一种移动物标动态避碰的方法与流程

本发明涉及移动物标避碰领域，尤其涉及一种移动物标动态环境避碰的方法。

背景技术：

目前船舶碰撞风险的识别方式主要是通过dcpa和tcpa的大小进行识别，当dcpa和tcpa小于设定值时，则认为存在碰撞风险。由于dcpa并不具有方向性，这种识别碰撞风险的方法不能区别于不同会遇局面的危险性，尤其在多船复杂环境中，不能直观地区分局面，在对其它船舶进行避碰决策时不能直观地判断一个避碰行动对各船局面变化产生的影响。

为了直观地展现碰撞危险和管控措施，sperry公司的arpa最早提出了碰撞危险区(predictedareaofdanger,pad)的概念，当目标船保速保向且本船保速航行时，只要本船船艏线避开pad区域就可以与目标船在设定的安全距离通过。pad的形状主要有椭圆和六边形，位于目标船航向线上。但pad型arpa只能在目标船保速保向时给出避碰建议，当目标船转向或由于气象原因不能稳定航向时不能及时输出pad区域。在多船环境中，各船的pad区域叠加后也显得杂乱无章。

目前的文献中各种识别碰撞风险和管控碰撞风险的方法通常是以数字方式直接输出避碰方案，不能直观地观察到各种避碰方案对局面的影响。在单船环境时，由于局面容易分析这种输出方式对辅助驾驶员避碰并无不妥，但在多船复杂环境中由于不能展现输出的各种避碰方案对局面的影响，驾驶员很难对局面进行整体评估，难以实现对全局的控制和决策。

技术实现要素：

鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种移动物标动态避碰的方法，可以直观的观察和预警碰撞风险，可迅速直观地评估行动对局面的影响以及迅速得出避碰方案。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种移动物标动态环境避碰的方法，所述方法包括以下步骤：

获取各移动物标运动参数；

计算获得两物标构成的碰撞圆或垂直平分线；

计算两物标航向线与碰撞圆或垂直平分线的交点ppc；

以两物标形成的ppc为基点构建一种或多种几何模型；

通过一物标航向线与另一物标几何模型间关系识别物标间的碰撞风险并进行告警；

以上步骤均进行可视化处理。

依照本发明的一个方面，所述运动参数包括位置、速度和航向。

依照本发明的一个方面，所述通过一物标航向线与另一物标几何模型间关系识别物标间的碰撞风险并进行告警包括：慢速物标航向线与碰撞圆的交点有且只有一个交点，将慢速物标ppc设为基点，安全会遇距离为半径，设置圆形或其它几何模型；根据ppc为同一时间抵达同一位置的原理，判断慢速物标抵达ppc点时，快速物标的航向线或位置在圆形区域外，表示两物标可在安全距离通过；快速物标的航向线或位置在圆形区域内，表示两物标不能在安全距离通过，发出声音报警、目标物标图像显示红色闪烁报警。该几何模型可以是不同参数的圆形、椭圆型、六边形等领域或动界模型。可同时使用多种模型，区分不同危险度。

可以使用两种或多种模型进行预警，圆形或其它领域模型。由于碰撞圆随时间的推移会持续不断变化，只有使用尺度较小的模型才不会因为局面变化而持续报警或开始不报警而后又报警。可以使用如下模型：使用圆形模型，且只在慢船ppc为基点设置，可以起到最小距离的报警作用；使用最小领域模型，且只在慢船ppc为基点设置，可以起到最小距离报警作用。可以同时使用其它领域模型，不同模型表示不同的风险评估结果，对局面控制更加精细。

依照本发明的一个方面，所述通过一物标航向线与另一物标几何模型间关系识别物标间的碰撞风险并进行告警包括：

以慢速物标b与碰撞圆的交点形成的ppcb点为圆心以安全会遇距离为半径形成圆形，并进行可视化处理，即圆ppcb；

以快速物标a为端点，形成航向线射线，即射线a；

a物标的位置始终在射线a的某一点上，当射线a与圆ppcb无交集时，说明当物标b抵达可能发生碰撞的位置点ppcb时，a物标必定在b物标的安全距离外的区域，两物标可在安全距离通过；

