一种基于AIS的船舶航行态势分类方法及系统与流程

一种基于ais的船舶航行态势分类方法及系统
技术领域
1.本发明涉及航运交通技术领域，尤其涉及一种基于ais的船舶航行态势分类方法及系统。


背景技术：

2.海上交通运输在世界贸易中占据着举足轻重的地位,世界经济的发展也使得某些航道或重要通航水域交通流密度逐年加大。较大的交通流密度和船舶大型化、高速化的发展趋势,提高了运输效率,同时也降低了安全性,导致水上交通事故频发。而在各种水域发生率最高、危害最大的莫过于船舶碰撞。碰撞常会造成重大的人员伤亡、船舶和货物损失,有时还会伴随着溢油等环境危害。因此,开展船舶航行态势研究具有理论和现实双重意义。
3.船舶的航行态势是指船舶在客观环境下受到各种内外因素影响而形成的船舶实际运动趋势及状态，以及后续可能包含的变化。由于船舶周围环境的复杂性，在实际操作中，常以相对运动趋势来描述在某一水域或航道，本船与其他船舶、码头及设施、障碍物等各种物体的相对运动关系，航海中称这种关系为会遇态势。会遇态势包含互见中的会遇局面和能见度不良时的会遇局面，会遇态势的判断是驾驶员确定所适用的1972年《国际海上避碰规则》进而确定船舶的避让责任和应采取的行动的重要依据，也是船舶避让决策的重要组成部分，海上实践表明，对会遇态势的认识不足是造成船舶间避碰行动不协调乃至碰撞的重要原因之一。船舶航行过程中，前方一定范围内当前航道上与所有其他船舶的会遇态势称为船舶航行态势，因此，开展船舶航行态势的分析和研究对船舶航行安全和航线规划具有重要意义。
4.船舶航行态势分类就是利用各种船载设备和传感器的信息，进行综合处理、分析和判断，自动判断船舶航行线路上未来一段时间的航行状态，为航行安全和航路规划提供数据支撑的过程。目前主要依靠船员瞭望、雷达和电子海图提供船舶周围航行态势的分析和预判，智能化程度不高。国内外目前已有部分研究机构和企业开展智能感知相关研发，目前仍处于研发和探索阶段。例如，2017年，英国罗
·
罗公司与瑞典stena line ab签署协议，借鉴aawa项目的成功经验，合作研发首套船舶智能感知系统。该智能感知系统研制成功后可以为船员提供更好的船舶自身及周围环境感知度，以便更加简便、安全、高效地操作船舶。在此方面，我国企业也不甘落后，智能感知系统加紧布局。由此可见，船舶航行态势分类作为一个技术专项，对船舶的智能化研究和主动安全都十分必要，具有重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本发明主要目的在于：提供一种基于ais的船舶航行态势分类方法及系统，以提高船舶的航行环境态势的智能感知能力。
6.本发明所采用的技术方案是：一种基于ais的船舶航行态势分类方法，包括以下步骤：
7.s1、ais原始报文获取及解码：
8.本船利用船载ais系统获取本船和他船的ais原始报文，通过对ais原始报文解码得到本船和他船的船舶位置信息、航行动态参数和航行静态参数；
9.s2、ais数据筛选：
10.对一段时间内获取的本船和他船的船舶位置信息、航行动态参数和航行静态参数进行分析，计算船舶航行轨迹线性方差的大小；若船舶航行轨迹线性方差在预设范围内，则判断船舶为直线航行，保留船舶航行轨迹及对应船舶，否则去除船舶航行轨迹及对应的船舶；
11.s3、群船未来位置预判：
12.对直线航行的所有船舶进行分析，根据各船最新的ais原始报文，提取出经纬度、航速、航向，在时间序列上按照特定的时间间隔向前计算未来一段时间内船舶的多个位置点；
13.s4、单船会遇态势计算：
14.根据计算出来的未来一段时间内船舶的多个位置点，计算未来一段时间内本船与周围一定范围内其它各船之间的相对距离，判断相对距离是否小于一定的阈值从而构成会遇局面，并根据两船的位置和各自航向，判断两船形成的会遇态势类型；
15.s5、基于多船的航行态势判定：
16.计算未来一段时间内所有与本船构成会遇的船舶与本船的会遇态势，然后统计各种会遇态势的船舶的数量和比率，进而根据数量和比率对本船航行态势进行分类。
