一種航海交通管制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種航海交通管制方法，包括如下幾個(gè)步驟，首先通過海面雷達(dá)獲得船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息；然后在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息滾動(dòng)推測未來時(shí)段內(nèi)船舶的軌跡；再而基于船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取海域風(fēng)場變量的數(shù)值；再而基于各船舶的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定的船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集，對船舶的動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息；當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足船舶物理性能和海域交通規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)以及融入風(fēng)場變量數(shù)值，采用自適應(yīng)控制理論方法對船舶避撞軌跡進(jìn)行滾動(dòng)規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行。本發(fā)明實(shí)時(shí)預(yù)測規(guī)劃軌跡，安全性較好。
【專利說明】一種航海交通管制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種海域交通管制方法，尤其涉及一種基于滾動(dòng)規(guī)劃策略的海域交通 管制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，部分繁忙海域內(nèi)的交通愈加擁擠。在船舶交通流密 集復(fù)雜海域，針對船舶間的沖突情形仍然采用航行計(jì)劃結(jié)合人工間隔調(diào)配的管制方式已不 能適應(yīng)航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展。為保證船舶間的安全間隔，實(shí)施有效的沖突調(diào)配就成為海域交 通管制工作的重點(diǎn)。船舶沖突解脫是航海領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，安全高效的解脫方案對 于增加海域船舶流量以及確保海運(yùn)安全具有重大意義。
[0003] 為了提高船舶的航行效率，船用雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)繪儀目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到船舶監(jiān)控 和避碰中，該設(shè)備通過提取船舶相關(guān)信息為船舶間沖突情形的判定提供參考依據(jù)。盡管此 類設(shè)備極大降低了人工監(jiān)控的負(fù)荷，但它并不具備船舶自動(dòng)沖突解脫功能。針對船舶沖突 解脫問題，目前的處理方式主要包括幾何式確定性算法和啟發(fā)式智能算法兩大類方案，相 關(guān)文獻(xiàn)研究主要集中在無約束條件下兩船舶間的沖突避讓規(guī)劃算法并且多以"離線形式" 為存在沖突的船舶規(guī)劃解脫軌跡，由此造成各個(gè)船舶解脫軌跡的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和魯棒性較 差。此外，在船舶實(shí)際航行中，受氣象條件、導(dǎo)航設(shè)備以及駕駛員操作等各種因素的影響，它 的運(yùn)行狀態(tài)往往不完全屬于某一特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在船舶軌跡預(yù)測過程中需要考慮各種隨 機(jī)因素的影響，通過獲取各類隨機(jī)因素的最新特性對其未來軌跡實(shí)施滾動(dòng)預(yù)測并增強(qiáng)其軌 跡預(yù)測的魯棒性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種魯棒性較好的航海交通管制方法，該方法的 船舶軌跡預(yù)測精度較高且可有效防止船舶運(yùn)行沖突。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種航海交通管制方法，包括如下幾個(gè)步驟：
[0006] ①通過海面雷達(dá)獲得船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維 位置序列X' =[χ/，x2' ]和y' =[y/，y2'，…，丫/ ]，通過應(yīng)用小波變 換理論對原始離散二維位置序列X' =[x/ ,X2'，...，χη']和y' =[y/，y；/，...，yn']進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列χ=[χρχ2, ...，χη]和y= Ly1,J2, ,yn]；
[0007] ②在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)步驟①得到的船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息滾動(dòng)推測未來 時(shí)段內(nèi)船舶的軌跡，其具體過程如下：
[0008]2. 1)船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，依據(jù)所獲取的船舶原始離散二維位置序列X= [Xl， x2,. . .，xn]和y= [yi，y2,. . .，yn]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的船舶離散位置 序列Δχ= [Ax1,Δχ2，···，Axn-J和Ay= [Ay1,Ay2,.··，Ayn-J，其中Axi=Xw-Xi, Ayi= y i+i1i(i = 1，2,· ··，η-1);
[0009] 2. 2)對船舶軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的船舶離散二維位置序列Λx和Λy，通過 設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；
