一种面向VTS系统的船舶碰撞告警方法与流程

本发明涉及船舶交通管理领域，特别是一种面向vts系统的船舶碰撞告警方法。

背景技术：

1、vts系统(船舶交通管理系统)，是由雷达子系统、ais子系统、多源融合子系统、交管终端子系统等组成，满足港口及沿海船舶交通的实时监控需求，减少交通事故的发生，为船舶提供航行所需的安全信息。

2、随着水上航运业的发展、船舶种类的增多，尤其是长江内河水域，水上交通事故时有发生，且多为碰撞事故，因此，监测水域船舶的碰撞告警成为海事安全监管的的工作重点。

3、传统的船舶碰撞预警主要是通过计算dcpa(最近会遇距离)、tcpa(最小会遇时间)，并设置预警阈值的方式进行实现。其中预警阈值通常设置为固定阈值，固定阈值会导致产生大量的误告警或者漏告警，且航向航速异常数据也可能导致dcpa计算的误告警，因此，基于固定阈值的dcpa/tcpa碰撞预警会给vts值班员带来困扰，无法为海事用户提供更好的安全监管辅助。

4、两船舶到达最近会遇点时，危险碰撞风险达到最高值，经过最近会遇点后，风险系数其实并未真正解除，从船舶航行的实际应用场景角度出发，碰撞事故往往发生在经过最近会遇点后的几分钟时间内，其本船或者目标船舶的航向发生大角度转向，或者任一航速发生突变，因此，船舶到达最近会遇点后的一段时间内，出于海事安全监管角度出发，仍需要继续进行碰撞监测。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种面向vts系统的船舶碰撞告警方法，该面向vts系统的船舶碰撞告警方法实现了重点监控航道中的船舶碰撞风险预警与碰撞监测告警，并且在基于最近会遇距离与最小会遇时间的碰撞风险预估基础上，结合本船与其他目标船的相对距离、船舶尺寸与ais设备位置、时间因子等多种碰撞风险影响因子，避免了固定阈值或航迹航向航速异常带来的误告警问题，提高了碰撞告警准确性，同时考虑转向率、加速度等因素，从船舶航行的实际应用场景角度出发进行碰撞监测告警判定，为vts值班员提供智能决策支持。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种面向vts系统的船舶碰撞告警方法，包括如下步骤。

4、步骤1、采集船舶ais与雷达融合数据信息：从vts系统的多源融合子系统中，按照设定采集时间段t0，实时采集待监控预警区域内每艘船舶的ais数据及ais与雷达融合后的船舶动态信息，包括船舶尺寸、经纬度、航向、航速和转向率。

5、步骤2、空间约束筛选目标船舶，具体包括如下步骤：

6、步骤2-1、设置距离约束阈值dm。

7、步骤2-2、坐标转换：在每个采集时间段t0内，均将本船与目标船舶的经纬度位置信息转化为直角坐标系下的位置信息。

8、步骤2-3、空间约束筛选：将本船与目标船舶在水平坐标轴上距离差小于dm，同时在垂直坐标轴上距离差也小于dm的目标船舶，确定为符合空间约束的目标船舶。

9、步骤3、航速约束，具体包括如下步骤：

10、步骤3-1、首先设定航速约束阈值vm。

11、步骤3-2、本船航速约束：在每个采集时间段t0内，均将本船航速，与vm进行比较，当本船航速大于vm时，跳转至步骤4；否则，跳转至步骤1。

12、步骤3-3、航速约束筛选目标船舶：在每个采集时间段t0内，从符合空间约束的目标船舶中，筛选出航速大于vm的目标船舶，确定为符合航速约束的目标船舶。

13、步骤4、相对位置及航向约束：当本船与符合航速约束的目标船舶a以相同或相近航向同向行驶，且目标船舶a位于本船后方，且目标船舶a的航速小于前方的本船航速，则本船与目标船舶a，在当前采集时间段t0不存在碰撞风险，跳转至步骤1；否则，进入步骤5。