17.按上述方案，所述的s1中，在收到ais原始报文后，对长短不一的报文进行拼包处理，然后从中解析出以“！aivdm”和“！aivdo”开头的完整的ais报文数据；其中以“！aivdm”开头的是周围其他船舶的ais，以“！aivdo”开头的是本船的ais；
18.对以“！aivdm”和“！aivdo”开头的暗码报文进行解析。
19.按上述方案，所述的s2具体包括：
20.获取船舶航行轨迹，即通过记录本船和他船一段时间的不同位置的经纬度坐标，从而得到船舶位置和时间的二维关系曲线，作为船舶航行轨迹；
21.轨迹线性方差计算，即分别对每条船舶航行轨迹的经纬度坐标进行微积分计算，分别得到每条船舶航行轨迹的经度和纬度的变化均值，然后再分别计算每条船舶航行轨迹的经度和纬度变化方差的大小；
22.轨迹筛选，即根据每条船舶航行轨迹的经度和纬度变化方差的大小，判断船舶的航行轨迹是否具有线性规律，若某船经度或纬度变化方差大于分别预设的特定阈值，则去除船舶航行轨迹及对应的船舶。
23.按上述方案，所述s4中，一定的阈值为预设值，满足《国际海上避碰规则》的要求。
24.按上述方案，所述s4中，判断两船形成的会遇态势类型，具体包括：
25.计算他船相对本船的舷角；然后根据本船的航向角、他船的航向角及他船相对本船的舷角，按照《国际海上避碰规则》，分为对遇、交叉、追越三种会遇态势。
26.按上述方案，根据本船与他船的航向角之差是否大于180
°
，对所述对遇进行进一步划分为对向对遇和其他会遇态势。
27.按上述方案，根据本船与他船的航向角之差是否小于180
°
，对所述的追越进行进一步划分为同向追越和其他会遇态势。
28.按上述方案，所述的s5具体按以下公式判定最终的航行态势：
[0029][0030]
其中，t(s,r
x
,ry,rz)为航行态势判定函数；s为与本船会遇船舶总数；n为会遇船舶总数较小阈值；r
x
为对遇会遇态势对应的比率，即对遇会遇态势对应会遇态势的船舶数量占s的百分比；ry为交叉会遇态势对应的比率；rz为追越会遇态势对应的比率；m为会遇船舶总数较大阈值；a，b分别为会遇态势对应的比率的大阈值和小阈值。
[0031]
一种基于ais的船舶航行态势分类系统，本系统包括：
[0032]
信号采集端，用于从船载ais系统获取本船和他船的ais原始报文；
[0033]
信号传输端，用于传输信号采集端采集的ais原始报文；
[0034]
数据处理器，用于从信号传输端接收所述的ais原始报文，并执行以实现所述的基于ais的船舶航行态势分类方法的步骤。
[0035]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被数据处理器执行时实现所述的基于ais的船舶航行态势分类方法的步骤。
[0036]
本发明产生的有益效果是：
[0037]
1、本发明采用ais原始报文作为处理对象，因此不受天气、光线等因素的影响；同时由于ais的接收范围一般在几十海里，因此，检测范围较大，能实现超视距检测；从而提高船舶的航行环境态势的智能感知能力。
[0038]
2、本发明能同时对周围所有船舶的ais原始报文进行分析和计算，对所有与本船有会遇关系的船舶进行会遇态势判断，因此比现有的人工和雷达海图等方式更全面、效率更高。
[0039]
3、本方法利用ais数据进行自动计算和态势预判，排除了人为因素的干扰，智能化程度较高。
附图说明
[0040]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0041]
图1是本发明一实施例的方法流程图。
[0042]
图2是本发明一实施例中ais原始报文解析示意图。
[0043]
图3是本发明一实施例中船舶经、纬度变化微分示意图。
[0044]
图4是本发明一实施例中本船与他船未来位置预判示意图。
[0045]
图5是本发明一实施例中会遇态势判定中的角度关系示意图。
[0046]
