具体实施方式

下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理，并非用于限定本申请的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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申请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，也不是与其它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它实施例相结合。

本申请提供了一种开阔水域船舶自主避碰方法、系统、设备及存储介质，以下分别进行详细说明。

参照图1为本申请提供的开阔水域船舶自主避碰方法一种实施例的方法流程图，该开阔水域船舶自主避碰方法，包括下述步骤：

S101，获取本船与多个目标船的AIS信息和雷达信息，将所述AIS信息和所述雷达信息进行数据融合处理，得到所述目标船相对所述本船的融合信息；

S102，根据所述融合信息实时计算所述本船与目标船的相关避碰参数；

S103，根据速度障碍法判断所述本船和目标船是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，基于所述相关避碰参数计算不同会遇局面下的评估指标值；

S104，利用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型对船舶间碰撞危险度进行评估，得到所述本船相对各个目标船的碰撞风险值；所述会遇局面包括对遇、交叉和追越局面；

S105，将碰撞风险值大于预设阈值的目标船作为危险船舶，针对所述危险船舶，利用改进的速度障碍法计算本船改向变速幅度，确定避碰决策方案；

S106，通过控制系统控制所述本船的航向和航速，以实现自主避碰。

本实施例通过将本船与多个目标船的AIS信息和雷达ARPA信息进行数据融合处理得到融合信息，根据所述融合信息计算本船与目标船的相关避碰参数；在根据速度障碍法判断本船和目标船存在碰撞风险时，基于相关避碰参数计算不同会遇局面下的评估指标值，并利用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型对船舶间碰撞危险度进行评估，得到本船相对各个目标船的碰撞风险值；将碰撞风险值大于预设阈值的目标船作为危险船舶，针对危险船舶计算本船改向变速幅度，确定避碰决策方案，根据避碰决策方案控制本船的航向和航速，以实现自主避碰。由于能将AIS和雷达的数据进行融合得到更全面更精确的数据，提高了最终避碰的安全性，而且，提出的船舶碰撞危险度评估模型可以有效地实现不同会遇局面下船舶碰撞风险的识别和量化，可以对碰撞风险进行精确评估。提出的船舶自主避碰方法更加准确和智能，从而提高船舶航行的安全性。

具体地，在一种可选的实施方式中，获取船舶运行参数信息及环境状态信息，对船舶的AIS信息和雷达信息并进行数据融合，融合航迹关联为：

（1）

（2）

上式（1）中为时间阀值，为AIS探测到目标Ai的时刻，为ARPA/雷达探测到目标Rj的时刻，若满足式（1），则判定为符合时间粗关联。

上式（2中）为距离阀值，为AIS在T时刻探测到目标Ai的距离，为在T时刻ARPA/雷达探测到目标Rj的距离，若满足式（2），则判定为符合距离粗关联。

（3）

其中，粗关联门限值为CATT，CAFM为判定因子，其CAFM初始值为0，若在Ki时刻，AIS探测到的目标Ai与ARPA/雷达探测到的目标Rj既符合时间粗关联又符合距离粗关联，则CAFM值增加1。若CAFM值符合如式（3）所示条件则认为满足粗关联准则。

为使得每条AIS信息都能找到唯一相对应的ARPA/雷达信息，下面采取基于模糊因素判断的双门限细关联算法：

（4）

（5）

式（4）中，分别为方位、航速、航向、距离的关联度，分别为方位、航速、航向、距离的调整系数，分别为方位、航速、航向、距离的欧式距离，分别为AIS设备在方位、航速、航向、距离上的方差；Bij为最终关联度，分别为方位、航速、航向、距离的权重。

双门限细关联判定准则为：与粗关联判定准则类似，首先制定细关联的第一门限FAT1和第二门限FAT2,用细关联判定因子FM来代表细关联程度，且FM初始值为0。若在Ki时刻满足，则FM值增加1，若FM满足FM>FAT2，则判定为符合细关联准则。

下面用加权融合算法对Ai和Rj目标进行位置信息的数据融合：

上式中为AIS的位置信息，为ARPA/雷达的位置信息，和分别为其对应权值系数。为AIS设备位置方差，为ARPA/雷达设备位置方差。

更进一步地，计算本船和目标船舶间相关避碰参数，两船相对速度为：

上式中和分别为在X轴和Y轴上速度分量，和分别为本船和目标船的速度，和分别为本船和目标船的航向。

相对速度航向角：

式中，且取值由来船相对于本船的相对速度在X轴及 Y轴上分量方向所决定。

目标船相对于本船的方位角：

两船间相对距离为：

最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA为：

。

例如，在一种可选的实施方式中，参照图2，图2为本申请提供的开阔水域船舶自主避碰方法一实施例中典型会遇局面下两船运动参数示意图。

进一步地，根据速度障碍法判断本船和各目标船间是否存在碰撞风险，具体为：

以本船为中心划分为包括绝对碰撞区、潜在碰撞区和安全区三个区域，对于存在潜在碰撞区内的船舶进行碰撞危险判断。

两船相对速度为：

设为本船和目标船的速度障碍区，如果满足下式，则认为本船和目标船存在碰撞风险：

其中，为两船相对速度。

进一步地，如存在碰撞风险则采用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型计算目标船和本船碰撞危险度大小，并对大于阈值的船舶碰撞危险度进行排序，具体为：

