一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置

1.本发明涉及船舶航行技术领域，具体涉及一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置。


背景技术：

2.船舶是人类探索海洋、利用海洋的工具和载体，随着各国对海洋领域的探索不断深入，智能船舶相关研究取得了一些进展。当前阶段，在智能装备研制集成和智能算法开发优化等船舶智能化研究的带动下，针对这些软硬件的测试验证需求逐渐增加，进而推动了以衡量船舶智能化程度、可靠性水平和功能实现完整度为目标的智能船舶测试验证技术的发展，研究其相应的智能航行功能测试与验证技术是当下核心技术需求之一。
3.对于开阔水域航行船舶，航行的过程充满的未知的情况。在船舶航行的过程中，如果与其他船舶发生碰撞，比陆地上更加危险，但是，现有技术中，无法在船舶进行真实航行之前，对系统的避碰功能进行测试，导致船舶通过系统进行航行时，无法对船舶的安全进行保证。
4.因此，急需提出一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置，解决现有技术中无法对系统的避碰功能进行测试，导致船舶通过系统进行航行时，无法对船舶的安全进行保证的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置，用以解决现有技术中无法对系统的避碰功能进行测试，导致船舶通过系统进行航行时，无法对船舶的安全进行保证的问题。
6.一方面，本发明提供了一种基于避碰规则的船舶航行测试方法，包括：
7.获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；
8.根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
9.根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；
10.根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。
11.在一些可能的实现方式中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度，包括：
12.根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标；
13.根据碰撞危险度模型对所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述目标船舶领域和所述目标船舶领域进行计算，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度。
14.在一些可能的实现方式中，所述第一航行信息包括所述本船的第一航行坐标；
15.所述根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标包括：
16.根据所述本船和所述目标船舶领域，确定所述目标船舶领域中虚拟船；
17.根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换，得到所述虚拟船的第二航行坐标。
18.在一些可能的实现方式中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：
19.当所述障碍船为多个时，根据所述本船相对于每个障碍船的碰撞危险度，将所有碰撞危险度的最大值对应的障碍船，确定为目标障碍船；
20.根据所述第一航行信息、所述目标障碍船的所述第二航行信息、所述目标障碍船的所述碰撞危险度和所述本船相对于所述目标障碍船的所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案。
21.在一些可能的实现方式中，所述碰撞危险度模型的计算公式为：
[0022][0023]
式中，上标t表示当前时刻；下标o和r分别表示本船和障碍船；a、b分别表示椭圆长、短轴长；v、c分别表示航速、航向；(xo，yo)、(x1，y1)、(xr，yr)分别表示本船、虚拟船、障碍船在大地坐标系中的位置；q表示目标船相对本船的舷角，19
°
表示船舶领域中本船相对虚拟船的偏心角。
[0024]
在一些可能的实现方式中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：
[0025]
根据所述碰撞危险度，判断所述本船与所述障碍船是否存在碰撞危险；
[0026]
若是，则根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，确定当前所处阶段；
[0027]
根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案。
[0028]
在一些可能的实现方式中，所述根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案，包括：
[0029]
当所述当前所处阶段为自由行动阶段时，确实控制所述本船自由行动的避碰方案；
[0030]