[0010] 2. 3)在每一采樣時(shí)刻對船舶軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將 處理后的船舶運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)八1和Ay視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài) 數(shù)目N和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動(dòng)獲取最新 隱馬爾科夫模型參數(shù)λ';
[0011] 2. 4)依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的 隱狀態(tài)q;
[0012] 2.5)在每一采樣時(shí)刻，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域W，基于船舶當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，獲取 未來時(shí)段船舶的位置預(yù)測值〇 ;
[0013] ③在每一采樣時(shí)刻，基于船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取海域風(fēng) 場變量的數(shù)值；
[0014] ④在每一采樣時(shí)刻，基于各船舶的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定的船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足 的安全規(guī)則集，當(dāng)船舶間有可能出現(xiàn)違反安全規(guī)則的狀況時(shí)，對其動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為 海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息；
[0015] ⑤當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足船舶物理性能和海域交通規(guī)則的前提下，通過設(shè)定 優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)以及融入風(fēng)場變量數(shù)值，采用自適應(yīng)控制理論方法對船舶避撞軌跡進(jìn)行滾動(dòng) 規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，其具體過程如下：
[0016] 5. 1)設(shè)定船舶避撞軌跡規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域Θ、軌跡預(yù) 測時(shí)域W;
[0017] 5. 2)設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過給 各個(gè)船舶賦予不同的權(quán)重以及融入實(shí)時(shí)風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個(gè)船舶的避撞軌跡和避 撞控制策略并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，且各船舶在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè) 優(yōu)化控制策略；
[0018] 5. 3)在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟5. 2)直至各船舶均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟①中，通過應(yīng)用小波變換理論對原始離散二維位置序列X'= [χ/，χ2'，…，乂/ ]和y' =[y/，y2'，…，又/ ]進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的 去噪離散二維位置序列X=[χρχ2,...，χη]和y= [yi，y2,...，yn]:對于給定的原始二維 序列數(shù)據(jù)V=[χ/，χ，，...，χη']，利用如下形式的線性表達(dá)式分別對其進(jìn)行近似： I[xI=YjcJxVjx{x') VJ，
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種航海交通管制方法，其特征在于包括如下幾個(gè)步驟： ① 通過海面雷達(dá)獲得船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維位置 序列X' =[x/，x2'，...，xn']和y' =[y/，y2'，...，yn']，通過應(yīng)用小波變換理 論對原始離散二維位置序列X' =[x/，x2' ,...,x/ ]和y' =[y/，y2' ,...,y/ ] 進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x= [X1,x2, . . .，xn]和y=Iiy1, y2，? --，yJ; ② 在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)步驟①得到的船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息滾動(dòng)推測未來時(shí)段 內(nèi)船舶的軌跡，其具體過程如下： 2. 1)船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，依據(jù)所獲取的船舶原始離散二維位置序列X= [Xl，x2，...， xn]和y= [yi，y2, ...，yn]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的船舶離散位置序列 Ax= [Ax1,Ax2,. ? ?，Axn_J和Ay= [Ay1,Ay2,. ? ?，Ayn_J，其中Axi=xi+1_zi，Ayi =yi+i-yi(i= 1，2, ? ? ?，n-1); 2.2) 對船舶軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的船舶離散二維位置序列Ax和Ay，通過設(shè)定 聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類； 2. 