基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法

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1.本发明涉及水上交通安全领域，尤其是一种船舶的碰撞风险评估方法。

背景技术：

2.当前海上航行主要依赖于在海图仪、雷达、声纳、闭路电视(cctv)和/或红外摄像机辅助下值班船员的人工判断。但统计研究表明，75％-96％的海上事故是由船员缺乏经验和缺乏对形势的认识等人为因素造成的。虽然，国际海事组织(imo)通过的《国际海上避碰规则》中定义了海上交通规则和避免碰撞的程序。然而，这些规则并没有规定关于探测和评估碰撞风险的程序的量化标准。因此，碰撞风险的定量测量对于船员做出适当的避碰机动决策是有很大作用的，引发众多学者对这一方面进行研究。
3.在海事管理领域，已经提出了基于定量风险评估(qra)模型的各种风险分析方法，这些方法考虑了船舶动态、人为误差和某些航道和/或繁忙航道的统计数据(例如交通流量条件和航行情况)，或者是通过考虑特殊水域的交通模式、机动模式和统计分析获得的碰撞标准。但是这些方法的提出更多的是基于陆地模式经验，对于航行自由度更广、航行相互影响更大的海上船舶并不十分适用。
4.为了提高海上安全，人们提出了许多关于船舶航行碰撞风险评估的研究方法。
5.例如基于ais、基于概率流概念提出的数字化船舶碰撞风险预测方法，以及基于避碰难度、碰撞检测算法的碰撞风险评估方法，或者是基于人工智能、大数据挖掘的海上交通冲突方法。
6.目前海洋船舶碰撞概率评估最常用的方法来源于在20世纪70年代提出的并被后人逐步完善的船舶领域方法。因其简单性和鲁棒性而在研究中受到欢迎，被认为是处理船舶航行风险评估的基本且强大的方法。然而，基于船舶域的方法也存在一些缺陷。首先，船舶域定义了在没有目标船舶进入的情况下，本船安全的不同尺寸和形状的区域。它意味着自有船舶的风险是定性的，只有两个简单的值，0或1。粗略的评估可能导致避免碰撞的信息不足。而且，目前还没有有效的方法来衡量船舶域之间的风险。因此，有必要进行定性评估，使风险随两船所处位置的变化而变化。

技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法。本发明基于船舶领域的概念，提出了一种系统地估计两艘移动水面船舶碰撞风险的方法。该方法首先选取影响船舶领域尺寸的相关变量，通过模糊规则构建了非对称多边形的船舶领域，并根据国际海洋公约对船舶领域进行修订。阐述了两船的船舶领域瞬时冲突面积的计算方法，将冲突面积转化为船舶冲突率。随后设置时间权重，将瞬时船舶领域冲突率进行时间积分，得到了碰撞风险，碰撞风险可被视为交通危险的更直接测度。该方法解决了以往船舶领域评价碰撞风险过于粗略的问题，可以为船员提供更直接、更细致的风险预警。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
9.包括船舶领域构建阶段和碰撞风险度评估阶段，其中船舶领域构建阶段包括以下步骤：
10.步骤一，选取影响船舶领域尺寸的特征变量，并分配对应权重；
11.步骤二，设置模糊数，构成模糊规则；
12.步骤三，将特征变量值输入模糊规则，得到基础尺寸系数vl；
13.步骤四，根据距离长度系数vl及船舶本身长度宽度，构建非对称多边形船舶领域模型；
14.步骤五，根据设定的避碰规则代价，将步骤四的船舶领域进行偏移操作，得到最终的船舶领域模型；
15.碰撞风险度评估阶段包括以下步骤：
16.步骤六，执行船舶领域构建阶段的步骤，生成目标船及障碍船的非对称多边形船舶领域模型；
17.步骤七，通过快速排斥实验、跨立实验确定两船舶领域多边形交点坐标。并求出两多边形的内点坐标。
18.步骤八，通过斜率法对步骤七求出的交点和内点进行排序，根据鞋带算法求出该边形面积，即两船舶领域瞬时冲突面积，并将将船舶领域瞬时冲突面积转化为船舶领域瞬时冲突率。