当所述当前所处阶段为碰撞危险阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，确定所述本船与所述障碍船的最小会遇时间和会遇距离；根据所述最小会遇时间和所述会遇距离，确定所述目标会遇场景对应的避碰方案；
[0031]
当所述当前所处阶段为紧迫阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，分别确定所述本船和所述障碍船的避碰方案；
[0032]
当所述当前所处阶段为紧迫危险阶段时，确定所述本船与所述障碍船发送碰撞，
采取紧急措施的避碰方案。
[0033]
在一些可能的实现方式中，所述根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域，包括
[0034]
根据所述预设数量的会遇场景，设置每个会遇场景对应的所述本船的船舶领域；
[0035]
根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域。
[0036]
在一些可能的实现方式中，所述根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换的公式为：
[0037][0038]
式中，a、b分别表示椭圆长、短轴长；rd表示虚拟船沿真实本船船位到船舶领域边界的距离；c0表示本船目标航向；(x0，y0)，(x1，y1)分别表示本船、虚拟船在随船坐标系中的坐标。
[0039]
另一方面，本发明还提供了一种基于避碰规则的船舶航行测试装置，包括：
[0040]
信息获取模块，用于获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；
[0041]
领域确定模块，用于根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
[0042]
危险度确定模块，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；
[0043]
方案确定模块，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。
[0044]
采用上述实施例的有益效果是：获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。本发明通过本船和障碍船的航行信息，对本船与障碍船的目标会遇场景和碰撞危险度进行判断，从而可以判断本船与障碍船是否有碰撞危险，起到对系统的碰撞功能进行测试的作用，还可以通过碰撞危险度、目标船舶领域和目标会遇场景，确定本船的避碰方案，从而可以使本船根据避碰方案进行控制，实现系统的避碰控制，完成基于避碰规则的船舶航行测试，提高船舶航行的安全性。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明提供的基于避碰规则的船舶航行测试方法的一个实施例流程示意图；
[0047]
图2为本发明提供的各相遇场景中的船舶领域模型的一个实施例结构示意图；
[0048]
图3为本发明提供的碰撞危险度模型四个阶段的一个实施例结构示意图；
[0049]
图4为本发明提供的相对舷角的会遇辨识模型的一个实施例结构示意图；
[0050]
图5为本发明提供的基于避碰规则的船舶航行测试装置的一个实施例结构示意图；
[0051]
图6为本发明提供的电子设备的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
[0054]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
[0055]
本发明实施例提供了一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置，以下分别进行说明。
[0056]
图1为本发明提供的基于避碰规则的船舶航行测试方法的一个实施例流程示意图，如图1所示，基于避碰规则的船舶航行测试方法包括：
[0057]
s101、获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；
[0058]
s102、根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
[0059]
s103、根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；
[0060]
s104、根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。
[0061]
与现有技术相比，获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息
和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。本发明通过本船和障碍船的航行信息，对本船与障碍船的目标会遇场景和碰撞危险度进行判断，从而可以判断本船与障碍船是否有碰撞危险，起到对系统的碰撞功能进行测试的作用，还可以通过碰撞危险度、目标船舶领域和目标会遇场景，确定本船的避碰方案，从而可以使本船根据避碰方案进行控制，实现系统的避碰控制，完成基于避碰规则的船舶航行测试，提高船舶航行的安全性。
