船法向量分力的符号，总是使转向角处于cog右侧(对地航向)。航海实际中，当处于紧急避让阶段，应采用可能的方式尽快安全解除紧迫局面，左行右行均可；当处于协商避让阶段时，按照国际船舶避让规则，优先右行。

当船舶右前侧存在静态障碍物，但本船暂未受到该障碍物影响时：若前方来船形成会遇局面，本船处于协商避让阶段会有向右的建议航向，但右行建议可能使自身置于危险境地。若建议左行或直行(异常行为)，可能违反国际避让规则并导致他船置于不利局面。针对这种特殊情况，将不输出建议航向，仅给出建议与它船协商的建议。

本发明实施例中，引力势场uatt(p，v)被定义为我船和目标之间距离即相对位置ρ(pos，pg)以及目标对我船相对速度ρ(vos，vg)的函数：

其中εp和εv分别是关于位置和速度的正比例权重系数，其大小决定了速度引力势场和位置引力势场在合引力势场中所占的比重，当εp＝0时，引力势场函数可简化为传统的引力势场函数。pos和pg分别是我船和目标的位置，vos和vg分别是我船和目标的速度。

对应的引力fatt(p，v)函数表达式：

具体为：

fatt(p，v)＝fattp(p)+fattv(v)＝εpρ(pos，pg)nog+εvρ(vos，vg)nvog；

其中，fattp(p)是关于相对位置的引力分量，fattv(v)是关于相对速度的引力分量，ρ(pos，pg)为我船和目标的相对位置，ρ(vos，vg)为我船和目标的相对速度，nog和nvog为单位矢量。

斥力势场的表达式为：

其中，ηd和ηs分别是针对远距离(在协商避碰区)的动态他船和静态障碍物的斥力势场正比例系数，而ηe是针对近距离(在应急避碰区)任何障碍物的斥力势场的正比例系数，rts是他船膨化圆半径，θm最大相对位置线夹角，θ是我船和他船相对位置线pot与相对速度线voi之间的夹角。相对速度vot和vto大小一致，d为我船和他船(障碍)之间距离，dm为船舶领域半径，也即我船和他船之间定义的安全距离，ρo为他船或障碍物的斥力势场影响范围的半径，dg是我船和目标之间的距离。

对应的斥力frep(p，v)的函数表达式：

其中p和v分别表示关于位置和速度的梯度；

具体为：

由于存在多个障碍和(或)他船，我船所受的斥力为各障碍和(或)他船对我船的斥力之和：

其中，是第s个他船或障碍物产生的斥力，n是遭遇的障碍和和(或)他船的个数。

基于上述关于引力和斥力的计算，我船所受到的总的虚拟力可表示为：

ftotal＝fatt+frep

我船在该合力作用下采取避碰行动，并向目标方向运动。即使目标在他船或障碍物附近，我船也可到达目标。

本发明实施例中，静态障碍物的势场构建，可分为点状障碍物、线状障碍物和面状障碍物的势场构建。

点状障碍物斥力势场可表示为：

其中，βi是正的比例系数，fpoint(pi)是关于βi的减函数。βi越大，障碍物势场越陡，影响范围越小。

如果环境内有多个点状障碍物，那么其总势场可表示为：

线状障碍物的斥力势场可表示为：

多条直线的势场函数可表示为：

其中，为第j条直线的方程。

面状障碍物的斥力势场可表示为：

实施例一：ais数据船舶，协商避让态势：

当本船与它船的相对速度方向线会经过船舶的安全距离半径圆，且本船它船的距离大于安全距离半径，小于cd(碰撞危险检测距离)时，构成协商避让态势。本船受到来自航路点的作用力和来自目标船的作用力，作用力的合力方向即为综合考虑目标点与障碍物影响的建议运动方向。协商避让阶段船舶避让时选择右侧避让为通用做法，则存在两种情况：当建议运动方向处于船舶船艏向的右侧时，建议运动方向即为最终的建议航向；当建议运动方向处于船舶船艏向的左侧时，此时对本船施加船艏向水平方向上的附加力，迫使船舶所受合力向右，新的建议运动方向即为最终的建议航向。