19.步骤九，设置时间步长，修订目标船及障碍船坐标，设置时间阈值、时间权重，通过模拟积分的方法，循环执行步骤七、八，得到船舶领域冲突面积随时间的积分，该积分的大小即可视为目标船碰撞风险的度量。
20.步骤十，构造转化函数，将该积分的大小转化为0-1的船舶碰撞风险度。
21.所述船舶领域构建阶段具体包括：
22.第一步，选取影响船舶领域尺寸的相关变量，即实际上影响船舶碰撞风险的选定船长、船宽、船行驶速度和方向、海面能见度、海洋风速和方向、洋流速度和方向、区域船舶密集度、区域历史发生事故、驾驶员驾龄和船舶操纵性十个变量；
23.第二步，对十个变量进行权重评估，通过专家评估与层次分析法得到每一个变量的权重，得出权重集合w＝[w1，w2，w3，
…wn-1
，wn]，其中n为变量数量，便于构建船舶领域模型。
[0024]
第三步，根据海事海洋通用划分标准，指定各变量的低中高基础分级，再通过采用mamdani型模糊推理方法获得各参数的量化数值；其中，模糊规则使用多输入单输出(miso)if-then规则，模糊函数使用三角形和梯形隶属函数；
[0025]
第四步，将船舶各种变量参数输入模糊规则中，并对输出结果添加第二步得出的权重系数，由得到距离长度系数vl，其中vl为多边形船域中顶点距离多边形中心的长度，size为单一变量模糊化输出的结果，size[k]是第k个变量模糊规则输出的结果；根号里的内容是多变量求和后的结果，vl的值决定了船舶领域的大小，在最后的结果中船舶领域大小应为对应方向船长宽的2-5倍之间；
[0026]
第五步，根据船舶中心点坐标及距离长度系数求顶点坐标，由公式
求得，其中xi，yi表示的是第i个顶点对应的x，y坐标，x0，y0表示的是船舶中心位置的坐标，vcount为多边形船舶领域模型的顶点数量，αx[i]、αy[i]为第i个顶点船舶领域修正系数，最终根据获得的船舶领域各顶点坐标，构建非对称多边形船舶领域模型，根据设定的避碰规则代价，将步骤四的船舶领域进行偏移操作，得到最终的船舶领域模型。
[0027]
所述碰撞风险度评估阶段具体包括：
[0028]
第一步，根据步骤一所阐述的船舶领域模型的构建方法，构建目标船和障碍船的船舶领域；
[0029]
第二步，使用判断线段是否相交的快速排斥实验与跨立实验判断目标船和障碍船的多边形船舶领域是否相交，若不相交，则无碰撞风险；若相交，则通过线段相交求交点的方法，求出两个多边形船舶领域的交点，若一个多边形船舶领域的顶点，在另一多边形船舶领域内，则称这样的点为内点；使用射线法依次判断各顶点是否为内点，并记录对应的内点坐标；
[0030]
第三步，根据交点与内点的坐标，使用斜率算法对各个顶点进行顺时针或逆时针排序，使其满足鞋带算法的带入要求；
[0031]
第四步，使用鞋带算法求出目标船和障碍船的船舶领域瞬时冲突面积；式中xi,yi代表的是第i个顶点的横坐标及纵坐标，n为存在顶点的个数，s表示的是求得的面积，计算时若i＝n，则i+1表示第1个点；
[0032]
第五步，设置时间步长及时间阈值，步长δt设为1s，时间阈值t设置为720s；设置时间权重每分钟为一组，每组内有相同的权重w＝[0.153,0.141,0.128,0.115,0.102,0.089,0.076,0.0641,0.051,0.038,0.025,0.012]，通过模拟积分方法求出船舶领域冲突率随时间的积分，得到t分钟内的船舶领域冲突面积的模拟积分，模拟积分步长为
△
t秒，sa为本船船舶领域面积，sb为障碍船船舶领域面积，wi为第i秒的时间权重，s
ci
为第i秒船舶领域的冲突面积，risk为船舶碰撞风险的度量；
[0033]
第六步，构造ln函数，并根据t/δt的大小决定嵌套层数，将risk度量转化为0-1之间的碰撞风险度，即可视为目标船碰撞风险的度量。
[0034]
