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原文传递一种基于可达集领域的船舶碰撞风险快速评估方法

专利名称：	一种基于可达集领域的船舶碰撞风险快速评估方法
摘要：	本发明公开了一种基于可达集领域的船舶碰撞风险快速评估方法，通过应用船舶有限时间可达集领域，将船舶在一段时间内所能达到的区域，以及区域内船舶的位置、航行速度、航向等船舶状态考虑在内，从而能够求取在该时间内的船舶碰撞概率和碰撞后果，实现了对船舶碰撞风险范围的合理评估，克服了传统评估方法考虑因素不全面、评估结果受限等问题；为进一步解决因遍历本船和他船有限时间可达集而导致的计算效率低问题，本发明将遍历范围缩小至可达集交集区域，并通过交点预测的方式极大的提高了船舶碰撞概率和碰撞后果的计算效率，增强了评估的实时性和快速性，从而有助于实际船舶对航行风险进行快速评估和决策。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	大连海事大学
发明人：	郑凯;王子昕;姜毅
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-04T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-24T00:00:00+0800
申请号：	CN202310980155.5
公开号：	CN117116092A
代理机构：	大连东方专利代理有限责任公司
代理人：	鲁保良;李洪福
分类号：	G08G3/02;G06F30/15;G06F30/20;G06Q10/0635;G06Q50/30;G06F111/08;G06F119/12;G06F119/14;G06F119/02;G;G08;G06;G08G;G06F;G06Q;G08G3;G06F30;G06Q10;G06Q50;G06F111;G06F119;G08G3/02;G06F30/15;G06F30/20;G06Q10/0635;G06Q50/30;G06F111/08;G06F119/12;G06F119/14;G06F119/02
申请人地址：	116026 辽宁省大连市高新园区凌海路1号
主权项：	1.一种基于可达集领域的船舶碰撞风险快速评估方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤A：获得本船SOS和所关注的他船STS在T时间内的可达集步骤A1：根据船舶动力学，建立本船SOS的船舶动态系统模型如下：其中，XOS∈Rn为本船船舶动态系统的状态向量，Rn代表n维向量空间的实数；UOS∈Rm为本船船舶动态系统的控制输入向量，Rm代表m维向量空间的实数；t为时间变量，即给定控制输入向量的条件下，船舶的运动状态随着时间的变化而发生改变；XOS＝[xos,yos,ψos,uos,vos,ros]为本船动态系统的状态向量，其中，xos和yos为XOY坐标系下本船的位置坐标，ψos为本船的偏航角，uos和vos分别为本船在x轴和y轴方向上的速度，ros为本船艏向角速度；若本船为由舵和浆共同驱动的船舶，则其控制输入UOS表示为UOS＝(uosi,uos0)，其中，uosi为本船的舵角，uos0为本船的螺旋桨转速；根据船舶动力学，建立他船STS的船舶动态系统模型如下：其中，XTS∈Ru为他船船舶动态系统的状态向量，Ru代表u维向量空间的实数；UTS∈Rv为他船船舶动态系统的控制输入向量，Rv代表v维向量空间的实数；t为时间变量，即给定控制输入向量的条件下，船舶的运动状态会随着时间的变化而发生改变；XTS＝[xts,yts,ψts,uts,vts,rts]为他船动态系统的状态向量，其中，xts和yts为坐标系XOY下的位置坐标，ψts为他船的偏航角，uts和vts分别为他船在x轴和y轴方向上的速度，rts为他船艏向角速度；若他船为由舵和浆共同驱动的船舶，则其控制输入UTS表示为UTS＝(utsi,uts0)，其中，utsi为他船的舵角，uts0为他船的螺旋桨转速；步骤A2：确定本船输入UOS的范围如下： UOS＝[UOSmin,UOSmax] (3) 在(3)式中，由UOSmin开始至UOSmax截至，由小到大，取得f个输入，则本船输入UOS为： UOS＝{UOS1,UOS2,…,UOSf} (4) 