图6是本发明一实施例中会遇态势判定示意图。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0048]
本发明提供一种基于ais的船舶航行态势分类系统，本系统包括信号采集端，用于从船载ais系统获取本船和他船的ais原始报文；信号传输端，用于传输信号采集端采集的ais原始报文；数据处理器，用于从信号传输端接收所述的ais原始报文，并执行以实现下述基于ais的船舶航行态势分类方法的步骤。本实施例中，只需在船舶上新增串口连接线获取原本船载ais系统中的数据，然后增加数据处理主机进行数据处理即可。
[0049]
如图1所示，本发明提供一种基于ais的船舶航行态势分类方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、ais原始报文获取及解码：
[0051]
如图2所示，本船利用船载ais系统获取本船和他船的ais原始报文，通过对ais原始报文解码得到本船和他船的船舶位置信息、航行动态参数和航行静态参数。具体为：
[0052]
1)获取ais原始报文。
[0053]
直接从现有的船载ais系统获取本船和他船的ais数据。将分析处理器直接通过串口连接线与已有的船载ais系统串口输出单元相连，在分析处理器接收该串口输出的所有报文数据，对长短不一的报文进行拼包处理，然后从中解析出以“！aivdm”和“！aivdo”开头的完整的ais报文数据的过程。其中以“！aivdm”开头的是周围其他船舶的ais，以“！aivdo”开头的是本船的ais。
[0054]
2)报文解析。
[0055]
ais原始报文采用6位压缩的ascii码进行传输，遵从nmea0183协议，分为明码电文和暗码电文，本处需要对以“！aivdm”和“！aivdo”开头的暗码报文进行解析，从中提取出对应船舶的mmsi(maritime mobile service identify，水上移动通信业务标识码)、船名、经纬度坐标、航速、航向等船舶位置信息、航行动态和静态参数等。
[0056]
s2、ais数据筛选：
[0057]
对一段时间内获取的本船和他船的船舶位置信息、航行动态参数和航行静态参数进行分析，计算船舶航行轨迹线性方差的大小；若船舶航行轨迹线性方差在预设范围内，则判断船舶为直线航行，保留船舶航行轨迹及对应船舶，否则去除船舶航行轨迹及对应的船舶。
[0058]
主要包括获取船舶航行轨迹、轨迹线性方差计算和轨迹筛选。
[0059]
获取船舶航行轨迹是通过记录各船此前一段时间的不同位置的经纬度坐标，从而得到船舶位置和时间的二维关系曲线，即船舶航行轨迹。假设过去一段时间t内，共获得某船n个ais位置报文，则船舶航行轨迹公式描述如下：
[0060]
t(t)＝φ((lon1,lat1),(lon2,lat2),...,(lonn,latn))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0061]
其中t(t)表示轨迹时间函数，φ表示位置点集合，(loni,lati)表示第i个位置点坐标。
[0062]
轨迹线性方差计算是通过微积分理论，分别对轨迹的经度和纬度坐标进行微积分计算，分别得到轨迹的经度和纬度的变化均值，然后再分别计算经度和纬度变化方差的大小，以此衡量轨迹的直线化程度的过程。如图3所示，假设某船舶一段时间的航行轨迹有n个点，(lon
i-1
,lat
i-1
)和(loni,lati)为轨迹上相邻的两点，lon
i-1
和lat
i-1
分别为i-1点的经度和纬度，loni和lati分别为i点的经度和纬度，则两点的经度微分差δ(loni)计算公式如下：
[0063]
δ(loni)＝lon
i-lon
i-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0064]
纬度微分差δ(lati)计算公式如下：
[0065]
δ(lati)＝lat
i-lat
