混行环境多船冲突疏解时机确定与决策空间计算方法

本发明涉及智能船舶海事监管，尤其涉及混行环境多船冲突疏解时机确定与决策空间计算方法。

背景技术：

1、随着智能船舶（mass）快速发展，近岸开阔水域将长期处于有人驾驶船舶与不同自主等级智能船舶混行状态，船舶冲突态势更复杂、风险耦合性更强。现有冲突解决方法多面向单船自主避碰，未从岸基全局监管视角设计；传统vts喊话调度难以适配智能船舶无人/远程操控模式；现有冲突触发条件单一、转向约束未考虑船舶自主等级差异，易出现决策过早/过晚、避让责任划分不公、疏解不协调等问题，无法满足海事监管对安全性、协同性、合规性的要求。

2、因此，研究一种混行环境多船冲突疏解时机确定与决策空间计算方法对解决智能船舶的海上监管问题具有重要的意义。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种混行环境多船冲突疏解时机确定与决策空间计算方法。本发明通过计算海上混行交通场景中船舶间的pcr值，确定船舶间的冲突关系与全局潜在碰撞危险度，基于提出的双阈值触发条件确定冲突船舶的疏解时机，进而通过多船冲突决策空间计算方法求得每艘冲突船舶的转向角范围，用于疏解决策的制定，辅助岸基监管人员对混行交通场景中的船舶进行监管。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种混行环境多船冲突疏解时机确定与决策空间计算方法，包括：基于改进潜在碰撞风险船舶域模型prsd，计算海域内第i艘船与第j艘船之间的潜在碰撞风险pcr，构建潜在碰撞风险矩阵；根据所述潜在碰撞风险矩阵计算监管海域的全局潜在碰撞危险度；设置双阈值触发条件，当所述全局潜在碰撞危险度大于0.4时，触发冲突疏解决策；当任意两船间pcr大于0.1且实时潜在碰撞风险pcr值随时间单调递增时，触发冲突疏解决策；通过多船冲突决策空间计算方法求得每艘冲突船舶的转向角范围，并制定冲突疏解决策。

4、进一步地，所述潜在碰撞风险矩阵为非对称矩阵，用于表征不同航速、航向、船长船舶间的差异化风险感知，将所述潜在碰撞风险矩阵表示为：

5、

6、其中，表示潜在碰撞风险矩阵，表示第

n艘船和其自身的潜在碰撞风险；表示海域内第

i艘船与第

j艘船舶间的潜在碰撞风险，

n为识别到的冲突海域内的船舶总数。

7、进一步地，所述全局潜在碰撞危险度由潜在碰撞风险矩阵中所有元素求和后归一化得到，计算公式如下：

8、

9、其中，表示全局潜在碰撞风险。

10、进一步地，所述船冲突决策空间计算方法具体包括：基于两船相对方位角与船舶的会遇态势将船舶会遇局面划分为10个扇区，根据当前船舶扇区内存在的船舶所处扇区位置，确定船舶当前的避让责任，完成初始转向角约束；

11、引入shapley值法，分别计算船舶在冲突中的潜在碰撞风险pcr占比、不同自主程度、船舶对监管的影响程度占比，对初始转向角进行二次约束；输出每艘冲突船舶的可选转向空间范围。

12、进一步地，基于所述两船相对方位角与船舶的会遇态势，得到船

i对船

j的转向角因子，：

13、

14、其中，表示当前两船会遇局面，表示对遇，表示右舷交叉，表示追越，表示左舷交叉，表示被追越。

15、通过对

i船的多个转向角因子求和，得到

i船的转向角因子：

16、

17、船舶

i的转向角的初始值被约束在区间[,]，当>0时表示船舶的直行责任较高，此时将

i船的左右转向范围各减少10°；<0表示船舶的避让责任更高，此时将

i船的转向范围限定在右转向区间；若某船舶与场景中其他船舶的潜在碰撞风险均不大于阈值，则船舶不采取转向操作，得到各艘船舶的第一部分的可选转向角范围：

18、

19、其中，表示初始转向区间上限，表示初始转向区间下限。

20、进一步地，所述船舶在冲突中的潜在碰撞风险pcr占比的计算方法具体包括：对于监管海域中冲突船舶构成的船舶冲突集合设为，子集是由单艘船舶或者多艘船舶构成，是在船舶集合

n上定义的特征函数，表示的是集合

s中所包含船舶构成的全局潜在碰撞风险；描述第

i艘船舶在多船冲突中的pcr占有部分，计算公式如下：

21、

22、其中，表示船舶冲突集合中子集的船舶数量，子集中包含了当前要进行计算的船舶

i，表示包含

i船的子集的全局pcr，表示去除船舶i的子集的全局pcr，表示shapley方法的加权因子，用于反应船舶冲突子集的多种不同可能性，以确保转向责任划分的公平性和合理性，计算公式如下：

23、。

24、进一步地，所述不同自主程度包括：l0传统船舶、l1具备自动化流程以及决策支持功能的船舶、l2需要配备船员的远程监控船舶、l3实现无船员的远程遥控船舶、l4完全自主，由序关系法确定不同自主程度智能船舶对海域监管影响的重要程度为：l3>l2>l4>l1=l0。

25、进一步地，所述不同自主程度船舶对监管的影响程度占比的计算方法具体包括：利用描述第

i艘船舶在混合多船场景中对海域监管的影响程度占有部分，计算方法如下式所示：

26、

27、其中，表示第

i艘船的影响程度权重，表示子集

s中的

k船的影响程度权重，

s表示中包含

i船的子集，表示shapley方法的加权因子。

28、进一步地，所述对初始转向角进行二次约束，具体包括：将船舶

i对不同的子集的pcr占比以及对海域监管的影响程度占比进行归一化后，得到冲突场景中第

i艘船舶在多船冲突中的pcr占有部分和第

i艘船舶在混合多船场景中对海域监管的影响程度占有部分值，并基于和对冲突场景中船舶的危险度和影响程度进行排名；根据危险度和影响程度排名，将pcr较高和对海域监管影响程度较大船舶的可选角度进行适当增大，计算方法如下式所示：

29、

30、其中，表示第

i艘船舶的潜在危险度倒序排名，即对升序排列后

i船的次序；表示第i艘船舶的对海域监管的影响程度倒序排名，即的升序排列后

i船的次序；和是转向角改变基数，是经过shapley值计算得到的第

i艘船舶的可选转向空间增量，当第

i艘船舶的转向空间被约束为仅向左转或仅向右转时，船舶可选转向空间在最大转向幅度的基础上增加，当第

i艘船舶被认为是直航责任高时，船舶可选转向空间在最小和最大转向幅度的基础上分别减少和增加，表示为：

31、。

32、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

33、本发明提出了一种混行环境多船冲突双阈值触发条件，该触发条件创新性地考虑了不同驾驶模式船舶对海域航行的影响程度和水域船舶碰撞潜在风险，能精准把控冲突船舶疏解时机，避免无效决策与紧迫危险情况发生，显著提升多船冲突疏解的效率与安全。

34、本发明提出了船舶转向空间的双层约束，在符合避碰规则的前提下，通过shapley值法，根据船舶危险程度和智能船舶对水域航行安全的影响程度为每艘船舶计算并分配可转向空间，使得船舶避让过程更公平、协同性更强。

35、基于上述理由本发明可在海上混行交通和海上船舶安全监管等领域广泛推广。