本发明的有益效果在于突破传统船舶领域模型判断碰撞风险二元化的局限性、创新基于船舶领域模型的船舶动态碰撞风险评估方法、将航行相关风险智能化精确化的度量、对海事安全管理的现代化和船舶交通管理的智能化的发展具有重要的理论和现实意义。本发明解决了以往船舶领域仅依靠是否侵入来进行有无风险的二元判断的粗略即有风险为1，无风险为0。本发明对碰撞风险进行更细致的度量，将风险度转化为0-1间的具体数值，可以更好的提醒船员关注存在的碰撞风险，协助船员做出适当的航行风险规避决策，保护生命安全和财产安全。
附图说明
[0035]
图1是本发明提供的基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法流程图。
[0036]
图2是本发明提供的船舶领域模型示意图。
[0037]
图3是本发明提供的船舶领域冲突示意图。
[0038]
图4是本发明提供的斜率算法排序示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所述的基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法包括以下步骤：
[0041]
步骤一，先选取影响船舶领域尺寸的相关变量，根据ahp层次分析法等权重分析方法对变量设置权重，通过模糊规则构建了非对称多边形的船舶领域，并根据国际海洋公约对船舶领域进行修订。
[0042]
步骤二，基于船舶领域模型，计算两船的船舶领域瞬时冲突面积的计算方法，将冲突面积转化为船舶冲突率。随后设置时间权重，将瞬时船舶领域冲突率进行时间积分，得到了碰撞风险。
[0043]
进一步，所述步骤一具体包括：
[0044]
第一步，选取影响船舶领域尺寸的相关变量，即实际上影响船舶碰撞风险的相关变量。实施例所选取的变量包括：船舶长度、船舶宽度、船舶速度、海浪高度、区域船舶密集度、驾驶员驾龄、区域历史事故数、海洋能见度、船舶可操纵性九个变量。
[0045]
第二步，对上述变量进行权重评估，分析每一个变量的权重，得出权重集合。w＝[w1，w2，w3，
…wn-1
，wn]，其中n为变量数量。便于下一步构建船舶领域模型。实施例使用了基本的ahp层次分析法，得出了上述九个变量的权重系数w＝[0.037，0.039，0.074，0.066，0.187，0.133，0.094，0.146，0.224]。
[0046]
第三步，根据海事海洋通用标准，指定各变量分级模糊数值，并通过三角形、梯形隶属函数构建模糊规则。如：语言输入变量“船舶长度(l)”是根据classnk分析ais数据中船舶长度数据的分布定义的。根据这一分析，确定130/190/250米的船舶长度值满足小、中、大(通用尺寸(ulength＝[130，250])。这三个语言术语的模糊数构成如下:短＝(130，130，130，190)，中＝(130，190，250)，大＝(190，250，250，250)使用梯形和三角形隶属函数。其余各变量系数如表1所示。
[0047]
表1.船舶领域变量模糊规则数据表
[0048][0049]
第四步，将船舶各种变量参数输入模糊规则中，使用梯形和三角形隶属函数进行模糊化，并添加第三步的权重系数，最终通过模糊规则输出多边形船舶领域各顶点到中心点距离长度系数本实施例构成的是非对称八边形的船舶领域模型，式中i表示第i个顶点，vl是指多边形船域中顶点距离多边形中心的长度。size是单一变量模糊化输出的结果，size[k]是第k个变量模糊化输出的结果。根号里的内容是多变量平法求和后的结果。vl的值决定了船舶领域的大小，在最后的结果中船舶领域大小应为对应方向船长宽的2-5倍之间。
[0050]
第五步，根据船舶中心点坐标及距离长度系数求顶点坐标。由公式求得。其中xi，yi表示的是第i个顶点对应的x，y坐标。x0，y0表示的是船舶中心位置的坐标。vcount为多边形船舶领域模型的顶点数量。根据会遇中船舶所处的方位态势不同，对应不同的避碰责任可以细分为六种情况。根据此项规则，对船舶领域在不同方向的范围大小进行相应的调整，最终构建船舶领域模型，即αx[i]、αy[i]为第i个顶点船舶领域修正系数。构建的船舶领域模型如图2所示。