i-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
分别对n个点的经、纬度的微分差进行积分运算，设s
lon
为经度微积分函数，s
lat
为纬度微积分函数，则计算公式如下：
[0067][0068][0069]
对经、纬度微积分求平均值，得到经、纬度变化均值，计算公式如下：
[0070][0071][0072]
其中，为n个点的经度变化均值，为纬度变化均值。
[0073]
根据数学理论可知，轨迹经、纬度变化方差越小表示经、纬度变化越稳定，运动轨迹越接近直线，反之运行轨迹偏离直线。设经度变化方差为v
lon
，计算公式如下：
[0074][0075]
设纬度变化方差为v
lat
，计算公式如下：
[0076][0077]
轨迹筛选，就是根据线性方差的大小判断船舶的航行轨迹是否具有线性规律，若某船经度变化方差v
lon
大于特定阈值，或纬度变化方差v
lat
大于特定阈值，均表明该船运行没有特定规律，运动轨迹不可预测，不能预判该船未来航行态势，因此将该船从分析队列剔除。
[0078]
s3、群船未来位置预判：
[0079]
如图4所示，对直线航行的所有船舶进行分析，根据各船最新的ais原始报文，提取出经纬度、航速、航向，在时间序列上按照特定的时间间隔向前计算未来一段时间内船舶的多个位置点。主要包括本船未来位置计算、他船未来位置计算。
[0080]
本船未来位置计算就是根据本船最新的经纬度坐标、航速、航向和航行时间，计算未来一段时间内本船的多个经纬度坐标。假设本船当前的经纬度坐标为(lon
s0
,lat
s0
)，其中lon
s0
为经度，lat
s0
为纬度。设本船航速为vs，航向角为cs，则本船在未来某一时刻的位置计算公式如下：
[0081]
ps(lon,lat)＝f(lon
s0
,lat
s0
,vs,cs,δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0082]
其中ps(lon,lat)为本船新的经纬度坐标，lon为经度坐标，lat为纬度坐标，δt为航行时间。本公式描述的计算方法涉及地理学和数学理论，本处不作详细论述。
[0083]
同理，根据他船的经纬度坐标、航速、航向和航行时间，计算他船未来时刻位置坐标的计算公式如下：
[0084]
p
t
(lon,lat)＝f(lon
t0
,lat
t0
,v
t
,c
t
,δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0085]
其中p
t
(lon,lat)为他船新的经纬度坐标，lon
t0
为当前的经度，lat
t0
为当前纬度，v
t
为他船航速，c
t
为他船航向角。
[0086]
s4、单船会遇态势计算：
[0087]
根据计算出来的未来一段时间内船舶的多个位置点，计算未来一段时间内本船与周围一定范围内其它各船之间的相对距离，判断相对距离是否小于一定的阈值从而构成会遇局面，并根据两船的位置和各自航向，判断两船形成的会遇态势类型。
[0088]
计算本船与他船未来相对距离就是在计算出本船和他船的未来多个位置之后，计算本船和他船对应位置之间的距离。设未来某时刻本船的位置为ps(lons,lats)，他船的位置为p
t
(lon
t
,lat
t
)，则某时刻两船之间距离计算公式如下：
[0089][0090]
其中s为两船之间相对距离，r为地球半径。
[0091]
判断两船是否构成会遇是指如果在未来一段时间内本船与他船最小距离小于某一设定阈值t则构成会遇。阈值t的设定需满足《国际海上避碰规则》的要求，其大小足以保证航行安全。
[0092]
他船与本船舷角计算是指计算他船所在位置相对本船前进方向的角度。该过程包含他船相对本船偏北角计算、舷角计算两个步骤。
[0093]
如图5所示，假设本船的位置为ps(lons,lats)，他船位置为p
t
(lon
t
,lat
t
)，则他船相对本船的偏北角计算公式如下：
[0094]cn