选取最近会遇距离（DCPA）、最近会遇时间（TCPA）、两船间距离（D）、相对方位（B）和速度比（K）五个指标作为碰撞危险度评价指标，根据三种不同会遇局面分别构建船舶碰撞危险度评估模型。所述三种不同会遇局面包括对遇、交叉和追越局面。参照图3，图3为本申请提供的开阔水域船舶自主避碰方法一实施例中基于避碰规则下的船舶会遇局面划分示意图。

灰云模型各数字特征峰值、左右边界值、熵以及超熵等数值来表征为：

数学期望为：

S1.将评估指标和评估对象划分为5个灰类。

根据需要确定待评估对象a需要划分的灰类数，确定待评估对象各评估指标最属于灰类的点作为该指标对应灰类的中心点，根据各个指标取值范围划分S个灰类。

S2.构建非对称灰云白化权函数并计算白化权值。

以第k个灰类参数的左边界点和中心点构建以为峰值点的左单侧正态灰云模型，以其右边界点和中心点构建以为峰值点的右单侧正态灰云模型，得到指标j关于灰类k的正态灰云白化权函数。

为了使较小每次计算的白化权值的随机性导致判断结果的误差，此处取100次求平均值作为最终的白化权值。

最后得到归一化后白化权值。

S3.确定指标权重。在一种可选的实施方式中，本实施例中对应各个指标权重为（0.400，0.367，0.167，0.033，0.033）。

S4. 计算综合聚类系数。

第i个对象关于第k个灰类的综合聚类系数如下：

其中：为指标j关于对象i的分类权重。

S5. 计算碰撞风险值。

得到对象i的综合聚类系数向量为所属灰类

假设将分别赋给从低风险到高风险的五个等级值。这里给出的区间值分别为[0,0.2]，[0.2,0.4]，[0.4,0.6]，[0.6,0.8]和[0.8,1]。通常综合聚类系数的最大值通常分布在[0.2,0.6]区间内，因此可以通过以下函数计算碰撞风险值:

设置碰撞危险度阈值为0.6，计算潜在碰撞区内船舶碰撞危险度，对超过阈值的船舶碰撞危险度进行排序，对碰撞危险度最大的船舶优先进行避让。

例如，在一种可选的实施方式中，在追越、交叉和对遇这三种不同会遇局面下各评估指标的评分标准分别如下表1、表2、表3所示：

表1

表2

表3

进一步地，参照图4，图4为本申请提供的开阔水域船舶自主避碰方法一实施例中速度障碍算法的原理示意图。本实施例中，利用改进的速度障碍算法计算本船改向变速幅度确定避碰决策方案，具体为：

速度障碍法是指当运动物体与障碍物保持当前运动状态不变时，使运动物体与障碍物发生碰撞的速度矢量集合，即该运动物体的速度障碍区。图4中，为本船OS相对目标船舶TS的相对速度，，为其矢量方向上的射线，为危险船舶TS以R为半径的圆形船舶领域，本船与目标船舶发生碰撞的条件为：

假设射线与构成的相对碰撞区RCC（Relative Collision Cone），当本船相对目标船舶的任意速度时，本船与目标船舶将发生碰撞：

速度障碍区间为：

上式中为闵可夫斯基矢量和运算

考虑到船舶运动过程是一系列非线性变化的运动过程，在一定时间内船舶速度和方向不会有太大的改变, 因此非速度障碍区的速度矢量集合在规定时间内很难实现。因此，考虑船舶操纵性特性，计算船舶在给定时间区间内能改变的速度矢量：

上式中，为本船目前速度，本船加速度。

在给定时间区间内本船可以转向角度为：

式中：为本船当前航向角，为本船当前的角速度，为本船当前的角加速度。

通过以上公式可计算得到本船在给定∆t时间内可以改变的速度大小和航向角度, 但是考虑到速度和航向变化都是连续的，为了计算方便，将其二者离散化M个速度和N个航向角，速度矢量集合为。如果∆t时间内速度矢量集合满足上述公式则会与障碍物发生碰撞，相反如果∆t时间内速度矢量集合不满足上述公式则不会与障碍物发生碰撞。那么，此时本船的改向变速避让区间为：

