一种海上搜救方法及系统与流程

1.本发明涉及海上搜救技术领域，具体涉及一种海上搜救方法及系统。


背景技术：

2.随着科技时代的迅速发展以及海洋开发规模的扩大，海事活动的频繁，海难事故的概率也在慢慢的增加，海难事故在政治经济上给各个国家造成巨大经济损失以及人员伤亡的损失，同时还会给全球社会发展带来不良影响，因此海上救援工作慢慢的得到全球各个国家的重视，海上救援工作也为航海领域或海上运输和捕捞业提供了不可替代的保障作用。
3.造成海难的事故种类很多，大致有船舶搁浅、触礁、碰撞、火灾、爆炸、船舶失踪，以及船舶主机和设备损坏而无法自修以致船舶失控等。发生海难事故的原因是多方面的，诸如：天气条件，船舶技术状态，船员技术水平和工作责任心，港口设施和管理水平等；因此在海难事故发生后，能否快速的找到搜救目标并实施救助，对于减少生命和财产损失具有重要意义，同时由于搜救目标易于受到风、浪、流等因素的综合影响而不断漂移，特别是海难事故往往发生在恶劣气象条件下，使得确定搜救目标的位置存在很大困难，因此，如何准确地确定包含搜救目标的搜索区域成为搜救过程中的重要环节之一。
4.目前海上搜救的方法有很多，通常采用手工操作或纸上作业的方式，根据遇险目标遇险时间和遇险位置以及当前环境信息来确定其可能存在的位置区域，但是其最终确定的位置区域范围较大，不能快速且精准的确定遇险目标的具体位置，因此需要在现有技术的基础上加以改进。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种海上搜救方法及系统，采用漂移预测模型来确定遇险目标的漂移位置，并基于格雷厄姆扫描算法以及概率分布图来确定遇险目标的最终区域，从而来实现遇险目标的搜救，能够保证搜救效率以及提高了确定搜救区域的精准度。
6.为了实现本发明的目的，本发明提供一种海上搜救方法及系统，包括如下步骤：
7.s1：接收遇险目标的预测请求信息，根据预测请求信息建立漂移预测模型并进行漂移量的计算，根据漂移量确定遇险目标位置；
8.s2：采用格雷厄姆扫描算法根据遇险目标位置确定初始搜索区域，根据初始搜索区域确定概率分布图，根据概率分布图确定目标搜索区域并进行搜寻路径规划。
9.优选的，所述步骤s1中根据预测请求信息建立漂移预测模型并进行漂移量的计算，根据漂移量确定遇险目标位置的具体步骤包括：
10.s11：根据预测请求信息中的位置信息和时间信息来确定预测时长；
11.s12：提取当前时刻的风场和流场数据，并计算遇险目标的受力；
12.s13：计算遇险目标的漂移量并确定遇险目标位置；
13.s14：判断是否达到预测时长，若达到，则计算结束，若未达到，则返回步骤s12。
14.优选的，所述步骤s1具体还包括：
15.所述遇险目标的受力计算公式为：
[0016][0017]
其中，m为遇险目标的重量，dv为遇险目标达到速度，mf为科氏力，f1为风对遇险目标的作用力，f2指海水对遇险目标的作用力；
[0018]
所述遇险目标的漂移量计算公式为：
[0019][0020]
其中，x
t
表示遇险目标的位移量，a为漂移系数，b为扩散系数，zn为遇险目标位置。
[0021]
优选的，所述步骤s2中根据遇险目标位置确定初始搜索区域的具体步骤包括：
[0022]
采用格雷厄姆扫描算法对遇险目标位置确定，并将包含遇险目标位置的区域连接形成凸多边形，根据所述凸多边形确定初始搜索区域，其具体步骤为：
[0023]
s21：选择凸多边形的其中一条边作为起始边m，以起始边m的其中一个端点作为起点作垂线n；
[0024]
s22：遍历凸包点并找到距离起始边m最大的点p，将点p和起始边m之间的距离作为外包矩形的长或宽；找到起始边m与垂线n距离之和最大的两点，分别过该两点作m的垂线，截取m的距离作为外包矩形的宽/长；
