船舶冲突预警方法
【专利摘要】本发明涉及一种船舶冲突预警方法，包括如下几个步骤，首先通过海面雷达获得船舶的实时和历史位置信息并做初步处理；然后在每一采样时刻对船舶轨迹数据预处理，然后在每一采样时刻对船舶轨迹数据聚类，再而在每一采样时刻对船舶轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，然后在每一采样时刻依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值所对应的隐状态q，最后在每一采样时刻通过设定预测时域W，基于船舶当前时刻的隐状态q，获取未来时段船舶的位置预测值O，并通过建立安全规则集对船舶的动态行为实施监控并及时发出告警信息。本发明滚动实时对船舶轨迹进行预测，有效预警海域冲突，提高海上交通的安全性。
【专利说明】船舶冲突预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种海域交通管制方法，尤其涉及一种基于滚动规划策略的船舶冲突 预警方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球航运业的快速发展，部分繁忙海域内的交通愈加拥挤。在船舶交通流密 集复杂海域，针对船舶间的冲突情形仍然采用航行计划结合人工间隔调配的管制方式已不 能适应航运业的快速发展。为保证船舶间的安全间隔，实施有效的冲突预警就成为海域交 通管制工作的重点。船舶冲突预警是航海领域中的一项关键技术，安全高效的预警方案对 于增加海域船舶流量以及确保海运安全具有重大意义。
[0003] 为了提高船舶的航行效率，船用雷达自动标绘仪目前已经被广泛应用到船舶监控 和避碰中，该设备通过提取船舶相关信息为船舶间冲突情形的判定提供参考依据。而船舶 冲突预警是基于对船舶轨迹的预测的基础上，在船舶实际航行中，受气象条件、导航设备以 及驾驶员操作等各种因素的影响，它的运行状态往往不完全属于某一特定的运动状态，故 目前对船舶轨迹的预测及船舶冲突预警均没有较为准确的方案。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种鲁棒性较好的船舶冲突预警方法，该方法的 船舶轨迹预测精度较高，船舶冲突预警的准确性及时效性均较好。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是提供一种船舶冲突预警方法，包括如下几个步骤：
[0006] ①通过海面雷达获得船舶的实时和历史位置信息，各船舶的位置信息为离散二维 位置序列X' =[χ/，x2' ]和y' =[y/，y2'，…，丫/ ]，通过应用小波变 换理论对原始离散二维位置序列X' =[x/ ,X2'，...，χη']和y' =[y/，y；/，...， yn']进行初步处理，从而获取船舶的去噪离散二维位置序列χ = [χρ χ2, ...，χη]和y = Ly1, J2, , yn]；
[0007] ②在每一采样时刻对船舶轨迹数据预处理，依据所获取的船舶原始离散二维位置 序列X = [X1, x2, . . .，xn]和y = Iiy1, y2, . . .，yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新 的船舶离散位置序列 Δ X = [ Δ X1, Δ χ2, · · ·，Δ xn_J 和 Δ y = [ Δ y17 Δ y2，…，Δ yn_J，其 中 Axi = xi+1-Xi，Ayi = yi+1-yi(i = 1，2, · · ·，n-1);
[0008] ③在每一采样时刻对船舶轨迹数据聚类，对处理后新的船舶离散二维位置序列 Λχ和Ay，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类；
[0009] ④在每一采样时刻对船舶轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处 理后的船舶运行轨迹数据Λ X和Λ y视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数 目N和参数更新时段τ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B-W算法滚动获取最新隐 马尔科夫模型参数λ ';
[0010] ⑤在每一采样时刻依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观 测值所对应的隐状态q ;
[0011] ⑥在每一采样时刻，通过设定预测时域w，基于船舶当前时刻的隐状态q，获取未 来时段船舶的位置预测值〇,从而在每一采样时刻滚动推测到未来时段内船舶的轨迹；
[0012] ⑦在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足 的安全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为 海上交通控制中心提供及时的告警信息。
[0013] 进一步的，所述步骤①中，通过应用小波变换理论对原始离散二维位置序列X'= [χ/，χ 2'，…，乂/ ]和y' =[y/，y2'，…，又/ ]进行初步处理，从而获取船舶的 去噪离散二维位置序列X = [χρ χ2,...，χη]和y = [yi，y2,...，yn]:对于给定的原始二维 序列数据V =[χ/，χ2'，...，χη']，利用如下形式的线性表达式分别对其进行近似：
【权利要求】