[0062]
应当理解的是：本发明可以应用于待测试自主航行系统上，可以将待测试自主航行系统相当于船舶的“驾驶员”，“驾驶员”通过“良好船艺”对船舶进行控制，“良好船艺”指“驾驶员”运用长期积累的航海经验在恰当时候采取的避碰行为。
[0063]
需要说明的是：预设数量的会遇场景可以包括对遇场景、交叉相遇场景和追越场景。
[0064]
在本发明的具体实施例中，待测试自主航行系统仅适用于开阔水域，各项测试在开阔水域中为宜。选取舟山岛以东部分海域作为基本测试场景。该水域绝大部分水深20m以上且少障碍物，大部分区域为开阔水域。各项测试内容将在基本测试场景中选取适宜区域进行测试。
[0065]
1、对遇场景设置单段计划航线，起点位置为(30
°
03'n,122
°
38'e)，终点位置为(30
°
11'n,122
°
36'e)，航线走向348，航线长度为8.183nm。选取ais历史数据中的某船作为代表性障碍船，取其恰当时刻航行状态作为初始状态，本船和障碍船初始状态见表1所示：
[0066]
表1.对遇局面场景中本船和障碍船初始状态
[0067][0068]
2、交叉相遇设置本船为让路船或本船为直航船2个场景。场景设置单段计划航线，当本船为让路船时，航线起点为(30
°
07.892'n,122
°
37.418'e)，终点为(30
°
02.81'n,122
°
30.084'e)，航线走向309，航线长度为8.125nm；当本船为直航船时，航线起点为(30
°
02.81'n,122
°
30.084'e)，终点为(30
°
10.365'n,122
°
35.957'e)，航线走向021，航线长度为10.817nm。选取ais历史数据中的某船作为代表性障碍船，取其恰当时刻航行状态作为初始状态。本船和障碍船初始状态见表2所示：
[0069]
表2.交叉相遇局面场景中本船和障碍船初始状态
[0070][0071]
[0072]
3、追越场景设置单段计划航线，起点位置为(30
°
n,122
°
31.439'e)，终点位置为(30
°
11.066'n,122
°
36.151'e)，航线走向020，航线长度为11.771nm。选取ais历史数据中的某船作为代表性障碍船，取其恰当时刻航行状态作为初始状态。本船和障碍船初始状态见表3所示：
[0073]
表3.追越场景中本船和障碍船初始状态
[0074][0075]
4、多船会遇场景设置单段计划航线，起点位置为(30
°
03'n,122
°
38'e)，终点位置为(30
°
11'n,122
°
36'e)，航线走向348，航线长度为8.183nm。选取ais历史数据中的某些船作为障碍船，取恰当时刻状态作为其初始状态，本船和障碍船初始状态见表4所示：
[0076]
表4.多船会遇场景中本船和障碍船初始状态
[0077][0078]
需要说明的是：可以根据本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，确定本船与障碍船的目标会遇场景，比如，根据本船和障碍船的计划航线、当前航向、当前位置和当前航速，可以确定本船和障碍船的目标会遇场景，目标会遇场景可以为对遇场景、交叉相遇场景和追越场景其中一个，当障碍船为多个时，可以分别确定本船与每个障碍船对应的目标会遇场景。
[0079]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域，包括
[0080]
根据所述预设数量的会遇场景，设置每个会遇场景对应的所述本船的船舶领域；
[0081]
根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域。
[0082]
需要说明的是：可以根据不同的场景，设置不同的船舶领域模型，得到每个场景中本船对应的船舶领域，在确定本船与障碍船的目标会遇场景之后，可以根据目标会遇场景确定本船的目标船舶领域，可以将障碍船进入本船的目标船舶领域即视为不安全，反之则为安全。
[0083]
在本发明的一些实施例中，所述第一航行信息包括所述本船的第一航行坐标；
[0084]
所述根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标包括：
[0085]
根据所述本船和所述目标船舶领域，确定所述目标船舶领域中虚拟船；
[0086]
根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换，得到所述虚拟船的第二航行坐标。
[0087]
在本发明的具体实施例中，如图2所示，可以将对遇场景和追越场景中的船舶领域模型设置成椭圆形，将交叉相遇场景中的船舶领域模型设置成圆形，其中，船舶领域模型设置有虚拟船，根据不同的场景，虚拟船的位置不同，图2中的a、b分别为椭圆长、短轴长，rd为虚拟船沿真实本船船位到船舶领域边界的距离，l为船长，本船与虚拟船距离为rd/4，偏心角设置为199
°
。圆形船舶领域半径r取6l，本船与虚拟船距离为r/2，其中，具体的船舶领域模型设置的形状、椭圆形的船舶领域中本船与虚拟船距离、偏心角、圆形船舶领域半径和圆形船舶领域中本船与虚拟船距离可以根据实际情况进行设置，本发明实施例在此不加以限制。