[0051]
进一步，所述步骤二具体包括：
[0052]
第一步，根据步骤一船舶领域模型的构建方法，构建目标船和障碍船的船舶领域。然后将船舶领域模型根据船舶行驶方向进行角度的旋转
[0053]
x＝(x0-xi)*cos(θ)-(y0-yi)*sin(θ)+xi y＝(x0-xi)*sin(θ)-(y0-yi)*cos(θ)+yi式中x,y代表每个点的新坐标，x0,y0表示中心点坐标，xi,yi表示顶点原坐标，θ表示旋转的角度即船舶行驶方向角。
[0054]
第二步，使用快速排斥实验与跨立实验判断多边形船舶领域是否相交，不相交则无碰撞风险。若相交，则求出两个多边形船舶领域的交点，并使用内点求法求出对应的内点。如附图3所示，两船船舶领域冲突区域包括两个交点，两个内点。
[0055]
第三步，使用斜率算法将交点与内点进行顺时针或逆时针排序。因为鞋带算法计算多边形面积(包括三角形、四边形)时需要将多边形顶点进行顺时针或逆时针排序，因此使用斜率算法对冲突区域的顶点进行排序。如附图4所示，随意选定多边形其中一个顶点(x0,y0)，然后依次求其余各个顶点(xi，yi)与其的斜率ki＝(yi-y1)/(xi-x1)，然后按照斜率大小顺序进行排序。
[0056]
第四步，使用鞋带算法公式求得两船船舶领域瞬时冲突面积。
[0057]
第五步，设置时间步长及时间阈值，设置时间权重，通过模拟积分方法求出船舶领域冲突率随时间的积分。本说明选取的实施例中使用经典tcpa方法中阈值，即计算12分钟内的船舶领域冲突面积的模拟积分，积分步长为1秒，时间权重每分钟为一组，每组内有相同的权重w＝[0.153,0.141,0.128,0.115,0.102,0.089,0.076,0.0641,0.051,0.038,0.025,0.012]。由公式求得船舶碰撞风险率。式中sa为本船船舶领域面积，sb为障碍船船舶领域面积，wi为第i秒的时间权重，s
ci
为第i秒船舶领域的冲突面积，j＝[i/60]。最终得到的risk就是两船的碰撞风险度。
[0058]
第六步，构造ln函数，根据t/δt的大小决定嵌套8层数，将risk度量转化为0-1之间的碰撞风险度。

技术特征：

1.一种基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法，其特征在于包括下述步骤：包括船舶领域构建阶段和碰撞风险度评估阶段，其中船舶领域构建阶段包括以下步骤：步骤一，选取影响船舶领域尺寸的特征变量，并分配对应权重；步骤二，设置模糊数，构成模糊规则；步骤三，将特征变量值输入模糊规则，得到基础尺寸系数vl；步骤四，根据距离长度系数vl及船舶本身长度宽度，构建非对称多边形船舶领域模型；步骤五，根据设定的避碰规则代价，将步骤四的船舶领域进行偏移操作，得到最终的船舶领域模型；碰撞风险度评估阶段包括以下步骤：步骤六，执行船舶领域构建阶段的步骤，生成目标船及障碍船的非对称多边形船舶领域模型；步骤七，通过快速排斥实验、跨立实验确定两船舶领域多边形交点坐标。并求出两多边形的内点坐标。步骤八，通过斜率法对步骤七求出的交点和内点进行排序，根据鞋带算法求出该边形面积，即两船舶领域瞬时冲突面积，并将将船舶领域瞬时冲突面积转化为船舶领域瞬时冲突率。步骤九，设置时间步长，修订目标船及障碍船坐标，设置时间阈值、时间权重，通过模拟积分的方法，循环执行步骤七、八，得到船舶领域冲突面积随时间的积分，该积分的大小即可视为目标船碰撞风险的度量。步骤十，构造转化函数，将该积分的大小转化为0-1的船舶碰撞风险度。2.根据权利要求1所述的基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法，其特征在于：所述船舶领域构建阶段具体包括：第一步，选取影响船舶领域尺寸的相关变量，即实际上影响船舶碰撞风险的选定船长、船宽、船行驶速度和方向、海面能见度、海洋风速和方向、洋流速度和方向、区域船舶密集度、区域历史发生事故、驾驶员驾龄和船舶操纵性十个变量；第二步，对十个变量进行权重评估，通过专家评估与层次分析法得到每一个变量的权重，得出权重集合w＝[w1，w2，w3，