实施例二：ais数据船舶避让紧急阶段

当本船与它船的距离小于船舶的安全距离半径，且船舶的实际计算dcpa和tcpa均处于设定的紧急避让dcpa与tcpa阈值内，此时构成紧急避让态势。本船收到来自航路点的作用力和障碍物的作用力，作用力的合力方向即为建议运动方向。参照海上船舶避让规则，紧急避让状态不再限定避让方向，则建议运动方向即为建议航向。

实施例三：雷达数据船舶避让

使用实船录制的雷达历史数据作为测试，历史数据会模拟多目标船作为障碍物存在于本船周围，模拟雷达数据多船避让功能。本发明可获取这些目标的航速，方位，距离等信息。避让雷达目标时通常为多目标避让，根据目标船舶与本船的会遇时间会遇距离，紧迫程度等会有不同的作用力施加于本船。同时，船舶依然会受到来自航路点的牵引力(在避让危险障碍物的同时考虑目标点因素)。会遇暂无危险的障碍物，本船不会采取避让行为；会遇存在危险的多个动态障碍物，本船会综合考虑所受到的作用力，按照避让的紧急程度，最终得出建议的航向，实现多目标船舶的避让功能。

实施例四：电子海图数据避让

电子海图中的灯塔，等深线，海岸线均为静态的目标。以等深线数据为例，示范电子海图数据避让。等深线数据是一连串有顺序的经纬度座标点，等深线与海岸线数据的读取方式类似，但数据点的密度不同。在近海区域的狭窄水域，例如中国上海崇明岛周围，等深线密度极大。会影响到静态障碍物的处理速度，考虑到实时性因素，需要对等深线点进行稀疏处理。根据障碍物的类型会分别建立点状静态障碍物，线状静态障碍物，面状静态障碍物的势场模型，用势的大小模拟领域的危险程度。在本船前进方向上设定探测范围，当存在危险时，船舶会选择低危险的海域方向作为建议方向，转向的大小取决于船舶单位时间内的最大转向角度，直至船舶脱离静态障碍物的危险。

实施例五：多数据来源综合避让

ais数据来源的目标通常为动态目标船，雷达数据探测的危险目标一般视作动态目标，来自矢量电子海图的灯塔，等深线，海岸线等作为静态障碍物。本发明可以综合避让多数据来源的危险目标。若不存在危险目标，本船会向航路点运动。当仅存在动态目标时，按照危险目标的紧急程度进行多船避让，参考实施案例一二三；当仅存在静态障碍物时，按照实施案例四进行避让行为；当静态障碍物和动态障碍物共存时，建议航向优先考虑避让静态障碍物(动态船存在协调的可能，静态障碍物应先避让，以保证自身不置于危险境地)。

针对于商船的改进：

1)商船在航行过程中不会频繁的采用小角度舵令，所以界面中展示采用建议航向情形下的船舶运动轨迹，并将rot(转艏速率)与未来一分钟时段的建议航向结合，每分钟更新稳定的建议航向。

2)避让系统理应仅对存在危险的目标进行避让，不应过早或过迟避让。当本船右前方存在岸线，本船平行于岸线前进(岸线未判定为危险目标时)。若前方出现ais船舶存在避让需求，参照规则，本船应当建议右行。但右侧存在岸线，若向右避让可能会将自身置于危险境地。协商避让阶段，若采用直行策略或左行策略，则明显与规则相悖。综合考虑，协商状态本方法将输出：建议协商避让，不给出建议航向。若处于紧急避让状态，将输出建议航向。

在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，当所述程序被电子设备的处理器执行时用于实现本说明书上述技术方案中描述的根据本发明各种具体实施方式的方法中的步骤。

在本发明的其他一些实施方式中，所述电子设备包括存储有一个或多个程序的存储器，以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器执行一个或多个程序时也可以用于实现上述各个方法步骤。

需要说明的是：上述的介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于：电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、有线、光缆、rf等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户电子设备上执行、部分在用户电子设备上部分在远程电子设备上执行、或者完全在远程电子设备或服务器上执行。在涉及远程电子设备的情形中，远程电子设备可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户电子设备，或者，可以连接到外部电子设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。