[0025]
s23：通过计算得出外包矩形的面积和坐标，并返回步骤s21；
[0026]
s24：将凸多边形内所有外包矩形面积进行比对，并以最小面积的外包矩形作为初始搜索区域。
[0027]
优选的，所述步骤s2中根据初始搜索区域确定概率分布图并确定目标搜索区域的具体步骤包括：
[0028]
根据初始搜索区域确定概率分布图，根据概率分布图计算每个搜索区域的搜寻概率并确定优先搜索区域，对优先搜索区域结果进行更新并根据更新结果确定后续搜索区域，直至确定目标搜索区域。
[0029]
优选的，所述步骤s2中根据概率分布图计算每个搜索区域的搜寻概率并确定优先搜索区域的具体步骤包括：
[0030]
将概率分布图中搜寻成功率最大的格子单元作为第一搜索区域，并通过叠加规则对第一搜索区域进行叠加，并计算得出叠加后的第二搜索区域的搜寻成功率，将第一搜索区域和第二搜索区域的搜寻成功率进行比对，并将搜索成功率为预设值的区域作为优先搜索区域。
[0031]
优选的，所述步骤s2的具体步骤还包括：
[0032]
当搜索区域并未搜索到遇险目标时，则其他搜索区域的搜寻成功率计算公式如下：
[0033][0034][0035]
其中，p为其中任意一个遇险目标的可能位置，j为遇险目标的所有可能位置，wp为p在当前搜索区域的概率，p
fail
(p)为p在当前搜索区域未被搜寻到的概率，k为搜索区域中遇险目标的可能位置的集合。
[0036]
优选的，所述步骤s1中接收遇险目标的预测请求信息的具体步骤包括：
[0037]
客户端发送遇险目标的预测请求信息，所述预测请求信息包括：事故点位置、事故发生时间、事故类型、预测时长；服务端接收客户端发送的的预测请求信息进行预测计算并对预测结果进行存储。
[0038]
优选的，本发明还提供了一种海上搜救系统，包括：
[0039]
信息接收单元：用于接收遇险目标的预测请求信息；
[0040]
漂移轨迹预测单元：用于根据预测请求信息进行遇险目标的漂移量计算，以及根据计算的漂移量确定遇险目标的位置；
[0041]
搜索区域预测单元：采用格雷厄姆扫描算法根据漂移轨迹预测单元计算得出的遇险目标位置确定初始搜索区域，根据初始搜索区域确定概率分布图，并根据概率分布图确定目标搜索区域；
[0042]
路径规划单元：根据确定后的目标搜索区域进行路径规划。
[0043]
优选的，所述搜索区域预测单元具体包括：
[0044]
初始搜索区域预测单元：采用格雷厄姆扫描算法对遇险目标位置确定，并将包含遇险目标位置的区域连接形成凸多边形，根据所述凸多边形确定初始搜索区域，其具体步骤为：
[0045]
步骤一：选择凸多边形的其中一条边作为起始边m，以起始边m的其中一个端点作为起点作垂线n；
[0046]
步骤二：遍历凸包点并找到距离起始边m最大的点p，将点p和起始边m之间的距离作为外包矩形的长或宽；找到起始边m与垂线n距离之和最大的两点，分别过该两点作m的垂线，截取m的距离作为外包矩形的宽/长；
[0047]
步骤三：通过计算得出外包矩形的面积和坐标，并返回步骤一；
[0048]
步骤四：将凸多边形内所有外包矩形的面积进行比对，并以最小面积的外包矩形作为初始搜索区域；
[0049]
优先搜索区域预测单元：将概率分布图中搜寻成功率最大的格子单元作为第一搜索区域，并通过叠加规则对第一搜索区域进行叠加，并计算得出叠加后的第二搜索区域的搜寻成功率，将第一搜索区域和第二搜索区域的搜寻成功率进行比对，并将搜索成功率为预设值的区域作为优先搜索区域；
[0050]
目标搜索区域预测单元：根据优先搜索区域的搜索更新结果确定后续搜索区域，直至确定目标搜索区域。