＝f(lats,lons,lat
t
,lon
t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0095]
其中cn为他船相对本船的偏北角，f(lats,lons,lat
t
,lon
t
)表示偏北角计算函数，函数的输入参数为本船和他船的经、纬度坐标。
[0096]
假设本船航向角为cs，综合考虑他船相对本船的偏北角，他船相对于本船的舷角ch计算公式如下：
[0097][0098]
会遇态势判定是指根据本船的航向角、他船的航向角及他船相对本船的舷角综合判定两船的会遇态势。按照《国际海上避碰规则》，根据本船和他船的位置，将会遇态势f(ch)分为以下几种：
[0099][0100]
进一步对以上会遇态势进行细分。假设对遇态势中，本船航向角为cs，他船航向角为c
t
，则两船航向角之差计算公式如下：
[0101]
dc＝|c
s-c
t
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0102]
如果航向角之差小于180
°
，表明两船同向航行，否则，表明两船对向航行，因此可将对遇进一步划分成两种态势如下：
[0103][0104]
其中，fd(ch,cs,c
t
)为对遇细分函数。
[0105]
同理，进一步对追越态势进行细分，若两船航向角之差小于180
°
，表明两船同向航行，本船被追越，否则，他船在本船后方逐渐远离，不构成追越局面。因此，可将追越进一步划分成两种态势如下：
[0106][0107]
其中，fz(ch,cs,c
t
)为追越态势细分函数。
[0108]
因此，结合他船相对本船的舷角ch、本船航向角cs、他船航向角c
t
的最终会遇态势计算公式如下：
[0109][0110]
s5、基于多船的航行态势判定：
[0111]
计算未来一段时间内所有与本船构成会遇的船舶与本船的会遇态势，然后统计各种会遇态势的船舶的数量和比率，进而根据数量和比率对本船航行态势进行分类。
[0112]
如图6所示，假设未来一段时间本船共与x艘船对遇，与y艘船交叉，与z艘船形成追越，则与本船会遇船舶总数s计算公式如下：
[0113]
s＝x y z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0114]
每种会遇态势对应的比率为对应会遇态势的船舶数量占s的百分比，分别设为r
x
、ry、rz。若会遇船舶总数s小于某一特定阈值，说明未来一段时间航线畅通；若s大于特定阈值，r
x
、ry或rz中某值明显大于其他数值且其他值较小，则判定本船未来构成r
x
、ry或rz较大值对应的态势；若s大于特定阈值，r
x
、ry或rz中有两个值较大，则判定本船未来一段时间航行态势复杂。最终的航行态势判定公式如下：
[0115][0116]
其中，t(s,r
x
,ry,rz)为航行态势判定函数，n为会遇船舶总数较小阈值，m为会遇船舶总数较大阈值，a，b分别为不同会遇态势船舶占总数百分比的大阈值和小阈值。
[0117]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程
序被数据处理器执行时实现所述的基于ais的船舶航行态势分类方法的步骤。
[0118]
因此，本发明提供的一种基于ais的船舶航行态势分类方法及系统，采用ais原始报文作为处理对象，因此不受天气、光线等因素的影响；同时由于ais的接收范围一般在几十海里，因此，检测范围较大，能实现超视距检测；能同时对周围所有船舶的ais原始报文进行分析和计算，对所有与本船有会遇关系的船舶进行会遇态势判断，因此比现有的人工和雷达海图等方式更全面、效率更高；利用ais数据进行自动计算和态势预判，排除了人为因素的干扰，智能化程度较高；最终实现提高船舶的航行环境态势的智能感知能力的目的。
[0119]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。