一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法

1.本发明属于船舶航行安全领域，尤其涉及一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法。


背景技术：

2.船舶在狭窄航道内行驶时，船舶运动空间受限，不仅船舶姿态调整较一般开阔水域更为困难，而且航行时更容易出现会遇局面，因此，在该条件下进行航行风险评估和路径规划更有利于保证船舶航行安全。
3.《一种基于分布协同策略的船舶避碰方法》介绍了一种开阔水域下，多船之间的避碰规划，采用分布策略选出彼此间无碰撞的路线。《一种带有输入量化的usv路径规划与模糊自适应跟踪控制方法》介绍了采用模拟退火算法改进人工市场法对海况信息下的本船进行合理规避障碍物的路径规划。这些避碰方法大多是针对于船舶在开阔水域环境下的研究，并未考虑到船舶在狭窄航道内的航行情况并对此提出避碰方法，且没有关注到船舶航行领域这个因素。


技术实现要素：

4.为解决船舶在狭窄航道内的航行风险问题，本发明要设计一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法，既能给出狭窄航道内航行风险评估方法，又能规划出船舶在该航道内风险最小的航行路径。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法，包括以下步骤：
6.步骤a：求取船舶安全航行领域
7.根据船舶位置p、姿态x和船舶领域模型f
own
(p,x)获得本船的航行安全领域d
own
，即d
own
边界上的点ed的坐标xd、yd满足下式：
8.f
own
(p,x,xd,yd)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.步骤b：设定船舶当前关注区域
10.根据船舶位置p设定船舶当前关注区域，所述船舶当前关注区域dr边界上的点er的坐标xr、yr满足下式：
11.fr(p,xr,yr)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
12.其中，函数fr(p,xr,yr)是船舶当前关注区域的规则。
13.步骤c：获取航道安全行驶区域
14.根据船舶将要驶入航道的地理水文情况，获得航道的安全行驶区域，所述安全行驶区域为一连通域s
ch
，s
ch
表示为船舶当前关注区域dr与非安全行驶区域的差集，即：
[0015][0016]
其中，为船舶当前关注区域dr内的非安全行驶区域。
[0017]
步骤d：求取船舶航行风险
[0018]
步骤d1：求取本船航行安全领域d
own
与船舶当前关注区域dr内非安全行驶区域的交集，即：
[0019][0020]
步骤d2：若i是空集，则取本船航行安全领域d
own
与船舶当前关注区域dr内非安全行驶区域的距离d最小值的倒数作为其航行风险，即：
[0021][0022]
其中，α1为调节系数。若i非空集，则取交集i的面积作为其航行风险，即：
[0023]
r＝α2s(i)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]
其中，α2为调节系数，s(i)为i的面积函数。
[0025]
步骤e：规划航道内风险最小的航行路径
[0026]
步骤e1：在第kt时刻，其中t为航迹规划周期，k为航迹规划时刻所在周期的序号，根据船舶所在当前位置pk、规划周期tk和船舶的可达区域模型r
own
(pk,tk)获得本船在规划周期tk内的可达区域dr，计算公式如下：
[0027]dr
＝r
own
(pk,tk)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]
步骤e2：在可达区域dr的安全航行区域内，确定调节系数α1和α2，改变船舶位置p、姿态x使得本船航行风险r最小，即：
[0029][0030]
其中，p
k+1
为本船在周期tk规划得到的下一个航行位置，x
k+1
为本船在周期tk规划得到的下一个航行姿态。
[0031]
步骤e3：在船舶以姿态x
k+1
航行至p
k+1
位置后，返回步骤e1，让pk＝p
k+1
、xk＝x
k+1
，直至本船位置脱离航道区域结束。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0033]
