一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法、程序产品、电子设备及存储介质

本发明涉及海事船舶航行领域，尤其是涉及一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法、程序产品、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、

2、分道通航制的应用减少了船舶在对遇局面中发生碰撞事故的概率，但交叉相遇局面仍经常发生船舶碰撞事故，尤其是在复杂水域，比如警戒区、渔船众多的水域。此外，据调查发现，人为原因在海上伤亡中仍然占据主导地位，是事故发生的决定性的因素。其中，“判断错误”是人为原因的关键问题，主要表现为船长对于是否有让路责任的的误判。例如2022年12月22日，“金旺岭”轮作为交叉相遇局面下的让路船未能按照《避碰规则》及早地对“鲁日山渔61027”轮进行避让，同时“鲁日山渔61027”轮作为直航船，在碰撞发生前航向多次大幅度变化，未覆行其保向保速义务，从而导致碰撞事故的发生。

3、目前针对让路船的判定，大多还是依照《避碰规则》这种传统方法，不可否认它可以从定性的角度来确定让路船，但在客观定量方面还仍有些欠缺，其规定的让路船在避让时产生的代价可能也比直航船避让的代价大，且仍有许多船员并不一定按照《避碰规则》来执行，缺乏一种能够在避让代价最小的自动避免碰撞的判方法，因此，本发明提出了一种在交叉相遇局面中能够客观判定让路船的方法、程序产品、电子设备及存储介质。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法、程序产品、电子设备及存储介质。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，包括以下步骤：

4、s1、筛选出研究水域中船舶的ais数据信息，对所述ais数据信息进行预处理，并建立直角坐标系；

5、s2、假设a船为让路船，b船为被让路船，利用非对称高斯函数构建让路船视角下的被让路船动态势能场模型；重新假设让路船和被让路船，转化视角，以b船为让路船，a船为被让路船，利用非对称高斯函数构建让路船视角下的被让路船动态势能场模型；

6、s3、构造加权多目标代价函数，分别计算a船与b船在避让时所需要付出的代价，将让路代价小的船舶重新确定为让路船，另一只船确定为被让路船，根据让路船是否会侵犯被让路船的势能场，判断让路船是否需要采取避让措施。

7、所述预处理包括：删除缺失船舶种类信息的数据、重复的数据和引起干扰的船舶数据，采用三次样条插值方法，以特定时间为间隔，对研究水域中的每条船舶在每天中的ais数据进行插值处理。

8、所述势能场的形状为非对称性的椭圆。

9、所述势能场的范围与船舶的状态有关，船舶的状态包括：航速、船长、船宽以及排水量。

10、所述步骤s2具体包括：

11、s21、构造出被让路船的动力、阻力、斥力和引力；

12、s22、从ais数据信息中获取被让路船的角度，并转化为弧度制；

13、s23、将动力、阻力、斥力和引力分解到以被让路船航向为坐标轴所建立的坐标系中，作为三维非对称高斯函数的影响因子；

14、s24、将所述影响因子代入到非对称高斯函数的表达式中，得到三维非对称高斯函数分布图；

15、s25、根据交叉相遇局面中船舶的ais数据信息得到船舶避让时的实际最小距离，被让路船舶的非接触力中的参数k、λ，使势能场的范围与该水域实际范围数据一致，得到被让路船的势能场。

16、采用最小二乘法对所述势能场进行验证。

17、所述加权多目标代价函数包括以下评价指标函数：路径平滑性代价函数、速度损失代价函数以及路径偏移代价函数，通过层次分析法求取各评价指标的权重，确定所述加权多目标代价函数，采用如下公式表示：

18、minf(i)＝wrufru(i)+wvfv(i)+wsfs(i)；

19、其中，f(i)为加权多目标代价函数，fru(i)为路径平滑性代价函数，fv(i)为速度损失代价函数，fs(i)为路径偏移代价函数，wru、wv、ws分别为权重系数。

20、第二方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述任一所述方法的步骤。

21、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一所述方法的步骤。

22、第四方面，本发明一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现上述任一所述方法的步骤。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、1、本发明提出了一种客观判断是否为让路船的势能场模型，用以客观定量的确定避让代价，在总体避让代价最小的情况下，不仅能够协调船舶之间的避让行动，还降低了让路时的船舶的代价。

25、2、通过将本发明提供方法转化为算法程序的智能化运行，能够实现无人船的自主避让方案，同时也能辅助船长进行避让决策，从而有效降低由于“判断错误”而导致的海上交通碰撞事故，进一步保障通航安全。

1.一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，所述预处理包括：删除缺失船舶种类信息的数据、重复的数据和引起干扰的船舶数据，采用三次样条插值方法，以特定时间为间隔，对研究水域中的每条船舶在每天中的ais数据进行插值处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，所述势能场的形状为非对称性的椭圆。

4.根据权利要求3所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，所述势能场的范围与船舶的状态有关，船舶的状态包括：航速、船长、船宽以及排水量。

5.根据权利要求1所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，采用最小二乘法对所述势能场进行验证。

7.根据权利要求1所述的一种基于直航船动态势能场模型的船舶避免碰撞判定方法，其特征在于，所述加权多目标代价函数包括以下评价指标函数：路径平滑性代价函数、速度损失代价函数以及路径偏移代价函数，通过层次分析法求取各评价指标的权重，确定所述加权多目标代价函数，采用如下公式表示：

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-7中任一所述方法的步骤。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一所述方法的步骤。

10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1-7中任一所述方法的步骤。