同理，在a物标所形成的ppca点为基点构建几何模型，可通过判断其与b物标的航向线射线的拓扑交集关系的方法，判断两物标是否能在安全距离通过。

依照本发明的一个方面，所述通过一物标航向线与另一物标几何模型间关系识别物标间的碰撞风险并进行告警包括：

以慢速物标与碰撞圆的交点形成的ppcb点为圆心以安全会遇距离为半径形成圆形，并进行可视化处理；

以快速物标位置点a点为起点，沿快速物标航向线上距离d的位置截取一点a'，并对该点进行可视化处理；点a'表示慢速物标抵达ppc点时，快速物标的位置点；

当a'点位于慢速物标ppcb为圆心形成的圆内部时，表明两物标不能安全通过，触发报警；

当两物标等速时，所有碰撞点的集合为两物标连线的垂直平分线；以各物标航向线与该垂直平分线的交点为ppc，以安全会遇距离为半径作圆；判断是否能安全通过的步骤同上述步骤。

依照本发明的一个方面，所述方法包括步骤：判断可能存在不协调避让的航向区间。

依照本发明的一个方面，所述判断可能存在不协调避让的航向区间包括：物标安全航向区间与碰撞圆构成的区域属于安全区域，但如果两物标安全航向区间存在交集，则表明该交集部分所对应的航向区间存在不协调避让的可能性，可标示该区域。在碰撞圆上设置危险航向区间，并设置不协调区间预警。

依照本发明的一个方面，所述方法还包括以下步骤：进行移动物标的避碰方案决策。

依照本发明的一个方面，所述进行移动物标的避碰方案决策包括：在两物标ppc点为基点形成领域几何模型，用图形拓扑处理判断一物标航向线与另一物标几何模型间关系；当两物标航向线与另一物标几何模型间相切或不存在交集时，说明两物标ppc分布合理，该航向判断为安全航向；不存在碰撞危险的航向区间构成安全航向区间，存在碰撞危险的航向区间构成危险航向区间。

依照本发明的一个方面，所述进行移动物标的避碰方案决策包括以下步骤：

将电子方位线ebl与碰撞圆的交点作为ppc点，并形成相应的领域模型；

将各辅助线作可视化处理；

通过调整ebl方向，并观察相关辅助线之间的交集关系，快速判断局面和决策避让方案；

通过航向搜索算法并判断一物标航线与另一物标领域交集的方法，得出安全航向区间。

依照本发明的一个方面，所述进行移动物标的避碰方案决策包括以下步骤：

将电子方位线与碰撞圆的交点作为ppc点，并形成相应的领域模型；

将各辅助线作可视化处理；

通过调整ebl方向，并观察相关辅助线之间的交集关系，可以快速判断局面和决策避让方案；

通过航向搜索算法可以并判断一物标航线与另一物标领域交集的方法，可以得出安全航向区间。

一旦产生报警，既要满足安全余量更大，又要满足容易观察，就需要决策大幅度行动，可以用尺度较大的各种不同的领域或动界模型，使两船具有明显安全态势。使用时，不仅应满足本船航向线不穿过目标船椭圆模型，同时还应满足目标船航向线不穿过本船椭圆模型。

通过可视化处理，可以迅速通过视觉观察判断得出碰撞风险。尤其在多物标复杂动态环境中，可视化处理，可以让使用者通过直观的判断，迅速对全局预测进而对局面有效控制。通过在电子方位线上设置ppc和几何模型的方法，向各个方向移动电子方位线可以辅助决策并有利于对所有航向的效果迅速评估。

通过拓扑算法，判断航向线与几何图形是否存在交点，判断是否存在碰撞危险。可使用软件技术实现，例如使用gis或java等语言的拓扑运算工具。

通过对两船共有的安全避让方案重合的区间显示，有利于发现不协调避让的发生区间。

本发明实施的优点：本发明所述的移动物标动态避碰的方法，包括以可视化处理实现的以下步骤：获取各移动物标运动参数；计算获得两物标构成的碰撞圆；计算两物标航向线与碰撞圆的交点ppc；以两物标形成的ppc为基点构建一种或多种几何模型；通过一物标航向线与另一物标几何模型间的拓扑交集关系识别物标间的碰撞风险并进行告警；可以直观的观察和预警碰撞风险，可迅速直观地评估本船或目标船的行动对局面的影响以及迅速得出避碰方案；有利于在多船环境中直观地判断任意行动对全局的影响，控制多船局面时对各船的会遇态势。将单船的pad计算问题，转变成两船ppc在碰撞圆或垂直平分线上的分布问题。通过在两船航向线与碰撞圆的交点形成的所有ppc为基点，通过几何模型(圆形或椭圆型等)，使几何模型与航向线无交点的方法，判断ppc是否分布合理。当一船航向线与另一船几何图形无交点，说明ppc分布合理，则判断为安全；当一船航向线与另一船几何图形有交点，说明ppc分布不合理，则判断为危险。减少了计算量，不需要复杂的计算过程，简单直观，还可以对所有各种避碰方案的效果迅速评估，在复杂多物标局面时效果较好。在ppc上使用不同的几何模型，也可以起到不同的风险评估和管控作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的阿氏圆避碰运用原理示意图；