…
w
n-1
，w
n
]，其中n为变量数量，便于构建船舶领域模型。第三步，根据海事海洋通用划分标准，指定各变量的低中高基础分级，再通过采用mamdani型模糊推理方法获得各参数的量化数值；其中，模糊规则使用多输入单输出(miso)if-then规则，模糊函数使用三角形和梯形隶属函数；第四步，将船舶各种变量参数输入模糊规则中，并对输出结果添加第二步得出的权重系数，由得到距离长度系数vl，其中vl为多边形船域中顶点距离多边形中心的长度，size为单一变量模糊化输出的结果，size[k]是第k个变量模糊规则输出的结果；根号里的内容是多变量求和后的结果，vl的值决定了船舶领域的大小，在最后的结果中船舶领域大小应为对应方向船长宽的2-5倍之间；第五步，根据船舶中心点坐标及距离长度系数求顶点坐标，由公式
求得，其中x
i
，y
i
表示的是第i个顶点对应的x，y坐标，x0，y0表示的是船舶中心位置的坐标，vcount为多边形船舶领域模型的顶点数量，αx[i]、αy[i]为第i个顶点船舶领域修正系数，最终根据获得的船舶领域各顶点坐标，构建非对称多边形船舶领域模型，根据设定的避碰规则代价，将步骤四的船舶领域进行偏移操作，得到最终的船舶领域模型。3.根据权利要求1所述的基于船舶领域冲突面积的碰撞风险评估方法，其特征在于：所述碰撞风险度评估阶段具体包括：第一步，根据步骤一所阐述的船舶领域模型的构建方法，构建目标船和障碍船的船舶领域；第二步，使用判断线段是否相交的快速排斥实验与跨立实验判断目标船和障碍船的多边形船舶领域是否相交，若不相交，则无碰撞风险；若相交，则通过线段相交求交点的方法，求出两个多边形船舶领域的交点，若一个多边形船舶领域的顶点，在另一多边形船舶领域内，则称这样的点为内点；使用射线法依次判断各顶点是否为内点，并记录对应的内点坐标；第三步，根据交点与内点的坐标，使用斜率算法对各个顶点进行顺时针或逆时针排序，使其满足鞋带算法的带入要求；第四步，使用鞋带算法求出目标船和障碍船的船舶领域瞬时冲突面积；式中x
i
,y
i
代表的是第i个顶点的横坐标及纵坐标，n为存在顶点的个数，s表示的是求得的面积，计算时若i＝n，则i+1表示第1个点；第五步，设置时间步长及时间阈值，步长δt设为1s，时间阈值t设置为720s；设置时间权重每分钟为一组，每组内有相同的权重w
i
，通过模拟积分方法求出船舶领域冲突率随时间的积分，得到t分钟内的船舶领域冲突面积的模拟积分，模拟积分步长为
△
t秒，s
a
为本船船舶领域面积，s
b
为障碍船船舶领域面积，w
i
为第i秒的时间权重，s
ci
为第i秒船舶领域的冲突面积，risk为船舶碰撞风险的度量；第六步，构造ln函数，并根据t/δt的大小决定嵌套层数，将risk度量转化为0-1之间的碰撞风险度，即可视为目标船碰撞风险的度量。

技术总结

本发明提供了一种系统地估计两艘移动水面船舶碰撞风险的方法，选取影响船舶领域尺寸的相关变量，通过模糊规则构建了非对称多边形的船舶领域，并根据国际海洋公约对船舶领域进行修订，随后设置时间权重，将瞬时船舶领域冲突率进行时间积分，得到了碰撞风险，碰撞风险可被视为交通危险的更直接测度。本发明可以为船员提供更直接、更细致的风险预警，解决了以往船舶领域仅依靠是否侵入来进行有无风险的二元判断的粗略即有风险为1，无风险为0。本发明对碰撞风险进行更细致的度量，将风险度转化为0-1间的具体数值，可以更好的提醒船员关注存在的碰撞风险，协助船员做出适当的航行风险规避决策，保护生命安全和财产安全。保护生命安全和财产安全。保护生命安全和财产安全。