14、步骤5、计算dcpa和tcpa：利用本船与目标船舶的位置、航向和航速信息，计算出最近会遇距离dcpa和最小会遇时间tcpa。

15、步骤6、碰撞预警条件判断，具体包括如下步骤：

16、步骤6-1、设置碰撞预警阈值：碰撞预警阈值包括dcpa阈值和tcpa阈值tcpahold；其中，dcpa阈值包括一级碰撞预警dcpa阈值dcpahold1、二级碰撞预警dcpa阈值dcpahold2和三级碰撞预警dcpa阈值dcpahold3，且dcpahold1＜dcpahold2＜dcpahold3；dcpahold1、dcpahold2和dcpahold3均根据本船长度、目标船舶长度、以及ais在本船或目标船舶中的设置位置确定。

17、步骤6-2、碰撞预警条件判断：在每个采集时间段t0内，将步骤5计算的dcpa和tcpa，与步骤6-1设置的碰撞预警阈值进行比较，并判断如下：

18、a、当dcpa＜dcpahold1且tcpa＜tcpahold时，判断采集时间段t0内满足一级碰撞预警条件。

19、b、当dcpahold1≤dcpa＜dcpahold2且tcpa＜tcpahold时，判断采集时间段t0内满足二级碰撞预警条件。

20、c、当dcpahold2≤dcpa＜dcpahold3且tcpa＜tcpahold时，判断采集时间段t0内满足三级碰撞预警条件。

21、步骤7、碰撞预警，具体包括如下步骤：

22、步骤7-1、设置碰撞预警持续时间阈值tm。

23、步骤7-2、碰撞预警：在a个连续的采集时间段t0内，重复步骤1至步骤6，统计碰撞预警条件满足次数及持续时间，并判断如下：

24、a、当一级碰撞预警条件持续时间超过tm，则进行一级碰撞告警。

25、b、当二级碰撞预警条件持续时间超过tm，则进行二级碰撞告警。

26、c、当三级碰撞预警条件持续时间超过tm，则进行三级碰撞告警。

27、还包括步骤8、船舶碰撞监测：当本船与目标船舶满足步骤7中任一碰撞预警后，需对本船与目标船舶分别进行碰撞监测，具体监测方法包括如下步骤：

28、步骤8-1、设定会遇监测时间阈值tcm：tcm为本船与目标船舶在tcpa＝0会遇后的监测时段。

29、步骤8-2、航向突变监测：在tcm内的n个采集时间段t0内，采集并计算本船与目标船舶的平均转向率；接着，将平均转向率与设定的航向转向率阈值rotm进行比较；当任一船舶的平均转向率大于rotm，则判断为航向突变。

30、步骤8-3、航速突变监测：在tcm内的n个采集时间段t0内，分别采集并计算本船与目标船舶的加速度值；接着，将n个加速度值逐个与设定的加速度阈值am进行比较；当任一船舶的加速度值大于am时，记录一次加速度异常；当加速度异常次数不小于设定加速度次数阈值时，则判断为航速突变；

31、步骤8-4、船舶碰撞监测告警：当步骤8-2监测到航向突变或步骤8-3监测到航速突变，则均进行船舶碰撞监测告警。

32、步骤8-3中，加速度次数阈值为(m-1)/2。

33、步骤2中，dm＝1海里。

34、步骤4中，本船后方包括本船正后方和本船斜后方；目标船舶a位于本船后方的判断方法，包括如下步骤：

35、步骤4-1、设置航向夹角阈值cm。

36、步骤4-2、确定并计算向量夹角：以目标船舶a的位置指向本船位置为向量a，以本船航向方向为向量b，计算向量a与向量b之间的夹角。

37、步骤4-3、本船后方判断：根据步骤4-2计算的向量夹角，以及夹角阈值cm，确定目标船舶a是否位于本船后方。

38、步骤6-1中，dcpahold1、dcpahold2和dcpahold3的计算公式分别为：

39、

40、dcpahold2＝§*(l1+l2)