[0051]
本发明的有益效果为：本发明提供的海上搜救方法及系统，采用漂移预测模型来
确定遇险目标的漂移位置，并基于格雷厄姆扫描算法以及概率分布图来确定遇险目标的最终区域，从而来实现遇险目标的搜救，能够保证搜救效率以及提高了确定搜救区域的精准度。
附图说明
[0052]
通过附图中所示的本发明优选实施例更具体说明，本发明上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本的主旨。
[0053]
图1为本发明实施例提供的海上搜救方法的流程示意图；
[0054]
图2为本发明实施例提供的采用格雷厄姆扫描算法确定初始搜索区域的示意图；
[0055]
图3为本发明实施例提供的漂移预测模型的具体流程示意图；
[0056]
图4为本发明实施例提供的确认目标搜索区域的流程示意图；
[0057]
图5为本发明实施例提供线路规划的具体示意图；
具体实施方式
[0058]
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0059]
请参考图1-5，本发明实施例提供一种海上搜救方法及系统，包括如下步骤：
[0060]
s1：接收遇险目标的预测请求信息(预测请求信息可以是遇险目标人工发送，也可以是遇险目标的船舶上设定的触发装置触发)，根据预测请求信息建立漂移预测模型并进行漂移量的计算(根据接收到的遇险目标发送的预测请求信息，采用拉格朗日粒子追踪算法进行漂移预测模型的建立，并根据遇险目标的预测请求信息进行漂移量的计算，由于受到外界因素的影响，其遇险目标的票以后的位置通常有很多种可能性，此处确定的遇险目标位置为所有漂移后的可能位置)，根据漂移量确定遇险目标位置；
[0061]
s2：采用格雷厄姆扫描算法根据遇险目标位置确定初始搜索区域，根据初始搜索区域确定概率分布图，根据概率分布图确定目标搜索区域并进行搜寻路径规划(通过格雷厄姆扫描算法先根据漂移预测后的遇险目标位置来确定其可能存在的位置，然后根据其可能存在的位置作出概率分布图，从而确定遇险目标存在哪一片区域的可能性较大，从而来确定遇险目标的准确位置，然后根据遇险目标得到准确位置进行搜寻路径的规划，从而实现精准救援的目的，提高了海上救援的救援效率)。
[0062]
请参考图3，在优选实施例中，所述步骤s1中根据预测请求信息建立漂移预测模型并进行漂移量的计算，根据漂移量确定遇险目标位置的具体步骤包括：
[0063]
s11：根据预测请求信息中的位置信息和时间信息来确定预测时长(根据遇险目标的当前位置和时间信息，能够准确的判定遇险目标的漂移位置和漂移量，从而实现遇险目标的精准救援)；
[0064]
s12：提取当前时刻的风场和流场数据，并计算遇险目标的受力；
[0065]
s13：计算遇险目标的漂移量并确定遇险目标位置(通过分析当前的环境因素以及遇险目标的受力(包括重量等)来确定其漂移量以及漂移速度，从而来确定遇险目标的漂移位置)；
[0066]
s14：判断是否达到预测时长，若达到，则计算结束，若未达到，则返回步骤s12。
[0067]
当发生海上遇险事故时，先获取到事故遇险时间和位置信息，从而确定预测市场tn，并进行当前时刻风、流数据的提取，并基于拉格朗日粒子追踪算法计算器漂移量和遇险目标的漂移后的位置，并判断预测时长是否达到，若未达到预测时长，则继续执行步骤s12，直至达到预测时长为止。
[0068]
请参考图3，在优选实施例中，所述步骤s1具体还包括：
[0069]
所述遇险目标的受力计算公式为：
[0070][0071]
