一种沿海商渔船碰撞高风险区可视化分析方法

本发明属于船舶航行安全预警，具体涉及一种沿海商渔船碰撞高风险区可视化分析方法。

背景技术：

1、每年开渔季也是商渔船碰撞事故的高发季。虽然很多渔船都配备了gps、ais和北斗定位系统，但由于商船对渔船的作业习惯、作业方式和作业区域不熟悉，对渔区及碰撞高风险区重视程度不够，发现危险时商渔船之间又难以进行有效通信，最终导致碰撞事故的发生。商渔船碰撞高航行危险区的可视化对通航安全有重要意义，一方面可以对通航密度较大区域的船舶发送注意航行危险预警，以减少海上事故的发生；另一方面了解商渔船的主要航行路线和作业区域后，也可以实现错峰航行，对监管部门来说也能有针对性的实行监管。然而商船和渔船的操纵特性、航行环境和风险标准大相径庭，如何提出一个风险量化模型，量化不同区域的碰撞风险是具有挑战性的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种沿海商渔船碰撞高风险区可视化分析方法，不同会遇态势下的危险数据进行可视化分析，得出的商渔船高风险碰撞区域合理性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种沿海商渔船碰撞高风险区可视化分析方法，所述方法包括如下步骤：

4、步骤1：获取ais数据；

5、步骤2：对ais数据进行预处理；

6、步骤3：船舶分为商船和渔船，当前船舶为商船时，直接获取商船的船长和船宽；当前船舶为渔船时，则根据会遇数据对渔船进行作业状态识别，获取渔船的船长和船宽；

7、步骤4：提取预处理后ais数据中的会遇数据；

8、步骤5：建立当前船舶和目标船舶的船舶领域模型，获取当前船舶与目标船舶之间的桅灯光照距离d、最小会遇距离dcpa和最小会遇时间tcpa；

9、步骤6：根据桅灯光照距离d、最小会遇距离dcpa和最小会遇时间tcpa判断两个船舶之间是否会形成会遇局面；

10、步骤7：当形成会遇局面时，获取两个船舶之间的会遇态势；

11、步骤8：根据两个船舶的船舶领域模型判断两个船舶的船舶领域是否有交集，有交集则获取两船之间的碰撞风险度，并相互保存对方船舶的会遇数据至冲突数据集中，否则驶让过清；

12、步骤9：根据碰撞风险度评判船舶会遇整个会遇过程的碰撞危险大小，并对会遇数据进行可视化操作。

13、进一步的，步骤2进一步具体为：

14、步骤2.1：清除ais数据中的异常数据和重复数据，其中异常数据主要包括经纬度错误数据、取值超范围数据和错误mmsi标识码数据，重复数据包括船速小于1kn的船舶；

15、步骤2.2：根据mmsi标识码分离不同船舶的轨迹数据，再根据ais数据接收时间间隔初步分离同一船舶的不同的轨迹数据，再根据船速和航行距离筛选出经纬度漂移点，舍弃经纬度漂移点，得到正确的同一船舶的不同的轨迹数据，最后根据相邻两点的距离分离同一船舶的不同的轨迹数据，获取船舶子航迹，所述相邻两点的距离公式如下：

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19、其中，x和y是wgs84 坐标系下船舶每时刻的经纬度，c是相较于先前航行位置的角度；d是两位置之间的距离，r是地球半径，vk是单位为knot的航速, vm是单位为m/s的航速；

20、步骤2.3：采用分段三次埃尔米特插值法以ais数据中的经度、纬度、速度以及航向角构造三次埃尔米特插值函数，还原丢失数据。

21、进一步的，步骤3进一步具体为：船舶分为商船和渔船，根据渔船的ais数据中的轨迹数据特征，将渔船的状态分成三种正常航行、锚泊和作业。

22、进一步的，所述将渔船的状态分成三种正常航行、锚泊和作业中具体为：

23、将航速大于3kn，且10分钟以内航速航向都较为稳定的船舶认定为正常航行状态；

24、将航速小于2kn，10分钟以内有大量位置点接近或重复且移动距离小于0.1n mile的船舶认为是锚泊中的船舶；

25、对速度在2-5kn的渔船轨迹进行识别，判断渔船是否作业，如果发现渔船周围有其他渔船同样处于捕鱼状态且距离低于0.5n mile，则认为满足上述条件的渔船之间为协同作业，否则为单船作业。

26、进一步的，步骤4中所述提取预处理后ais数据中的会遇数据，其中会遇数据包括：mmsi标识码、船舶子轨迹和按时间顺序分类的船舶子轨迹。

27、进一步的，步骤5中进一步具体为：

28、步骤51：商船采用fujii模型建立船舶领域模型，渔船的船舶领域模型为圆形，单船作业下渔船的领域半径设置为0.5n mile，协同作业下以单个渔船作为目标渔船，将其余协同作业的渔船作为多边形上的点，将多边形的外接圆作为整体计算渔船的船舶领域模型；

29、步骤52：获取两个船舶之间的最小会遇距离dcpa和最小会遇时间tcpa；

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32、

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34、其中，va为当前船舶航速，为当前船舶航向；vb目标船舶航速，为目标船舶航向，vr为两船的相对速度，表示本船位置与目标船位置及最近会遇点位置三个位置的夹角，ot是两船之间的距离，是当前船舶到最近会遇点的距离，d代表两个轨迹点的相对距离。

35、进一步的，步骤6进一步具体为：当桅灯光照距离小于6n mile，最小会遇距离dcpa小于2n mile，最小会遇时间tcpa大于0，则形成会遇局面。

36、进一步的，步骤7进一步具体为：以本船的船首方向a0设置为相对0方位，通过目标船舶的船首方向at与本船的船首方向a0的夹角判断会遇态势，具体如下：

37、当175°≤目标船舶的船首方向at＜185°，此时两船为对遇态势；

38、当30°≤目标船舶的船首方向at＜175°或185°≤目标船舶的船首方向at＜330°，此时两船为交叉相遇态势；

39、当0°≤目标船舶的船首方向at＜30°或330°≤目标船舶的船首方向at＜360°，此时两船为追越态势。

40、进一步的，步骤8中，有交集则获取两船之间的碰撞风险度，其中碰撞风险度的获取方式为：根据最小会遇距离dcpa和最小会遇时间tcpa获取船舶的碰撞风险度，如下式：

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42、进一步的，根据渔船作业状态获取安全会遇距离阈值。

43、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

44、（1）本发明根据不同作业特征下渔船的航行轨迹特点不同来对渔船的作业状态进行识别，在分析会遇危险时重点关注作业中的渔船。

45、（2）提取商渔船会遇风险数据。研究水域是近海水域，故采用fujii船舶领域来判断会遇时有无风险，另外通过dcpa和tcpa计算船舶碰撞危险度来实时量化会遇时碰撞风险，对于作业中的渔船船舶领域设置为0.5n mile，协同作业的渔船整体计算船舶领域保证与没艘船会遇安全距离在0.5n mile以上。

46、（3）本发明能够确定研究水域的商渔船高风险碰撞区域，实验对不同会遇态势下的危险数据进行可视化分析，得出的商渔船高风险碰撞区域合理性，功能性好。