对于求取的避让区间RRC集合，本实施例中根据避碰规则取避让区间中间值，即在给定∆t时间内改向变速避让区间RRC的中间值作为改向变速变向的最终避碰决策方案。

进一步地，利用船舶运动模型MMG和PID航向控制系统执行避碰决策方案时，按照预定的速度和航向控制船舶，具体为：

三自由度船舶操纵运动(MMG)模型为：

式中，，分别是船舶横向、纵向附加质量；u、v、r分别是船舶沿x轴、y轴的速度和转向角速度；分别是船舶沿x轴、y轴的加速度和转向角加速度；、分别是首摇转动惯量和附加转动惯量；X、Y、N分别是横向、纵向和首摇方向上的力和力矩，H、P、R分别是船体、螺旋桨和舵上的力和力矩。

进一步地，参照图5，图5为本申请提供的开阔水域船舶自主避碰方法一实施例中模糊自适应PID控制器的示意图。模糊PID模糊控制器采用两个输入三个输出的类型，分别以航向偏差E，航向偏差变化率 EC 作为模糊控制的输入，以PID 参数Kp、Ki、Kd 作为模糊控制器输出；利用模糊控制规则实时对PID 三个参数P、I、D 进行调节，从而实现在不同航向偏差和航向偏差变化率下对 PID 参数自整定，使被控对象有良好的动、静态性能。具体设计步骤为：

S1、确定变量模糊子集。设各输入、输出变量的量化等级均为 7 级，模糊子集语言值均取{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZO)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}；模糊集基本论域均为{-6，6}。各输入、输出实际取值范围为：

航向偏差 E : [-90°,90°];航向偏差 ECs :[-0.04°/ s,0.04°/ s] ;PID 控制比例系数 P: [180,180 ];PID 控制积分系数 I : [24,24 ];PID 控制微分系数 D:[0.3,0.3]。

则其量化因子分别为 Ke=，Kec=150，KP=30，KI=4，KD=1/20。

S2、隶属度函数确定。

式中，为模糊集的均值，为模糊集的方差，。各输入、输出模糊语言集中元素均值u的取值为：e={-6,-3,-1,0,1,3,6}; ec={-6,-4,-2,0,2,4,6}; p={-6,-4,-2,0,2,4,6}; i={-6,-4,-2,0,2,4,6}; d={-6,-4,-2,0,2,4,6}.

S3、模糊规则确定。由于参数 P 控制系统响应速度，I 控制系统稳态误差，D 控制系统动态特性。因此根据各参数对系统控制的作用，同时考虑系统的稳定性、超调量和响应时间等因素的影响以及现有研究成果，将船舶操纵人员的操舵经验加以总结并经过人工修正后，可得到如下49条模糊规则：

模糊规则的含义为：当为（正大），为（正大）时，即期望航向与真实航向的差距在逐渐增大时，此时应向右操大舵角（）。其他规则同理。每一条规则都是并列的，他们之间是“或”的逻辑关系。将其整理成如下控制规则表：

表4模糊控制规则表

S4、推理方法的确定。在k时刻，若e和ec经模糊处理后的模糊子集为和，选用Mamdani推理法：

推理结果为一个模糊集，需再进行清晰化处理。本发明清晰化处理方法选用重心法，该方法通过求取隶属度函数曲线与横坐标所围面积的形心坐标值作为精确输出量作用于被控对象。

本实施例中，获取本船与多个目标船的AIS信息和雷达信息，将所述AIS信息和所述雷达信息进行数据融合处理；；计算本船和目标船舶间相关避碰参数，包括最近会遇距离（DCPA）、最近会遇时间（TCPA）、两船间距离（D）、相对方位（B）、速度比（K）等信息；利用速度障碍法判断本船和各目标船间是否存在碰撞风险，如果不存在碰撞风险则本船保向保速航向，若存在碰撞风险则转向下一步；采用基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型计算本船和目标船碰撞危险度大小，并对大于阈值的船舶碰撞危险度进行排序，选择碰撞风险值最高的船舶优先采取避碰行动；计算本船改向变速幅度确定避碰决策方案，在避碰决策过程继续计算船舶碰撞危险度，如大于设置阈值则再次计算确定避碰决策方案，直至全部目标船舶驶过让清为止。