式中UOS1＝UOSmin，UOSf＝UOSmax；确定他船输入UTS的范围如下： UTS＝[UTSmin,UTSmax] (5) 在(5)式中，由UTSmin开始至UTSmax截至，由小到大，取得g个输入，则他船输入UTS为： UTS＝{UTS1,UTS2,…,UTSg} (6) 式中UTS1＝UTSmin，UTSg＝UTSmax；步骤A3：在本船输入UOS取值范围式(4)中，选取第z个输入，z为从1开始的自然数，在T时间内，根据船舶动态系统模型式(1)求解微分方程，得到本船的一条可达轨迹，该轨迹由QOSz表示如下： QOSz＝{(xosz1,yosz1),(xosz2,yosz2),(xosz3,yosz3),...,(xoszd,yoszd)} (7) 在他船输入UTS取值范围(6)式中，选取第w个输入，w为从1开始的自然数，在T时间内，根据船舶动态系统模型式(1)求解微分方程，得到他船的一条可达轨迹，该轨迹由QTSw表示如下： QTSw＝{(xtsw1,ytsw1),(xtsw2,ytsw2),(xtsw3,ytsw3),...,(xtswe,ytswe)} (8) 其中，d和e分别为组成本船轨迹QOSz和他船轨迹QTSw点的数目；步骤A4：判断是否根据本船的所有输入UOSf和他船所有输入UTSg求得两船的全部可达轨迹；若z则kc＝kc+1，用/>表示轨迹QOSz在区域I内的部分，表示如下：步骤D2：若zf时，则停止计算，用kn表示本船经过区域I的可达轨迹数目；步骤D3：选取他船的第w条可达轨迹QTSw，w为从1开始的自然数，用从0开始的整数gd表示本船在区域I内的轨迹数目；若则转步骤D4；若/>则gd＝gd+1，用/>表示轨迹QTSw在区域I内的部分，表示如下：步骤D4：若wg时，则停止计算，用gm表示他船经过区域I的可达轨迹数目；步骤E：快速计算交集区域I内船舶轨迹的交点步骤E1：本船所有可达轨迹QOS与区域I的交集的轨迹集合LOS计算如下：他船所有可达轨迹QTS与区域I的交集的轨迹集合LTS计算如下：步骤E2：任取上一点kc1，遍历集合LTS，用从1开始的整数i表示本船与他船可达轨迹的第i个交点，若在LTS内存在满足式(23)的点Ii，则认为Ii为LTS与/>的一个交点，式(23)表示如下：其中，l表示交点Ii与本船和他船轨迹点之间的距离，xi和yi分别为交点Ii在XOY坐标系下的位置坐标；步骤E3：用表示/>内以Ii为圆心R为半径的区域，表示如下：用表示LTS内以Ii为圆心R为半径的区域，表示如下：在上任取一点lc1，遍历/>若在/>内存在满足式(26)的轨迹位置，则令i＝i+1，认为Ii为/>与/>的第i个交点，式(26)表示如下：反之，则在上任取下一点，直至遍历完成/>内全部轨迹位置；步骤E4：令i＝i+1返回步骤E3，直到本船轨迹与他船轨迹LTS间不存在其他交点；步骤E5：若kcq时，停止计算；用FOSI表示在所有交点II处他船对本船碰撞后果的集合如下： FOSI＝{FOS1,...,FOSq} (30) 用FTSI来表示在所有交点II处本船对他船碰撞后果的集合如下： FTSI＝{FTS1,...,FTSq} (31) 步骤F3：在集合FOSI内，求取他船对本船碰撞后果的最大值FOmax和最小值FOmin如下：在集合FTSI内，求取本船对他船碰撞后果的最大值FTmax和最小值FTmin如下：步骤G：计算交点II处船舶碰撞风险的范围步骤G1：船舶碰撞风险是碰撞概率及其碰撞后果相关的函数，在他船对本船碰撞后果的最大值FOmax处，求得他船对本船碰撞风险的最大值COmax如下： COmax＝POS·FOmax (38) 在他船对本船碰撞后果的最小值FOmin处，求得他船对本船碰撞风险的最小值COmin如下： COmin＝POS·FOmin (39) 则他船对本船碰撞风险的范围表示为[COmin,COmax]；步骤G2：在本船对他船碰撞后果的最大值FTmax处，求得本船对他船碰撞风险的最大值CTmax如下： CTmax＝PTS·FTmax (40) 在本船对他船碰撞后果的最小值FTmin处，求得对他船碰撞风险的最小值CTmin如下： CTmin＝PTS·FTmin (41) 则本船对他船碰撞风险的范围表示为[CTmin,CTmax]。
所属类别：	发明专利