[0088]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度，包括：
[0089]
根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标；
[0090]
根据碰撞危险度模型对所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述目标船舶领域和所述目标船舶领域进行计算，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度。
[0091]
需要说明的是，船舶领域模型可以根据本船的位置与虚拟船的位置进行转换，得到虚拟船的坐标信息。
[0092]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换的公式如公式1所示：
[0093][0094]
式中，a、b分别表示椭圆长、短轴长；rd表示虚拟船沿真实本船船位到船舶领域边界的距离；c0表示本船目标航向；(x0，y0)，(x1，y1)分别表示本船、虚拟船在随船坐标系中的坐标。
[0095]
需要说明的是，为了对判断本船与障碍船是否存在碰撞危险，需要通过碰撞危险度模型计算本船与障碍船的碰撞危险度，在本发明的一些实施例中，所述碰撞危险度模型的计算公式如公式2所示：
[0096][0097]
式中，上标t表示当前时刻；下标o和r分别表示本船和障碍船；a、b分别表示椭圆长、短轴长；v、c分别表示航速、航向；(xo，yo)、(x1，y1)、(xr，yr)分别表示本船、虚拟船、障碍船在大地坐标系中的位置；q表示障碍船相对本船的舷角，19
°
表示船舶领域中本船相对虚拟船的偏心角。
[0098]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：
[0099]
根据所述碰撞危险度，判断所述本船与所述障碍船是否存在碰撞危险；
[0100]
若是，则根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，确定当前所处阶段；
[0101]
根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案。
[0102]
在本发明的具体实施例中，若对于任意时刻t，出现dis
(t)
＜0，则存在pcr；若出现dis
(t+1)
＞dis
(t)
＞0，则一定不存在pcr。
[0103]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案，包括：
[0104]
当所述当前所处阶段为自由行动阶段时，确实控制所述本船自由行动的避碰方案；
[0105]
当所述当前所处阶段为碰撞危险阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，确定所述本船与所述障碍船的最小会遇时间和会遇距离；根据所述最小会遇时间和所述会遇距离，确定所述目标会遇场景对应的避碰方案；
[0106]
当所述当前所处阶段为紧迫阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，分别确定所述本船和所述障碍船的避碰方案；
[0107]
当所述当前所处阶段为紧迫危险阶段时，确定所述本船与所述障碍船发送碰撞，采取紧急措施的避碰方案。
[0108]
需要说明的是：可以通过碰撞危险度模型确定避碰方案，碰撞危险度模型可以通过两船态势将船舶会遇过程划分成自由行动、碰撞危险、紧迫和紧迫危险阶段四个阶段。
[0109]
在本发明的具体实施例中，如图3所示，1、自由行动阶段，两船距离较远，而无碰撞危险时，两船可以自由行动，比如，长度为50m或50m以上的船舶，桅灯的最小能见距离为6nm。因此，一般可以认为两船距离在6nm以上时，两船均处于自由行动阶段。
[0110]
2、碰撞危险阶段，当两船由自由行动阶段不断驶近到某一时刻时，碰撞危险形成，该时刻称为碰撞危险形成点(ftcr)。同样的，两船继续驶近，导致紧迫形成，该时刻点称之为紧迫形成点(ftcs)。显然，碰撞危险阶段将一直延续至ftcs，比如，对遇的两船可以认为只要进入桅灯的照射范围，即两船距离小于6nm时，已经构成碰撞危险；若存在pcr的两船构
成追越，则说明两船在尾灯照射范围内，即两船距离小于3nm；两船为交叉相遇局面时，即使一船进入他船桅灯照射范围，两船可能因大角度交叉而慢速驶近，此时需要另定义碰撞危险形成的时间阈值加以限制。设定当前时刻到ftcs的时间为紧迫时间(tcs)，具体计算tcs的过程，可以根据实际情况进行设置，本发明实施例在此不加以限制。可以根据本船和障碍船的航线信息，得到本船与障碍船的最小会遇时间(tcpa)和两船之间的会遇距离(d)，具体得到tcpa和d的过程，可以根据实际情况进行设置，本发明实施例在此不加以限制。碰撞危险阶段tcs应小于20min(该时间阈值可由船长指定)。长度为50m或50m以上的船舶的舷灯的最小能见距离为3nm，因此一般可认为两船距离在3nm到6nm左右时，两船处于碰撞危险阶段，其中，上述过程中的距离值和时间值均可以根据实际情况进行设置，本发明实施例在此不加以限制。可以根据不同会遇场景中的ftcr判断条件如表5所示：