1. 一种船舶冲突预警方法，其特征在于包括如下几个步骤： ① 通过海面雷达获得船舶的实时和历史位置信息，各船舶的位置信息为离散二维位置 序列X' =[Χ/，χ2'，···，χη']和y' =[y/，y2'，...，yn']，通过应用小波变换理 论对原始离散二维位置序列X' =[χ/，χ2'，...，义/ ]和y' =[y/，...，丫/ ] 进行初步处理，从而获取船舶的去噪离散二维位置序列X=[χρχ2, ...，χη]和y= [yi， y2，· ··，yJ; ② 在每一采样时刻对船舶轨迹数据预处理，依据所获取的船舶原始离散二维位置序列 X= [XpX2,.. .，χη]和y=Iiypy2,. . .，yn]，采用一阶差分方法对其进行处理获取新的船舶 离散位置序列Δχ= [Ax1,Δχ2,…，Axn-J和Ay= [Ay1,Ay2，…，Ayn-J,其中Axi =Xw-Xi,Ayi =yi+「yi(i=1，2, · · ·，η-1); ③ 在每一采样时刻对船舶轨迹数据聚类，对处理后新的船舶离散二维位置序列△X和 Ay，通过设定聚类个数M'，采用遗传聚类算法分别对其进行聚类； ④ 在每一采样时刻对船舶轨迹数据利用隐马尔科夫模型进行参数训练，通过将处理后 的船舶运行轨迹数据八1和Ay视为隐马尔科夫过程的显观测值，通过设定隐状态数目N 和参数更新时段τ'，依据最近的T'个位置观测值并采用B-W算法滚动获取最新隐马尔 科夫模型参数λ'; ⑤ 在每一采样时刻依据隐马尔科夫模型参数，采用Viterbi算法获取当前时刻观测值 所对应的隐状态q; ⑥ 在每一采样时刻，通过设定预测时域W，基于船舶当前时刻的隐状态q，获取未来时 段船舶的位置预测值〇,从而在每一采样时刻滚动推测到未来时段内船舶的轨迹； ⑦ 在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足的安 全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为海上 交通控制中心提供及时的告警信息。
2. 根据权利要求1所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤①中，通过应用 小波变换理论对原始离散二维位置序列X' =[χ/，χ2'，...，χη']和y' =[y/， y；/，...，y/]进行初步处理，从而获取船舶的去噪离散二维位置序列χ=[X1,χ2,...， χη]和y=[y:，y2,...，yn]:对于给定的原始二维序列数据X' =[χ/，χΖ，...，χ/]， 利用如下形式的线性表达式分别对其进行近似/H= |^+'〃+V//+A+ -K 其中=￡/"?(χ'一 * ￥j,K(x'）=δ·v(2Jx' -Κ) r(f)表示对数据平滑处理后得到的函数表达式，)表示母波，S、J和K均 为小波变换常数，)表示母波的转换形式，c"表示由小波变换过程得到的函数系 数，它体现了子波ΨΤ,κ(ν)对整个函数近似的权重大小，若此系数很小，那么它意味着子 波ΨΤ,Κ(Χ< )的权重也较小，因而可以在不影响函数主要特性的前提下，从函数近似过程 中将子波)除去；在实际数据处理过程中，通过设定阈值X来实施"阈值转换"， 当cT,K <X时，设定cT,K = 0 ;阈值函数的选取采用如下两种方式：
对于^ =[y/，y2'，...，yn']，也采用上述方法进行去噪处理。
3. 根据权利要求1或2所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤④中确定航 迹隐马尔科夫模型参数λ'=(π，a，B)的过程如下： 4. 1)变量赋初值：应用均匀分布给变量π和h(ok)赋初值irf，<和!并使其 满足约束条件：[二< =1 =I(1 <i<N)和Σ二S(?) =I(1 << N)，由此得 到λQ =(π。，A。，Bci)，其中ok表示某一显观测值，π。、Atl和Btl分别是由元素；rf、《和6)'构 成的矩阵，令参数1=0,〇= (〇",+1，...，〇^，〇1)为当前时刻t之前的T'个历史位置观 测值； 4. 2)执行E-M算法： 4· 2· 1)E-步骤：由λi计算ξe(i,j)和Ye(Si);
其中s表某一隐状态； 4. 2. 2)M-步骤：运用
卜别估计 Bij和bj(ok)并由此得到λ1+1 ; 4. 2. 3)循环：1 = 1+1，重复执行E-步骤和M-步骤，直至πi、aij和bj(ok)收敛，即 其中参数ε= 0.00001,返回步骤 4.2.4); 4.2.4):令λ，=入1+1，算法结束。
4. 根据权利要求1至3之一所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤⑤中确 定船舶航迹最佳隐状态序列的迭代过程如下： 5. 1)变量赋初值：令g= 2,βr (Si) =I(SieS),δi(Si) =π(O1)，Ψ! (Si) = 0, 其中，
其中变量Ψ?表示使变量Sp1(Si)i^.取最大值的船舶航迹隐状态Si，参数S表示 隐状态的集合； 5. 2)递推过程 5. 3)时刻更新：令g=g+Ι，若g<T'，返回步骤5. 2)，否则迭代终止并转到步骤 5.4)；
『到步骤5. 5); 5. 5)最优隐状态序列获取： 5.5. 1)变量赋初值：令g=Τ' -1 ; 5. 5. 2)后向递推：< =&+1fe,.,)? 5. 5. 3)时刻更新：令g=g-1，若g彡1，返回步骤5. 5. 2)，否则终止。
5. 根据权利要求1至4之一所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤③中，聚 类个数KT的值为4。
6. 根据权利要求1至5之一所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤④中，状 态数目N的值为3,参数更新时段τ'为30秒，T'为10。
7. 根据权利要求1至6之一所述的船舶冲突预警方法，其特征在于：所述步骤⑥中，预 测时域W为300秒。
8. 根据权利要求1至7之一所述的航海交通管制方法，其特征在于：所述步骤⑦中 对各船舶的动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息的具体过程如 下： 7. 1)构造船舶在海域内运行时需满足的安全规则集D"(t) >Dmin，其中D"(t)表示任 意两个船舶m和船舶r在t时刻的距离，Dmin表示船舶间的最小安全距离； 7.2)依据采样时间，建立由船舶连续运行状态至离散采样状态的观测器Λ:Γ-Ξ， 其中Γ表示船舶的连续运行状态，Ξ表示船舶的离散采样状态； 7. 3)当船舶m和r的观测器AjP\的离散观测数值Ξ"^Ρ^在t时刻表明该向 量不在安全规则集中时，即关系式D"(t)彡Dmin不成立时，立刻向海上交通控制中心发出告 警信息。
【文档编号】G06F19/00GK104462856SQ201410844695
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】韩云祥, 赵景波, 李广军 申请人:江苏理工学院