41、dcpahold3＝l1+l2

42、其中：

43、l1＝la1+lb1

44、式中，l1为本船的总长度；

45、l2为目标船舶的总长度。

46、la1为本船中ais安装位置至本船船艏的距离。

47、lb1为本船中ais安装位置至本船船尾的距离。

48、lb2为目标船舶中ais安装位置至其船船尾的距离；

49、la3为位于本船后方且与本船同向行驶的目标船舶中ais安装位置至其船艏的距离；

50、§为二级预警系数，取值范围为0.5～0.9。

51、步骤6-1中，§＝0.7。

52、步骤5中，在dcpa和tcpa计算完成后，需判断dcpa和tcpa的有效性，具体判定方法，包括如下步骤：

53、步骤5-1、建立直角坐标系：以本船为坐标原点o，以正东方向为x轴正向，以正北方向为y轴正向，建立笛卡尔直角坐标系。

54、步骤5-2、获取目标船t所处象限：将目标船t与本船进行连线，将连线与x轴正向的夹角，记为两船夹角rela；其中，逆时针为正；从而，得到目标船t在直角坐标系中所处的象限。

55、步骤5-3、计算cr：将目标船t相对于本船o的相对速度记为vr，则cr为vr的航向角。

56、步骤5-4、判断两船移动趋势：移动趋势包括逐渐接近和逐渐远离；根据cr与rela的关系，判断目标船t与本船的移动趋势；当判断为逐渐接近时，则计算的dcpa和tcpa为有效值，进入步骤6；当判断为逐渐远离时，则计算的dcpa和tcpa为无效值，跳转至步骤1。

57、步骤5-4中，当目标船t与本船的移动关系为逐渐接近和逐渐远离的耦合时，需判定夹角rela的实时斜率krela与cr的垂直斜率khold的关系，进一步确认目标船t与本船的移动趋势。

58、当目标船t处于直角坐标系中的第一象限，则两船移动趋势的判断方法为：

59、a、当0≤cr＜(rela+π/2)时，目标船t相对本船的移动趋势为逐渐远离。

60、b、当(rela+3π/2)＜cr＜2π时，目标船t相对本船的移动趋势为逐渐远离。

61、c、当π≤cr＜(3π/2)时，目标船t相对本船的移动趋势为逐渐接近。

62、d、当(rela+π/2)≤cr≤π或(3π/2)≤cr≤(rela+3π/2)时，目标船t相对本船的移动关系为先逐渐接近再逐渐远离；此时，需判定夹角rela的实时斜率krela与cr的垂直斜率khold的关系，具体判断方法为：

63、(1)当(rela+π/2)≤cr≤π且krela≤khold时，目标船t相对本船的移动趋势为逐渐接近。

64、(2)当(rela+π/2)≤cr≤π且krela≥khold时，目标船t相对本船的移动趋势为逐渐远离。

65、(3)当(3π/2)≤cr≤(rela+3π/2)且krela≥khold时，目标船t相对本船为逐渐接近。

66、(4)当(3π/2)≤cr≤(rela+3π/2)且krela<khold时，目标船t相对本船为逐渐远离。

67、本发明具有如下有益效果：

68、在基于最近会遇距离与最小会遇时间的碰撞风险预估基础上，结合本船与其他目标船的相对距离、船舶尺寸与ais设备位置、时间因子等多种碰撞风险影响因子，避免了固定阈值或航迹航向航速异常带来的误告警问题，提高了碰撞告警准确性；并且从空间约束因子、航速约束因子、航向方位约束因子等条件剔除部分目标船舶，减少了部分不必要的告警；同时考虑转向率、加速度等因素，从船舶航行的实际应用场景角度出发进行碰撞监测告警判定，为vts值班员提供智能决策支持，辅助水域交通监管及航行安全指导，从而缓解交管值班压力。