[0111]
表5.不同会遇场景下的ftcr判断标准
[0112][0113][0114]
在碰撞危险阶段，可以根据避碰规则中直航船和让路船的角色分配原则，以及让路规则确定本船在目标会遇场景中的避碰方案。
[0115]
3、紧迫阶段，构成碰撞危险而未进行避让的两船，继续驶近到单凭一船采取最有效的避碰行动也无法使两船在安全距离通过的阶段称为紧迫阶段，该阶段从ftcs起至紧迫危险形成点(ftid)。海上避碰实践中，能够自主控制的是本船，因此“单凭一船”在自动避碰中可以定义成“单凭本船”，所以在紧迫阶段过程中，“单凭本船”已经无法进行安全避让了，可以由本船的驾驶人和障碍船的驾驶人根据船舶的当前航行信息对船舶进行控制，进行避让。
[0116]
4、紧迫危险阶段，如果一船已经采取了最有效避让行动，两船仍然不可避免发生碰撞，则进入紧迫危险阶段，该阶段自ftid至碰撞发生。一般认为，如果两船重心的距离不大于两船船长之和的一半，则认为两船发生了碰撞，此时，可以由船舶的驾驶人根据自身经验采取紧急措施。
[0117]
在本发明的具体实施例中，还可以通过碰撞危险度模型计算碰撞危险度，碰撞危险度cri的计算应从空间碰撞危险度scri和时间碰撞危险度tcri两个方面展开，(1)存在pcr时才存在scri；(2)两船会遇有存在或不存在pcr两种情况；(3)两船存在碰撞危险而采取避让行动后，有能或不能以安全距离通过两种结果；(4)如两船存在碰撞危险，船舶的最晚操纵时机是ftcs，此时碰撞危险度视为1；(5)两船自由行动时，碰撞危险度为0，所以根据船舶领域的定义，障碍船是否会最终进入本船船舶领域也只有两种结果，表示存在或不存在空间碰撞危险度，即船舶scri值为1或0。scri的计算如公式3所示：
[0118][0119]
式中，u
dt
为scri模糊集u
dt
的隶属函数，(x
t
，y
t
)表示t时刻障碍船的位置，domaint表示t时刻本船船舶领域内所有点的集合。
[0120]
时间碰撞危险度tcri表示如公式4所示：
[0121][0122]
式中：u
tt
为tcri模糊集u
tt
的隶属函数，tcs为紧迫时间，t0为ftcr到ftcs的时间。
[0123]
将u
dt
与u
tt
的乘积作为cri的最终结果，如公式5所示：
[0124]ut
＝u
dt
·utt
(5)
[0125]
通过分析，存在pcr时scri为1，反之为0。各会遇下的tcri不尽相同。
[0126]
(1)对遇，两船距离dcr＝6nm时，形成ftcr，由公式6所示：
[0127][0128]
(2)追越，两船距离dcr＝3nm时，形成ftcr，由公式6所示。
[0129]
(3)交叉相遇，交叉相遇计算tcri时，需同时满足d＜6nm和tcs≤20min两个条件，因此这里分别计算两种情况下的tcri，再取二者最小值作为最终结果。
[0130]
①
d＜6nm且tcpa＞0。两船距离dcr＝6nm时，形成ftcr，由公式7进行计算，得到
[0131][0132]
式中，预设有碰撞危险度的计算模型，通过计算模型可以得到时间碰撞危险度t1为本船开始避让转向的时刻。
[0133]
②
d＜6nm且tcpa＞0，令t0＝20min＝1200s，由公式8进行计算，得到
[0134][0135]
因此，tcri如公式9所示：
[0136][0137]
在本发明具体实施例中，1、自由行动阶段，存在pcr的两船距离较远，而无碰撞危险时，可以自由采取避碰行动，按良好船艺的要求，此时的两船应该“早”地采取避碰行动。但依据航海实践，行动时机过早，两船驶近过程中可能存在变故而无法实现避让。因此需要设立距离阈值来进行限制，两船距离在阈值内，本船才开始采取行动。这个距离因船舶而异。若本船要进行避碰行动，行动的幅度过大或过小均不符合良好船艺，因此需要采取能完成避让的较小的改向幅度。在改向方向上，应采取最有效的改向方向，按照航海实践，在自由行动阶段时，在最有效方向上改向10
°
以上，能让本船安全避让他船，小于10
°
的改向幅度在大部分情况下也能安全避让，但考虑复航的问题，选择10
°
为碰撞危险形成之前的最小改向角为宜。最小改向角也可由船长自主决定，对于此阶段的船舶行为基本可以归纳为自由行动，此处仅对行动时机、方向和大小作介绍，而不将其作为测试内容进行要求。
[0138]
2、碰撞危险阶段。对于已经构成碰撞危险的，在未和机动船达成协议的前提下，本船应严格遵守避碰规则，比如，不同会遇下的改向方向如表5所示：
[0139]
表6.不同会遇下的改向方向
[0140][0141]
本船应当采取大幅度的避让行动。根据良好船艺，采取大幅度的避让行动可以认为是改向大于30
°
或降速一半以上。在开阔水域中的船舶主要通过改向来完成避让，因此在本文中将改向幅度大于30
°
视为“大幅度”。而具体的改向幅度大小应保证本船能安全避让所有目标，即在整个避让过程中，目标均在本船船舶领域之外。从航海实践来看，30
°
以上的改向幅度基本上可以保证处于碰撞危险阶段的船舶安全避让。直航船的行动与行动时机，
①
让路船进行避让时直航船应保向保速。
②
当让路船没有履行让路义务时，直航船应采取在当前情况下最有效的避碰行动。
③
根据
②