1、本发明首先对船舶安全领域模型与狭窄水道的交集部分求得面积，然后通过不断改变船舶位置与船舶姿态遍历求出面积集合，最终通过在面积集合中不断寻找面积最小值时船舶的所在位置与姿态来获得船舶的避碰路径，本发明不受限于具体船舶安全领域模型，并可以给出定量的航行风险评估结果。基于本发明给出的定量航行风险评价结果，可对狭窄航道内的航行路径进行合理规划，从而获得航行风险最小的航行路径。
[0034]
2、本发明通过本船船舶安全领域同航道危险行驶区域的交叉面积的大小来评价船舶在航道内的行驶风险，并给出行驶风险最小的行驶路径，从而实现了船舶安全行驶的路径规划。
附图说明
[0035]
为了更加清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通人技术人员来讲，再不付出创造性劳动性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明的方法流程图。
[0037]
图2为基于本发明方法的一个狭窄航道内航行路径规划实例。
具体实施方式
[0038]
为了更清楚的解释本发明的实施方式，下面结合附图，将本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
下面将结合图2举例说明对本发明做详细的描述：
[0040]
步骤a：根据船舶位置p、姿态x和船舶领域模型f
own
(p,x)获得本船的航行安全领域d
own
，即d
own
边界上的点(xd,yd)满足
[0041]fown
(p,x,xd,yd)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0042]
本船的航行安全领域d
own
为圆形的船舶领域，可取其半径为5倍船长，即：
[0043]
(x
d-a)2+(y
d-b)2＝(5l)2ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0044]
式中，(a,b)为船舶位置p的横纵坐标，l为船长。
[0045]
步骤b：根据船舶位置p设定船舶当前关注范围，该范围dr边界上的点(xr,yr)满足：
[0046]fr
(p,xr,yr)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0047]
其中，函数fr(p,xr,yr)是船舶关注范围的规则。
[0048]
本船当前关注范围dr为圆形范围，也就是船舶导航雷达覆盖的区域，即：
[0049]
(x
r-c)2+(y
r-d)2＝r2ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0050]
式中，(c,d)为船舶当前位置p的横纵坐标，r为船舶导航雷达覆盖的区域半径。
[0051]
步骤c：根据该船舶将要驶入航道的地理水纹情况，获得航道的安全行驶区域，该区域为一连通域s
ch
，s
ch
可表示为dr与非安全行驶区域的差集，即
[0052][0053]
其中，s
chi
为dr范围内的非安全行驶区域。
[0054]
步骤d：求取船舶位置p处的航行风险。
[0055]
步骤d1：求取本船航行安全领域d
own
与dr内非安全行驶区域的交集，即
[0056][0057]
步骤d2：若i是空集，则取本船航行安全领域d
own
与dr内非安全行驶区域距离d最小值的倒数作为其航行风险，即
[0058][0059]
其中，α1为调节系数。
[0060]
本船航行安全领域d
own
与dr内非安全行驶区域距离d可按以下公式求取：
[0061][0062]
式中，ω和b是参数，xk为样本点，即本船航行安全领域d
own
边界上的点与dr内非安全行驶区域上的点的集合。
[0063]
若i非空集，则取交集i的面积作为其航行风险，即
[0064][0065]
其中，α2为调节系数，s(i)为i的面积函数。
[0066]
s(i)可按以下公式求取：
[0067][0068]
式中，f
l
(x)为连通域s
ch
一侧的边界函数，fr(x)为连通域s
ch
另一侧的边界函数。
[0069]
步骤e：规划航道内风险最小的航行路径。
[0070]
步骤e1：在第kt时刻，其中t为航迹规划周期，k为航迹规划时刻的序号，根据船舶所在当前位置pk、规划周期tk和船舶的可达区域模型r