其中，m为遇险目标的重量(质量)，dv为遇险目标达到速度，mf为科氏力，指地球旋转对流体的影响，f1为风对遇险目标的作用力(也指风对遇险目标暴露在海水表面部分产生的力)，f2指海水对遇险目标的作用力(主要由两部分组成，一部分是风导致海水运动即风生流产生的力，一部分是海流的作用力)；
[0072]
遇险目标在海水中的漂移，可以看做是质子跟随海流的物理运动，因此本技术中采用拉格朗日粒子追踪算法来进行遇险目标的漂移量；
[0073]
所述遇险目标的漂移量计算公式为：
[0074][0075]
其中，x
t
表示遇险目标的位移量，a为漂移系数，b为扩散系数，zn为遇险目标位置(通过计算每个时刻遇险目标的漂移量，从而来确定遇险目标漂移后的位置，从而实现了对遇险目标的动态追踪)。
[0076]
海上遇险事故类型有很多，根据遇险目标类型的不同，模型设计不同的漂移系数和扩散系数，来满足不同情况下的需求。同时，预测模型中设遇险目标的多个可能的位置的漂移轨迹的计算，根据遇险目标的漂移范围来确定搜救范围，从而实现其精准的救援率。
[0077]
请参考图2，在进一步的优选实施例中，所述步骤s2中根据遇险目标位置确定初始搜索区域的具体步骤包括：
[0078]
采用格雷厄姆扫描算法对遇险目标位置确定，并将包含遇险目标位置的区域连接形成凸多边形，根据所述凸多边形确定初始搜索区域，其具体步骤为：
[0079]
s21：选择凸多边形的其中一条边作为起始边m，以起始边m的其中一个端点作为起点作垂线n；
[0080]
s22：遍历凸包点(包含遇险目标的多个可能的位置)并找到距离起始边m最大的点p，将点p和起始边m之间的距离作为外包矩形的长或宽；找到起始边m与垂线n距离之和最大的两点，分别过该两点作m的垂线，截取m的距离作为外包矩形的宽/长(具体可参考图2)；
[0081]
s23：通过计算得出外包矩形的面积和坐标，并返回步骤s21；
[0082]
s24：将凸多边形内所有外包矩形面积进行比对，并以最小面积的外包矩形作为初始搜索区域。
[0083]
在漂移预测模型的基础上，采用格雷厄姆扫描算法来确定可能包含遇险目标区域，并将其区域连接形成凸多边形，由于直接将凸多边形作为搜寻区域会对搜寻航线规划
产生影响，因此需要对凸多边形进行规范化调整，生成包含凸多边形的最小面积外接矩形，将步骤s24计算得出的最小面积的外包矩形作为初始搜索区域，一定程度上简化了航线设计的过程，同时还为实现搜救目标概率分布的计算提供了基础。
[0084]
在实际的搜救行动中，搜救目标的概率分布往往是不规律的。这里采用随机粒子的方法(基于拉格朗日的粒子追踪算法)计算基于搜寻区域的概率分布，每个粒子都代表遇险目标一个可能的位置。首先，将搜寻区域(初始搜索区域)划分成m
×
n个大小相同的网格，然后计算每个网格的poc，从而得到预测粒子(遇险目标)存在于搜寻区域中的概率分布。
[0085]
当确定好初始搜索区域后，在根据海上最优搜寻理论，其中搜救单元在空间上的任务分配主要与包含概率(poc)、发现概率(pod)、搜寻成功率(pos)有关,当搜寻区域过大时，包含搜救目标的概率较大，但搜救单元对于搜救目标的发现概率较小，导致整体搜寻成功率变小；当搜寻区域过小时，搜救单元对于搜救目标的发现概率较大，但区域包含搜救目标的概率较小，同样导致整体搜寻成功率变小。因此，本技术中主要根据包含概率(poc)、发现概率(pod)、搜寻成功率(pos)来实现目标搜索区域的确定，根据每个区域的概率分布来进行优先搜索，从而确保遇险目标能够及时被救。
[0086]
如何平衡包含概率与发现概率的关系，得到具有最大搜寻成功率的任务分配方案是该算法解决的主要问题。
[0087]
请参考图4，在进一步的优选实施例中，所述步骤s2中根据初始搜索区域确定概率分布图并确定目标搜索区域的具体步骤包括：