项单独采取避碰行动的船舶与他船构成交叉相
遇局面，若环境许可，应当操右舵避让在本船左舷的他船，而非左舵。总而言之，当两船进入碰撞危险阶段后，直航船应保向保速，等待让路船进行避让。因两船距离逐渐缩短，碰撞风险随之逐渐增大，而让路船始终没有做出有效的避让操作来避免两船碰撞时，作为直航船的本船应立即采取最有效避碰措施来保证安全。
[0142]
本发明实施例结合cri概念，提出直航船可单独采取避让行动的时机量化判定模型，如公式10所示：
[0143]
cri
t
≥0.5(10)
[0144]
式中，cri
t
为两船在t时刻的碰撞危险度。
[0145]
3、紧迫和紧迫危险阶段，两船进入紧迫阶段，碰撞风险极大，应判断本船是否应背离航行规则而采取行动。若当前情况采取操右满舵是最有效的避碰行为，且又符合避碰规则，该行为是绝对有必要采取的，若为了遵循避碰规则而未采取最有效的避碰行为，导致碰撞风险加大，该行为则与避碰规则精神相违背。
[0146]
因此，对于对遇和交叉相遇局面的船舶在进入紧迫后，应采取最有效避碰行为，即在最有效避让方向上操满舵，直至两船距离开始变大。对于追越船舶，无论是直航船还是让路船，均应在最有效避让方向上操满舵，直至两船距离开始变大。
[0147]
在本发明的一些实施例中，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：
[0148]
当所述障碍船为多个时，根据所述本船相对于每个障碍船的碰撞危险度，将所有碰撞危险度的最大值对应的障碍船，确定为目标障碍船；
[0149]
根据所述第一航行信息、所述目标障碍船的所述第二航行信息、所述目标障碍船的所述碰撞危险度和所述本船相对于所述目标障碍船的所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案
[0150]
在本发明具体实施例中，1、基于相对舷角的会遇辨识模型，两船会遇类型分为追越、对遇和交叉相遇3种。在会遇过程中，两船相对速度和位置会不断改变，仅仅考虑障碍船相对本船舷角的判断方法可能导致判断失误，而且避碰规则的舷角并不仅是指他船对本船，而是将两船相对对方的弦角q与q1都纳入考虑范围，因此本发明实施例通过弦角相互比对的方法辨识会遇。同时的形成还需考虑是否存在潜在碰撞危险这一前提，因此，本发明实施例采用pcr判断模型结合舷角比对辨识两船会遇类型，如图4所示。图4中，编号a、b、c、d、e、f分别表示与本船会遇六类障碍船，其中本船和a类构成对遇，和b、c类构成追越，和d、e类构成交叉相遇局面，和f类为不构成碰撞危险。划分方法如表6所示：
[0151]
表7.基于相互舷角比对的辨识条件
[0152][0153]
当被测试系统满足上表要求正确辨识会遇时，测试指标“会遇判断是否正确”为1；否则为0。
[0154]
2、碰撞危险识别，根据表4中各会遇下对ftcr的判断条件为依据，来判断被测试系统是否能正确识别碰撞危险，若符合表中对应条件，则评价指标“碰撞危险识别是否正确”为1，否则为0。
[0155]
3、不同会遇和阶段应该采取的避碰行动如表8所示：
[0156]
表8.在不同会遇和阶段下应该采取的避碰行动
[0157][0158]
首先确定和本船的会遇类型及所处的阶段，再确定是否需要采取避碰行动，以及避碰行动的方向和最小幅度。
[0159]
被测试系统输出“避碰行动时机”“改向方向”“改向幅度”，对比评价是否符合上表要求，符合则相对应的评价指标为1，反之则为0。
[0160]
4、多船最危险船舶判断，遇到多船会遇，和航海实践一样，采取避碰行动时最优先考虑最危险障碍船，即碰撞危险度最高的障碍船，假如各船碰撞危险度均为0，则应优先考虑碰撞危险形成指数最小的障碍船。若被测试系统最危险船舶判断正确，则评价指标“最危险船舶是否判断正确”为1，反之，则为0。
[0161]
本发明通过本船和障碍船的航行信息，对本船与障碍船的目标会遇场景和碰撞危险度进行判断，从而可以判断本船与障碍船是否有碰撞危险，起到对系统的碰撞功能进行测试的作用，还可以通过碰撞危险度、目标船舶领域和目标会遇场景，确定本船的避碰方案，从而可以使本船根据避碰方案进行控制，实现系统的避碰控制，完成基于避碰规则的船舶航行测试，提高船舶航行的安全性。
[0162]
为了更好实施本发明实施例中的基于避碰规则的船舶航行测试方法，在基于避碰规则的船舶航行测试方法基础之上，对应地，本发明实施例还提供了一种基于避碰规则的船舶航行测试装置，如图5所示，基于避碰规则的船舶航行测试装置包括：
[0163]
信息获取模块501，用于获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；
[0164]
领域确定模块502，用于根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
[0165]
危险度确定模块503，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；
[0166]
方案确定模块，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制504。
[0167]