图2为本发明所述的两物标ppc分布示意图；

图3为本发明所述的慢船b的ppc上设置最小模型示意图；

图4为本发明所述的快船a的ppc上设置最小模型示意图；

图5为本发明所述的两船同时设置最小模型的效果示意图；

图6为本发明所述的慢船决策模型示意图；

图7为本发明所述的快船决策模型示意图；

图8为本发明所述的慢船安全航向区间示意图；

图9为本发明所述的快船安全航向区间示意图；

图10为本发明所述的不协调区间预警示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，阿氏圆避碰运用原理图，图中ppc点到a点和b点的距离比是定值，根据阿氏定理所有满足该条件的点是一个圆。其中有两个特殊的点，如图pch、pco点，pch在线段ab上，pco在ab的延长线上，pch称为内分点，pco称为外分点。

令b为坐标原点，a的坐标为(a,0)，动点ppc(x,y)。

阿氏圆公式：(k²﹣1)(x²+y²)﹢2ax﹣a²＝0

圆上任意一点到a点的距离与到b点的距离比值等于定比k。

设圆上任意一点为p点，pa距离为s1，pb距离为s2，则s1/s2＝k。

s1即为a船在一定时间内航行的距离，s2即为b船在一定时间内航行的距离。

s＝v·t，代入s1/s2＝k，得va/vb＝k。

k>1表示a船速度快于b船。

k＝1时，ppc的集合不是碰撞圆，是ab连线的垂直平分线。

k<1时，即为a船与b船互换，原理相同。

本文仅分析va/vb＝k，k>1的情况。

圆心坐标：

[ak²/(k²-1),0]

半径：

r＝ak/(k²-1)

阿氏圆运用于避碰时，将距离的定比问题，转化为速度的定比问题，因此阿氏圆在避碰几何中被称为“碰撞圆”，碰撞圆就是两物标速度不同时所有ppc点的集合。同理，ab连线的垂直平分线是两物标速度相同时所有ppc点的集合。

由于船舶不是一个质点，船舶在会遇过程中需要一个安全会遇距离sd，通过设置相应的pad区域，当航向线与pad区域不相交时，表示能在安全的距离通过；当航向线与pad区域相交时，表示不能在安全的距离通过。

实施例一

应用于船舶避碰的情况下，一种动态环境避碰决策方法，包含以下步骤：

步骤1：通过apar或ais等仪器设备获取周围船舶的运动参数，包括位置、速度、航向。

步骤2：计算两船构成的碰撞圆或垂直平分线。

步骤3：计算两船航向线与碰撞圆或垂直平分线的交点ppc。

步骤4：以两船形成的ppc为基点构建多种几何模型。该几何模型可以是不同参数的圆形、椭圆型、六边形等领域或动界模型。可同时使用多种模型，区分不同危险度。

步骤5：识别碰撞风险的方法。慢船航向线与碰撞圆的交点有且只有一个交点，将慢速船ppcb设为圆心，安全会遇距离为半径，设置圆形几何模型。快船航向线与圆形存在交点，表示两船不能在安全距离通过；或计算慢船抵达ppcb时快船的船位点a'，a'在圆ppcb内，表示两船不能在安全距离通过。发出声音报警、目标船图像显示红色闪烁报警。

步骤5-1：以慢速船与碰撞圆的交点形成的ppc点为圆心以安全会遇距离为半径形成圆形，并进行可视化处理。碰撞圆、两船航向线进行可视化处理。

步骤5-2：计算快速船船位沿快船航向线平移的距离d。

步骤5-3：以快船船位点a点为起点，沿快船航向线上距离d的位置截取一点a'，并对该点进行可视化处理。点a'表示慢船抵达ppc点时，快船的船位点。

步骤5-4：当a'点位于慢船ppc为圆心形成的圆内部时，表明两船不能安全通过，触发报警。

步骤5-5：当两船等速时，所有碰撞点的集合为两船连线的垂直平分线。以目标船航向线与该垂直平分线的交点ppcb为圆心，以安全会遇距离为半径作圆。判断是否能安全通过的步骤同步骤5-4。