own
(pk,tk)获得本船在规划周期tk内的可达区域dr，计算公式如下：
[0071]dr
＝r
own
(pk,tk)
ꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0072]
船舶的可达范围dr可由以下公式求取：
[0073]
(x-xk)2+(y-yk)2＝(vtk)2ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0074]
式中，(xk,yk)为船舶当前位置pk的横纵坐标，v为船舶的速度，tk为船舶的规划周期。
[0075]
步骤e2：在dr的安全航行区域内，确定调节系数α1和α2，改变船舶位置p、姿态x使得本船航行风险r最小，即
[0076][0077]
其中，p
k+1
为本船在周期tk规划得到的下一个航行位置，x
k+1
为本船在周期tk规划得到的下一个航行姿态。
[0078]
步骤e3：在船舶以姿态x
k+1
航行至p
k+1
位置后，返回步骤e1，让pk＝p
k+1
、xk＝x
k+1
，直至本船位置脱离航道范围结束。
[0079]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤a：求取船舶安全航行领域根据船舶位置p、姿态x和船舶领域模型f
own
(p,x)获得本船的航行安全领域d
own
，即d
own
边界上的点e
d
的坐标x
d
、y
d
满足下式：f
own
(p,x,x
d
,y
d
)＝0 (1)步骤b：设定船舶当前关注区域根据船舶位置p设定船舶当前关注区域，所述船舶当前关注区域d
r
边界上的点e
r
的坐标x
r
、y
r
满足下式：f
r
(p,x
r
,y
r
)＝0 (2)其中，函数f
r
(p,x
r
,y
r
)是船舶当前关注区域的规则；步骤c：获取航道安全行驶区域根据船舶将要驶入航道的地理水文情况，获得航道的安全行驶区域，所述安全行驶区域为一连通域s
ch
，s
ch
表示为船舶当前关注区域d
r
与非安全行驶区域的差集，即：其中，为船舶当前关注区域d
r
内的非安全行驶区域；步骤d：求取船舶航行风险步骤d1：求取本船航行安全领域d
own
与船舶当前关注区域d
r
内非安全行驶区域的交集，即：步骤d2：若i是空集，则取本船航行安全领域d
own
与船舶当前关注区域d
r
内非安全行驶区域的距离d最小值的倒数作为其航行风险，即：其中，α1为调节系数；若i非空集，则取交集i的面积作为其航行风险，即：r＝α2s(i) (6)其中，α2为调节系数，s(i)为i的面积函数；步骤e：规划航道内风险最小的航行路径步骤e1：在第kt时刻，其中t为航迹规划周期，k为航迹规划时刻所在周期的序号，根据船舶所在当前位置p
k
、规划周期t
k
和船舶的可达区域模型r
own
(p
k
,t
k
)获得本船在规划周期t
k
内的可达区域d
r
，计算公式如下：d
r
＝r
own
(p
k
,t
k
) (7)步骤e2：在可达区域d
r
的安全航行区域内，确定调节系数α1和α2，改变船舶位置p、姿态x使得本船航行风险r最小，即：其中，p
k+1
为本船在周期t
k
规划得到的下一个航行位置，x
k+1
为本船在周期t
k
规划得到的
下一个航行姿态；步骤e3：在船舶以姿态x
k+1
航行至p
k+1
位置后，返回步骤e1，让p
k
＝p
k+1
、x
k
＝x
k+1
，直至本船位置脱离航道区域结束。

技术总结
本发明公开了一种狭窄航道内船舶航行风险评估及路径规划方法，包括以下步骤：求取船舶安全航行领域；设定船舶当前关注区域；获取航道安全行驶区域；求取船舶航行风险；规划航道内风险最小的航行路径。本发明首先对船舶安全领域模型与狭窄水道的交集部分求得面积，然后通过不断改变船舶位置与船舶姿态遍历求出面积集合，最终通过在面积集合中不断寻找面积最小值时船舶的所在位置与姿态来获得船舶的避碰路径，本发明不受限于具体船舶安全领域模型，并可以给出定量的航行风险评估结果。基于本发明给出的定量航行风险评价结果，可对狭窄航道内的航行路径进行合理规划，从而获得航行风险最小的航行路径，实现了船舶安全行驶的路径规划。径规划。径规划。


技术研发人员：郑凯 薛洋 姜毅
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/20