上述实施例提供的基于避碰规则的船舶航行测试装置可实现上述基于避碰规则的船舶航行测试方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述基于避碰规则的船舶航行测试方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
[0168]
如图6所示，本发明还相应提供了一种电子设备600。该电子设备600包括处理器601、存储器602及显示器603。图6仅示出了电子设备600的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0169]
存储器602在一些实施例中可以是电子设备600的内部存储单元，例如电子设备600的硬盘或内存。存储器602在另一些实施例中也可以是电子设备600的外部存储设备，例如电子设备600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。
[0170]
进一步地，存储器602还可既包括电子设备600的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器602用于存储安装电子设备600的应用软件及各类数据。
[0171]
处理器601在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit，cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器602中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的基于避碰规则的船舶航行测试方法。
[0172]
显示器603在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器603用于显示在电子设备600的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备600的部件601-603通过系统总线相互通信。
[0173]
在本发明的一些实施例中，当处理器601执行存储器602中的基于避碰规则的船舶航行测试程序时，可实现以下步骤：
[0174]
获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；
[0175]
根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
[0176]
根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；
[0177]
根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。
[0178]
应当理解的是：处理器601在执行存储器602中的基于避碰规则的船舶航行测试程序时，除了上面的功能之外，还可实现其他功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。
[0179]
进一步地，本发明实施例对提及的电子设备600的类型不做具体限定，电子设备600可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载ios、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备600也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。
[0180]
相应地，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实
施例提供的基于避碰规则的船舶航行测试方法步骤或功能。
[0181]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0182]
以上对本发明所提供的基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，包括：获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。2.根据权利要求1所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度，包括：根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标；根据碰撞危险度模型对所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述目标船舶领域和所述目标船舶领域进行计算，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度。3.根据权利要求2所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述第一航行信息包括所述本船的第一航行坐标；所述根据所述本船和所述目标船舶领域，确定虚拟船的第二航行坐标包括：根据所述本船和所述目标船舶领域，确定所述目标船舶领域中虚拟船；根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换，得到所述虚拟船的第二航行坐标。