实施例二

应用于船舶避碰的情况下，一种动态环境避碰决策方法，包含以下步骤：

步骤1：通过apar或ais等仪器设备获取周围船舶的运动参数，包括位置、速度、航向。

步骤2：计算两船不等速时构成的碰撞圆或等速时构成的垂直平分线。

步骤3：计算两船航向线与碰撞圆或垂直平分线的交点ppc。

步骤4：以两船形成的ppc为基点构建多种几何模型。该几何模型可以是不同参数的圆形、椭圆型、六边形等领域或动界模型。可同时使用多种模型，区分不同危险度。

步骤5：识别碰撞风险的方法，以圆形领域模型为例。慢船航向线与碰撞圆的交点有且只有一个交点，将慢速船ppc设为圆心，安全会遇距离为半径，设置圆形几何模型。根据ppc为同一时间抵达同一位置的原理，判断慢船抵达ppc点时，快船的船位。快船船位在圆形区域外，表示两船可在安全距离通过；快船船位在圆形区域内，表示两船不能在安全距离通过，发出声音报警、目标船图像显示红色闪烁报警。

步骤5-1：以慢速船与碰撞圆或垂直平分线的交点形成的ppc点为圆心以安全会遇距离为半径形成圆形，并进行可视化处理。

步骤5-2：计算快速船船位沿快船航向线平移的距离d。

步骤5-3：以快船船位点a点为起点，沿快船航向线上距离d的位置截取一点a'，并对该点进行可视化处理。点a'表示慢船抵达ppc点时，快船的船位点。

步骤5-4：当a'点位于慢船ppc为圆心形成的圆内部时，表明两船不能安全通过，触发报警。

步骤5-5：当两船等速时，所有碰撞点的集合为两船连线的垂直平分线。以目标船航向线与该垂直平分线的交点ppcb为圆心，以安全会遇距离为半径作圆。判断是否能安全通过的步骤同步骤5-4。

步骤6：决策避碰方案的方法。在两船ppc为基点形成领域几何模型，用图形拓扑处理判断一船航向线与另一船舶几何模型间关系。当两船航向线与另一船几何模型间不存在交集时，说明两船ppc分布合理，判断为安全航向。不存在碰撞危险的航向区间构成安全航向区间，存在碰撞危险的航向区间构成危险航向区间。

步骤6-1：将电子方位线与碰撞圆的交点作为ppc点。

步骤6-2：将碰撞圆或垂直平分线、航向线，领域模型、电子方位线等辅助线可视化处理。

步骤6-3：通过调整ebl方向，并观察相关辅助线之间的交集关系，可以快速判断局面和决策避让方案。

步骤6-4：通过航向搜索算法可以并判断一船航线与另一船领域交集的方法，可以得出安全航向和安全航向区间。

本发明实施的优点：本发明所述的移动物标动态避碰的方法，包括以可视化处理实现的以下步骤：获取各移动物标运动参数；计算获得两物标构成的碰撞圆；计算两物标航向线与碰撞圆的交点ppc；以两物标形成的ppc为基点构建一种或多种几何模型；通过一物标航向线与另一物标几何模型间的拓扑交集关系识别物标间的碰撞风险并进行告警；可以直观的观察和预警碰撞风险，可迅速直观地评估本船或目标船的行动对局面的影响以及迅速得出避碰方案；有利于在多船环境中直观地判断任意行动对全局的影响，控制多船局面时对各船的会遇态势。将单船的pad计算问题，转变成两船ppc在碰撞圆或垂直平分线上的分布问题。通过在两船航向线与碰撞圆的交点形成的所有ppc为基点，通过几何模型(圆形或椭圆型等)，使几何模型与航向线无交点的方法，判断ppc是否分布合理。当一船航向线与另一船几何图形无交点，说明ppc分布合理，则判断为安全；当一船航向线与另一船几何图形有交点，说明ppc分布不合理，则判断为危险。减少了计算量，不需要复杂的计算过程，简单直观，还可以对所有各种避碰方案的效果迅速评估，在复杂多船局面时效果较好。在ppc上使用不同的几何模型，也可以起到不同的风险评估和管控作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。