3)在每一采樣時(shí)刻對船舶軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處理 后的船舶運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)Ax和Ay視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù)目N 和參數(shù)更新時(shí)段t'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動(dòng)獲取最新隱馬爾 科夫模型參數(shù)A ; 2. 4)依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的隱狀 態(tài)q; 2. 5)在每一采樣時(shí)刻，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域W，基于船舶當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，獲取未來 時(shí)段船舶的位置預(yù)測值〇 ; ③ 在每一采樣時(shí)刻，基于船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取海域風(fēng)場變 量的數(shù)值； ④ 在每一采樣時(shí)刻，基于各船舶的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定的船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安 全規(guī)則集，當(dāng)船舶間有可能出現(xiàn)違反安全規(guī)則的狀況時(shí)，對其動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上 交通控制中心提供及時(shí)的告警信息； ⑤ 當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足船舶物理性能和海域交通規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化 指標(biāo)函數(shù)以及融入風(fēng)場變量數(shù)值，采用自適應(yīng)控制理論方法對船舶避撞軌跡進(jìn)行滾動(dòng)規(guī) 劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，其具體過程如下： 5. 1)設(shè)定船舶避撞軌跡規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域?、軌跡預(yù)測時(shí) 域W; 5. 2)設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過給各個(gè) 船舶賦予不同的權(quán)重以及融入實(shí)時(shí)風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個(gè)船舶的避撞軌跡和避撞控 制策略并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，且各船舶在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化 控制策略； 5.3) 在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟5. 2)直至各船舶均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟①中，通過應(yīng) 用小波變換理論對原始離散二維位置序列X' =[x/，x2'，...，xn']和y' =[y/， y2'，...，y/ ]進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x= [X1,x2,...,xn]和y= [y,，y2, ...，yn]:對于給定的原始二維序列數(shù)據(jù)X' = [Xi'，X2'，...，x/ ]，
f' (X')表示對數(shù)據(jù)平滑處理后得到的函數(shù)表達(dá)式，V(X')表示母波，S、J和K均 為小波變換常數(shù)，)表示母波的轉(zhuǎn)換形式，c"表示由小波變換過程得到的函數(shù)系 數(shù)，它體現(xiàn)了子波K(x')對整個(gè)函數(shù)近似的權(quán)重大小，若此系數(shù)很小，那么它意味著子 波V1,K(x')的權(quán)重也較小，因而可以在不影響函數(shù)主要特性的前提下，從函數(shù)近似過程 中將子波V1,K(x')除去；在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，通過設(shè)定閾值X來實(shí)施"閾值轉(zhuǎn)換"， 當(dāng)C1,K<X時(shí)，設(shè)定Cl,K=0;閾值函數(shù)的選取采用如下兩種方式：
對于y' =[y/，y2'，...，yn']，也采用上述方法進(jìn)行去噪處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟②中，步 驟2. 3)中確定航跡隱馬爾科夫模型參數(shù)A'=( ，A，B)的過程如下： 2. 3. 1)變量賦初值：應(yīng)用均勻分布給變量Jii，ajPb>k)賦初值<，4和并 使其滿足約束條件：1，K1S〇'）和！TA(?MUW，由此得 到入Q=(ji(^。，8(|)，其中〇1;表示某一顯觀測值，11 (|人和8(|分別是由元素<、4和￥構(gòu) 成的矩陣，令參數(shù)1=0,〇= (〇", +1，...，〇^，〇1)為當(dāng)前時(shí)刻t之前的T'個(gè)歷史位置觀 測值； 2. 3. 2)執(zhí)行E-M算法： 2. 3. 2. 1)E-步驟：由X1計(jì)算 &e(i，j)和 Ye(Si);
31i，aij和b」(ok)并由此得到入1+1; 2. 3. 2. 3)循環(huán)：1 = 1+1，重復(fù)執(zhí)行E-步驟和M-步驟，直至JIp和b^ok)收斂，即 屮(0|入1+1)-卩( 0|入1)|<￡，其中參數(shù)￡=〇.〇〇〇〇1，返回步驟2.3.2.4) ; 2. 3.2.4):令入'=入1+1，算法結(jié)束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟② 中，步驟2. 4)確定船舶航跡最佳隱狀態(tài)序列的迭代過程如下： 2. 4. 1)變量賦初值：令g= 2, @r (Si) =I(SiGS), 5 工（Si) = (O1)，V! (Si)= 〇,其中，
