[发明专利]一种航标智能化避碰方法及系统

说明书

本发明公开了一种航标智能化避碰方法，通过预测船舶航迹、构建3D场景和碰撞风险估算实现对船舶‑航标碰撞风险智能预测预警；预测船舶航迹，根据船舶特征点模型，根据船舶实时和历史的船位、艏向预测船舶特征点的船位、艏向和航迹，其中船舶航迹根据卡尔曼滤波方法来预测；构建3D场景，对航标的配布进行三维视景展示，所述三维视景展示中包括航标配布示意图；碰撞风险估算，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离与和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，实时对碰撞危险进行估算，预判船舶和航标是否碰撞。本发明还公开基于上述方法的装置。本发明的优点在于：能够有效实现船舶‑航标碰撞风险智能预测预警。

技术领域

本发明涉及船舶航迹预测技术领域，尤其涉及一种航标智能化避碰方法及系统。

背景技术

现有技术中在船舶的航行预测和控制领域已经有采用各种智能化的预测算法进行预测船舶航行航迹的了，从而保证了船舶航行的安全。现有技术中针对船舶航行轨迹进行预测的方法有采用卡尔曼滤波器进行计算的。但是，传统的卡尔曼滤波器在整个滤波过程中使用相同的采样时间间隔。然而由于AIS位置更新报告时间间隔因船速不同而不同，海岸站与浮标之间的通信阻塞和网络延迟，有时可能无法接收到正确的位置数据，或者位置报告没有及时更新。现有技术中也有采用自适应机制已引入卡尔曼滤波器对船舶航迹进行预测的，但是依然存在位置数据更新不及时或估计误差较大的问题。

此外，现有技术中，尤其在航标与船舶航行预测领域，缺少针对航标可视化以及能够实现船舶-航标碰撞风险智能预测预警的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现船舶-航标碰撞风险智能预测预警，针对上述要解决的技术问题，现提出航标智能化避碰方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种航标智能化避碰方法，通过预测船舶航迹、构建3D场景和碰撞风险估算实现对船舶-航标碰撞风险智能预测预警；

预测船舶航迹，根据船舶特征点模型，根据船舶实时和历史的船位、艏向预测船舶特征点的船位、艏向和航迹，其中船舶航迹根据卡尔曼滤波方法来预测，所述卡尔曼滤波方法中引入了不同的时间尺度；

构建3D场景，对航标的配布进行三维视景展示，所述三维视景展示中包括航标配布示意图；

碰撞风险估算，计算航标与船舶特征点模型的最近会遇距离和抵达会遇点船舶所需的行驶距离，实时对碰撞危险进行估算，预判船舶和航标是否碰撞。

进一步的，所述预测船舶航迹过程中采用的船舶运动系统的数学模型为：

其中x为状态变量，u(k)为时间k的输入向量，w_k为时间k的系统状态噪声，k为时间时序计数，T(k)为AIS位置更新报告的第k个时间间隔，z_k为时间k的测量输出，ε_k为时间 k的测量噪声，表示k+1时刻的误差，K_k+1表示k+1时刻的卡尔曼滤波的增益，x(k) 表示k时刻的状态变量，表示时间间隔的平均值，表示k时刻的动力学的测量，v(k+1) 表示k+1时刻船舶的速度，表示k+1时间的估计误差的协方差，P_k表示时间k的误差的协方差，E表示取平均值，Q_k表示系统噪声在时刻k的协方差。

进一步的，所述系统噪声在时刻k的协方差按照选择状态噪声协方差的自适应机制计算，计算模型如下：

其中β是遗忘因子，β的取值范围是0.95β0.99，λ_k是时刻k时的增益系数。

进一步的，所述预测船舶航迹过程中船舶在k+1th时间间隔瞬间的经纬度可计算为：