[0088]
根据初始搜索区域确定概率分布图，根据概率分布图计算每个搜索区域的搜寻概率并确定优先搜索区域，对优先搜索区域结果进行更新并根据更新结果确定后续搜索区域(根据更新结果进行概率分布图的更新，并参照优选搜索区域的确定方法对后续到达的搜救单元分配任务区域，在分配的过程中，尽量避免与其他任务区域之间存在较大重叠，确保在较短时间内能够实现遇险目标的快速救援，任务分配完成后，需要对所有搜救单元的任务搜索区域进行微调，通过平移、缩放、旋转等操作减小区域的重叠，保证分配方案具有最大的搜寻成功率)，直至确定目标搜索区域。
[0089]
请参考图4，在优选实施例中，所述步骤s2中根据概率分布图计算每个搜索区域的搜寻概率并确定优先搜索区域的具体步骤包括：
[0090]
将概率分布图中搜寻成功率(pos)最大的格子单元作为第一搜索区域，并通过叠加规则(叠加规则指以格子单元为中心，依次向上、下、左、右四个方向分别扩展一行或一列(一列或一格))对第一搜索区域进行叠加，并计算得出叠加后的第二搜索区域的搜寻成功率，将第一搜索区域和第二搜索区域的搜寻成功率进行比对，并将搜索成功率为预设值的区域作为优先搜索区域(判断第一搜索区域和第二搜索区域的pos，判断叠加后的第二搜索区域的pos是否提高，若提高了，保留pos较大的区域(第二搜索区域)作为新的任务区域，以此类推，直到随着区域的扩张，pos不再增大，则当前的任务区域即为优先搜索区域)。
[0091]
请参考图4，在进一步的优选实施例中，所述步骤s2的具体步骤还包括：
[0092]
当优先搜索区域并未搜索到遇险目标时，则该区域中遇险目标的包含概率应当减小，则其周边格子单元的包含概率相应增加，本技术中通过平均探测率的方法来实现失败搜寻结果的更新；则其他搜索区域的搜寻成功率计算公式如下：
[0093][0094][0095]
其中，p为其中任意一个遇险目标的可能位置，j为遇险目标的所有可能位置，wp为p在当前搜索区域的概率，p
fail
(p)为p在当前搜索区域未被搜寻到的概率，k为搜索区域中遇险目标的可能位置的集合。
[0096]
其中，当前搜索区域中的遇险目标的位置未被探测到的概率的计算公式为：
[0097]
p
fail
(p)＝1-pod
[0098]
其中，pod为当前区域的搜寻发现概率。
[0099]
请参考图1-5，在优选实施例中，所述步骤s1的具体步骤包括：
[0100]
本技术提供的海上搜救方法及系统，主要基于web service技术的服务实现，web service是web应用程序中新的分支，是一种自包含、自描述、模块化的应用，可以发布和定位，并通过web进行调用。web service技术依靠发布封装好的服务接口，使得运行在不同网络节点的不同应用不用通过其他的第三方软件或硬件，就可以进行相互之间的数据交换和集成。web service作为系统集成的关键技术，是封装成单个实体并发布到网络上供其他程序使用的功能集合。利用web service实现服务的封装与发布。其具体服务业物流成为：
[0101]
客户端发送遇险目标的预测请求信息，所述预测请求信息包括：事故点位置、事故发生时间、事故类型、预测时长；服务端接收客户端发送的的预测请求信息，并根据信息内容，对数据层请求数据，并调用预测模式服务，进行预测计算，进行预测计算，预测计算完成后，将计算结果通过web服务发送到客户端，客户端在完成操作后，通过服务端，完成对结果的存储。
[0102]
请参考图1-5，在优选实施例中，本发明还提供了一种海上搜救系统，包括：
[0103]
信息接收单元：用于接收遇险目标的预测请求信息；
[0104]