其中變量￥?表示使變量取最大值的船舶航跡隱狀態(tài)Si,參數(shù)S表示 隱狀態(tài)的集合；
2. 4. 3)時(shí)刻更新：令g=g+1，若g<T'，返回步驟2. 4. 2)，否則迭代終止并轉(zhuǎn)到步驟 2. 4. 4)；
2. 4. 5)最優(yōu)隱狀態(tài)序列獲?。? 2.4. 5.1)變量賦初值：令g=T' -1; 2. 4. 5. 2)后向遞推：知=%+1 (^g+1); 2. 4. 5. 3)時(shí)刻更新：令g=g-1，若g彡1，返回步驟2. 4. 5. 2)，否則終止。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟② 中，聚類個(gè)數(shù)M'的值為4,隱狀態(tài)數(shù)目N的值為3,參數(shù)更新時(shí)段t'為30秒，T'為10， 預(yù)測時(shí)域W為300秒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟③ 獲取海域風(fēng)場變量的數(shù)值的具體過程如下： 3. 1)設(shè)定船舶的停靠位置為軌跡參考坐標(biāo)原點(diǎn)并在水平面上建立橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo) 軸； 3. 2)在船舶處于直線運(yùn)行狀態(tài)和勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場線性濾波模型 叉1(七+厶1：)=?(1：)叉1(1：)+￥(1：)和2(1：)=11(1：)叉 1(1：)+￥(1：)獲取風(fēng)場變量數(shù)值，其中厶1：表示 采樣間隔，X1U)表示t時(shí)刻的狀態(tài)向量，Z(t)表示t時(shí)刻的觀測向量，且X1 (t) = [X(t)， 又(1：)，￥!￡(1：)，￥7(1：)，￥ !￡(1：)，'\^(1：)]1，其中1(1：)和7(1：)分別表示1：時(shí)刻船舶位置在橫坐標(biāo)軸 和縱坐標(biāo)軸上的分量，Vx (t)和Vy (t)分別表示t時(shí)刻船舶速度在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上 的分量，Wx (t)和wy (t)分別表不t時(shí)刻風(fēng)場數(shù)值在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，F(xiàn)(t)和 H(t)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統(tǒng)噪聲向量和測量 噪聲向量：
在船舶處于變速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場非線性濾波模型X1 (t+At) =W(t，X1U),u(t))+w(t)、z(t) =Q(t，xJtD+vU)和U(t) =[C0a(t) ,Ya(t)]T，其中W( ?) 和Q(?)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，《a(t)和Ya(t)分別表示轉(zhuǎn)彎率和加 速率：
3. 3)根據(jù)所構(gòu)建的濾波模型獲取風(fēng)場變量的數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟④ 中對各船舶的動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息的具體過程 如下： 4. 1)構(gòu)造船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集D"(t) >Dmin，其中D"(t)表示任 意兩個(gè)船舶m和船舶r在t時(shí)刻的距離，0_表示船舶間的最小安全距離； 4. 2)依據(jù)采樣時(shí)間，建立由船舶連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)至離散采樣狀態(tài)的觀測器A:r-S，其 中r表示船舶的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，S表示船舶的離散采樣狀態(tài)； 4. 3)當(dāng)船舶m和r的觀測器A，Ar的離散觀測數(shù)值S，Sr在t時(shí)刻表明該向 量不在安全規(guī)則集中時(shí)，即關(guān)系式D"(t)SDminF成立時(shí)，立刻向海上交通控制中心發(fā)出告 警信息。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：步驟⑤中，步 驟5.2)的具體過程是:令4 =I巧(0-埒1:=(?-4)2+(?-欠)2， 其中表示t時(shí)刻船舶R當(dāng)前所在位置和下一航道點(diǎn)間的距離的平方，Pk(t) = (xKt，yRt)，A- (?，);i?)，那么t時(shí)刻船舶R的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：
其中Zt表示t時(shí)刻海域內(nèi)存在沖突的船舶數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，船舶距離 其下一航道點(diǎn)越近，其優(yōu)先級越高； 設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)
，其中Rel(t)表示船舶代碼且I(t) = {1，2, ...，Zt}，PK(t+hAt)表示船舶在 時(shí)刻（t+hAt)的位置向量，P/表示船舶R的解脫終止點(diǎn)，uK表示待優(yōu)化的船舶R的最 優(yōu)控制序列，Qm為正定對角矩陣，其對角元素為船舶R在t時(shí)刻的優(yōu)先級指數(shù)LKt，并且
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的一種航海交通管制方法，其特征在于：所述步驟⑤ 中終止參考點(diǎn)位置P設(shè)定為船舶運(yùn)行的下一個(gè)航道點(diǎn),避撞策略控制時(shí)域?為300秒；軌 跡預(yù)測時(shí)域W為300秒。
【文檔編號】G08G3/00GK104504934SQ201410849264
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】韓云祥, 趙景波, 李廣軍 申請人:江蘇理工學(xué)院