本实施例可以将AIS和雷达的数据进行融合得到更全面更精确的数据。且多设备的信息融合后，系统抗干扰能力得到加强，扩大了空间和时间的监测范围，提高了信息的准确性，也具有了较好的故障容错率，为自主避碰决策提供了良好的数据基础。本实施例提出的碰撞危险度评估模型可以有效地实现不同会遇局面下船舶碰撞风险的识别和量化。提出的灰云评估模型可以表示不确定概念的模糊性和随机性及其关系，它适用于处理不确定信息，可以对碰撞风险进行精确评估。本实施例提出的自主避碰决策方案充分考虑了船舶的操纵性、船舶会遇局面、碰撞危险度、良好船艺和COLREGs。可以实时得到避碰决策方案并通过控制执行模块按照预定的速度和航向控制船舶，实现有效避碰得目的。此外，本实施例可以有效避免船舶在航行过程中因驾驶员人为失误，提高船舶航行风险。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本实施例还提供一种开阔水域船舶自主避碰系统，该开阔水域船舶自主避碰系统与上述实施例中开阔水域船舶自主避碰方法一一对应。如图6所示，该开阔水域船舶自主避碰系统包括信息融合模块601、计算模块602、碰撞风险评估模块603、避碰决策模块604、控制执行模块605。各功能模块详细说明如下：

信息融合模块601，用于获取本船与多个目标船的AIS信息和雷达信息，将所述AIS信息和所述雷达信息进行数据融合处理，得到所述目标船相对所述本船的融合信息；

避碰信息处理模块602，用于根据所述融合信息实时计算所述本船与目标船的相关避碰参数；

碰撞风险评估模块603，用于根据速度障碍法判断所述本船和目标船是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，基于所述相关避碰参数计算不同会遇局面下的评估指标值，并利用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型对船舶间碰撞危险度进行评估，得到所述本船相对各个目标船的碰撞风险值；所述会遇局面包括对遇、交叉和追越局面；

避碰决策模块604，用于将碰撞风险值大于预设阈值的目标船作为危险船舶，针对所述危险船舶，利用改进的速度障碍法计算本船改向变速幅度，确定避碰决策方案；

控制执行模块605，用于通过控制系统控制所述本船的航向和航速，以实现自主避碰。

关于开阔水域船舶自主避碰系统各个模块的具体限定可以参见上文中对于开阔水域船舶自主避碰方法的限定，在此不再赘述。上述开阔水域船舶自主避碰系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

参照图7，本实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该计算机设备包括处理器10、存储器20及显示器30。图7仅示出了计算机设备的部分组件，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。

存储器20在一些实施例中可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。存储器20在另一些实施例中也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（SecureDigital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器20还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器20用于存储安装于计算机设备的应用软件及各类数据，例如安装计算机设备的程序代码等。存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有开阔水域船舶自主避碰计算机程序40。

处理器10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20中存储的程序代码或处理数据，例如执行开阔水域船舶自主避碰方法等。

显示器30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30用于显示在计算机设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。计算机设备的部件10-30通过系统总线相互通信。

在一实施例中，当处理器10执行存储器20中开阔水域船舶自主避碰计算机程序40时实现以下步骤：

获取本船与多个目标船的AIS信息和雷达信息，将所述AIS信息和所述雷达信息进行数据融合处理，得到所述目标船相对所述本船的融合信息；

根据所述融合信息计算所述本船与目标船的相关避碰参数；

根据速度障碍法判断所述本船和目标船是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，基于所述相关避碰参数计算不同会遇局面下的评估指标值，并利用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型对船舶间碰撞危险度进行评估，得到所述本船相对各个目标船的碰撞风险值；所述会遇局面包括对遇、交叉和追越局面；

将碰撞风险值大于预设阈值的目标船作为危险船舶，针对所述危险船舶，利用改进的速度障碍法计算本船改向变速幅度，确定避碰决策方案；

通过控制系统控制所述本船的航向和航速，以实现自主避碰。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有开阔水域船舶自主避碰计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取本船与多个目标船的AIS信息和雷达信息，将所述AIS信息和所述雷达信息进行数据融合处理，得到所述目标船相对所述本船的融合信息；

根据所述融合信息计算所述本船与目标船的相关避碰参数；

根据速度障碍法判断所述本船和目标船是否存在碰撞风险，当存在碰撞风险时，基于所述相关避碰参数计算不同会遇局面下的评估指标值，并利用构建的基于灰云模型的船舶碰撞危险度评估模型对船舶间碰撞危险度进行评估，得到所述本船相对各个目标船的碰撞风险值；所述会遇局面包括对遇、交叉和追越局面；

将碰撞风险值大于预设阈值的目标船作为危险船舶，针对所述危险船舶，利用改进的速度障碍法计算本船改向变速幅度，确定避碰决策方案；

通过控制系统控制所述本船的航向和航速，以实现自主避碰。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink）、DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。