漂移轨迹预测单元：用于根据预测请求信息进行遇险目标的漂移量计算，以及根据计算的漂移量确定遇险目标的位置；
[0105]
搜索区域预测单元：采用格雷厄姆扫描算法根据漂移轨迹预测单元计算得出的遇险目标位置确定初始搜索区域，根据初始搜索区域确定概率分布图，并根据概率分布图确定目标搜索区域；
[0106]
路径规划单元：根据确定后的目标搜索区域进行路径规划。
[0107]
请参考图1-5，在优选实施例中，所述搜索区域预测单元具体包括：
[0108]
初始搜索区域预测单元：采用格雷厄姆扫描算法对遇险目标位置确定，并将包含遇险目标位置的区域连接形成凸多边形，根据所述凸多边形确定初始搜索区域，其具体步骤为：
[0109]
步骤一：选择凸多边形的其中一条边作为起始边m，以起始边m的其中一个端点作为起点作垂线n；
[0110]
步骤二：遍历凸包点并找到距离起始边m最大的点p，将点p和起始边m之间的距离作为外包矩形的长或宽；找到起始边m与垂线n距离之和最大的两点，分别过该两点作m的垂
线，截取m的距离作为外包矩形的宽/长；
[0111]
步骤三：通过计算得出外包矩形的面积和坐标，并返回步骤一；
[0112]
步骤四：将凸多边形内所有外包矩形的面积进行比对，并以最小面积的外包矩形作为初始搜索区域；
[0113]
优先搜索区域预测单元：将概率分布图中搜寻成功率最大的格子单元作为第一搜索区域，并通过叠加规则对第一搜索区域进行叠加，并计算得出叠加后的第二搜索区域的搜寻成功率，将第一搜索区域和第二搜索区域的搜寻成功率进行比对，并将搜索成功率为预设值的区域作为优先搜索区域；
[0114]
目标搜索区域预测单元：根据优先搜索区域的搜索更新结果确定后续搜索区域，直至确定目标搜索区域。
[0115]
请参考图5，本技术提供的海上搜救方法及系统，结合漂移轨迹预测数据(漂移预测模型)和救援船舶的ais定位数据，以漂移范围的边缘半径大小(具体大小可根据实际情况自定义确定)统计参具体与救援的船舶数量，并进行后续的搜救路径模拟，主要采用平行线搜寻、扇形搜寻或矩形搜寻等搜寻方法来实现救援；
[0116]
本技术中将搜寻区域规划为矩形区域，(图中a2为矩形区域长，a3为矩形区域宽，a为航线之间的间距，a1为交叉航线，a4为搜寻起点csp，a5为有效航程)搜寻起始点(commence search point，csp)为区域内距角点两条直角边各1/2航线间距的位置(指a4和a2之间距离的一半以及a4和a2之间距离的一般)，搜寻航线与矩形长边平行。当多个搜救单元联合搜救时，可将搜寻区域进行划分并分别安排搜救力量进行搜寻，从而实现高效搜救，一定程度上提高了遇险人员的安全性。
[0117]
本技术提供的海上搜救方法，也可用于渔船智慧监管平台，通过建设应急事件处理相关模块功能应用，实现针对水上安全事故实施救援的应急场景，集合相关船舶数据信息，如渔船、执法船、救助船的基础数据，如船舶航速、吨位大小、装备配置等，以及气象、水上环境，如水流，风速等，结合相关漂移预测模型，对事故船舶开展水上漂移轨迹的预测、水上搜救路径的模拟预测等分析研判，再结合实际情况，推荐最佳救援船舶，实现对渔船事故辅助决策与统一布控，提高管理水平和增强紧急应变能力，为避免或减少渔业生产事故的发生提供有力保障。
[0118]
本发明的有益效果为：本发明提供了一种海上搜救方法及系统，采用漂移预测模型来确定遇险目标的漂移位置，并基于格雷厄姆扫描算法以及概率分布图来确定遇险目标的最终区域，从而来实现遇险目标的搜救，能够保证搜救效率以及提高了确定搜救区域的精准度。
[0119]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。