4.根据权利要求1所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：当所述障碍船为多个时，根据所述本船相对于每个障碍船的碰撞危险度，将所有碰撞危险度的最大值对应的障碍船，确定为目标障碍船；根据所述第一航行信息、所述目标障碍船的所述第二航行信息、所述目标障碍船的所述碰撞危险度和所述本船相对于所述目标障碍船的所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案。5.根据权利要求2所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述碰撞危险度模型的计算公式为：式中，上标t表示当前时刻；下标o和r分别表示本船和障碍船；a、b分别表示椭圆长、短轴长；v、c分别表示航速、航向；(x
o
，y
o
)、(x1，y1)、(x
r
，y
r
)分别表示本船、虚拟船、障碍船在大
地坐标系中的位置；q表示目标船相对本船的舷角，19
°
表示船舶领域中本船相对虚拟船的偏心角。6.根据权利要求1所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，包括：根据所述碰撞危险度，判断所述本船与所述障碍船是否存在碰撞危险；若是，则根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，确定当前所处阶段；根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案。7.根据权利要求1所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述当前所处阶段和所述目标会遇场景，确定所述本船的避碰方案，包括：当所述当前所处阶段为自由行动阶段时，确实控制所述本船自由行动的避碰方案；当所述当前所处阶段为碰撞危险阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，确定所述本船与所述障碍船的最小会遇时间和会遇距离；根据所述最小会遇时间和所述会遇距离，确定所述目标会遇场景对应的避碰方案；当所述当前所处阶段为紧迫阶段时，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息，分别确定所述本船和所述障碍船的避碰方案；当所述当前所处阶段为紧迫危险阶段时，确定所述本船与所述障碍船发送碰撞，采取紧急措施的避碰方案。8.根据权利要求1所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域，，包括根据所述预设数量的会遇场景，设置每个会遇场景对应的所述本船的船舶领域；根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域。9.根据权利要求3所述的基于避碰规则的船舶航行测试方法，其特征在于，所述根据所述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换的公式为：述第一航行坐标对所述虚拟船的坐标进行转换的公式为：式中，a、b分别表示椭圆长、短轴长；r
d
表示虚拟船沿真实本船船位到船舶领域边界的距离；c0表示本船目标航向；(x0，y0)，(x1，y1)分别表示本船、虚拟船在随船坐标系中的坐标。10.一种基于避碰规则的船舶航行测试装置，其特征在于，包括：信息获取模块，用于获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据所述第一航行信息和所述第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；领域确定模块，用于根据所述目标会遇场景，确定所述本船的目标船舶领域；
危险度确定模块，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息和所述目标船舶领域，得到所述本船与所述障碍船的碰撞危险度；方案确定模块，用于根据所述第一航行信息、所述第二航行信息、所述碰撞危险度和所述目标船舶领域，确定所述本船的避碰方案，根据所述避碰方案对所述本船进行控制。

技术总结
本发明提供了一种基于避碰规则的船舶航行测试方法及装置，其方法包括：获取本船的第一航行信息和障碍船的第二航行信息，根据第一航行信息和第二航行信息从预设数量的会遇场景中确定目标会遇场景；根据目标会遇场景，确定本船的目标船舶领域；根据第一航行信息、第二航行信息和目标船舶领域，得到本船与障碍船的碰撞危险度；根据第一航行信息、第二航行信息、碰撞危险度和目标船舶领域，确定本船的避碰方案，根据避碰方案对本船进行控制。本发明可以通过本船与障碍船的碰撞危险度、目标船舶领域和目标会遇场景，确定本船的避碰方案，从而可以使本船根据避碰方案进行控制，完成船舶航行的避碰测试，提高船舶航行的安全性。提高船舶航行的安全性。提高船舶航行的安全性。


技术研发人员：贺益雄 赵兴亚 黄立文 张可 王丰 王兵
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/20