船舶碰撞风险量化方法、系统和存储介质
技术领域
本发明涉及船舶碰撞风险评估技术领域，尤其是一种船舶碰撞风险量化方法、系统和存储介质。
背景技术
船舶领域是指周围存在一片空白的水域，其意义在于提供一个水域，如果该水域被其他船舶或者目标入侵，则存在碰撞风险。目前，船舶领域模型的建立方法主要包括船舶交通数据统计，专家判断和理论分析，即航行经验船舶领域、专家知识船舶领域和解析表达船舶领域。船舶领域是在长期的航海实践中形成的规律，即船员为避免碰撞与其他船舶或障碍物保持的距离。因此，船舶避碰是船舶领域最合适的应用方向。但是，现有技术更倾向于使用安全距离替代船舶领域，或使用简单、固定的船舶领域模型代替船舶领域，因而，在实际使用过程中，无法为船舶提供一个及时有效的碰撞风险量化方法，使得船舶驾驶人员无法及时掌握当前船舶的会遇局面。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种船舶碰撞风险量化方法、系统和存储介质，其能使得船舶驾驶人员及时掌握当前船舶的会遇局面。
第一方面，本发明实施例提供了：
一种船舶碰撞风险量化方法，包括以下步骤：
获取第一AIS数据，所述第一AIS数据包括第一船舶信息、第一航行信息、第一航道信息和所述第一AIS数据的第一获取时间；
根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域；
获取第二AIS数据，所述第二AIS数据包括第二船舶信息、第二航行信息、第二航道信息和所述第二AIS数据的第二获取时间；
根据所述船舶领域和所述第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值；
其中，所述第一AIS数据为第一船舶和第二船舶的航行状态处于相对稳定状态时对应的AIS数据；所述第二AIS数据为实时数据；所述船舶信息包括船舶长宽信息和船舶相对距离；所述航行信息包括航行速度和航行方向。
进一步地，所述根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域，包括：
根据所述第一AIS数据计算所述第一船舶的安全距离；
根据所述安全距离建立所述第一船舶模型的船舶领域模型；
根据所述船舶领域模型确定所述第一船舶模型的船舶领域。
进一步地，所述安全距离包括前方安全距离、后方安全距离、右舷安全距离和左舷安全距离，所述根据所述第一AIS数据计算所述第一船舶的安全距离，包括：
根据所述第一AIS数据计算计算所述第一船舶的前方安全距离和右舷安全距离；
根据所述前方安全距离计算所述第一船舶的后方安全距离；
根据所述右舷安全距离计算所述第一船舶的左舷安全距离。
进一步地，所述根据所述安全距离建立所述第一船舶模型的船舶领域模型，包括：
获取所述第一船舶的位置信息；
根据所述位置信息构建坐标系；
根据所述安全距离在所述坐标系上建立所述第一船舶模型的船舶领域模型。
进一步地，所述获取第一AIS数据，包括：
获取历史AIS数据；
从所述历史AIS数据中筛选处于相对稳定状态的数据作为第一AIS数据；
进一步地，所述从所述历史AIS数据中筛选处于相对稳定状态的数据，包括：
当所述第二船舶位于所述第一船舶的前方且所述历史AIS数据符合第一预设条件，将所述历史AIS数据作为第一AIS数据；
当所述第二船舶位于所述第一船舶的右舷且所述历史AIS数据符合第二预设条件，将所述历史AIS数据作为第一AIS数据。
进一步地，所述根据所述船舶领域和所述第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值，其具体为：
当所述第二船舶进入所述船舶领域时，根据第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值。
第二方面，本发明实施例提供了：
一种船舶碰撞风险量化系统，包括：
第一获取模块，用于获取第一AIS数据，所述第一AIS数据包括第一船舶信息、第一航行信息、第一航道信息和所述第一AIS数据的第一获取时间；
确定模块，用于根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域；
第二获取模块，用于获取第二AIS数据，所述第二AIS数据包括第二船舶信息、第二航行信息、第二航道信息和所述第二AIS数据的第二获取时间；
计算模块，用于根据所述船舶领域和所述第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值；
其中，所述第一AIS数据为第一船舶和第二船舶的航行状态处于相对稳定状态时对应的AIS数据；所述第二AIS数据为实时数据；所述船舶信息包括船舶长宽信息和船舶相对距离；所述航行信息包括航行速度和航行方向。
第三方面，本发明实施例提供了：
一种船舶碰撞风险量化系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行所述的船舶碰撞风险量化方法。
第四方面，本发明实施例提供了：
一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述的船舶碰撞风险量化方法。
本发明的有益效果是：本发明通过根据获取的第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域，接着获取第二AIS数据，并根据船舶领域和第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值，以使驾驶人员通过查看显示的碰撞风险值，即能及时掌握当前船舶的会遇局面。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例的船舶碰撞风险量化方法的流程图；
图2为一种具体实施例的相对稳定状态下的船舶航行状态示意图；
图3为一种具体实施例的船舶领域的边界示意图；
图4为一种具体实施例的位置风险计算示意图；
图5为一种具体实施例的航向风险计算示意图；
图6为一种具体实施例的货船和客轮位置关系意图；
图7为一种具体实施例的船舶和客轮的碰撞风险值变化过程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
参照图1，本发明实施例提供了一种船舶碰撞风险量化方法，本实施例可应用于服务端，所述服务端可与多个终端设备通信。所述终端设备可以为船舶航行的控制端、数据检测设备、显示设备等。
本实施例包括以下步骤：
S11、获取第一AIS数据，所述第一AIS数据包括第一船舶信息、第一航行信息、第一航道信息和所述第一AIS数据的第一获取时间；所述第一AIS数据为船舶处于相对稳定状态时对应的AIS数据。所述相对稳定状态指两艘船舶间的相对运动关系不会发生显著变化。所述第一船舶信息包括船舶长宽信息和船舶相对距离；所述第一航行信息包括航道信息、船舶航行速度和船舶航行方向。所述航行速度也可用平均航速代替。
在一些实施例中，所述获取第一AIS数据，其可以通过以下方式实现：
获取历史AIS数据；所述历史AIS数据为处于当前时刻之前的所有AIS数据。
从所述历史AIS数据中筛选处于相对稳定状态的数据作为第一AIS数据；
具体地，所述从所述历史AIS数据中筛选处于相对稳定状态的数据，包括：
当所述第二船舶位于所述第一船舶的前方且所述历史AIS数据符合第一预设条件，将所述历史AIS数据作为第一AIS数据；
当所述第二船舶位于所述第一船舶的右舷且所述历史AIS数据符合第二预设条件，将所述历史AIS数据作为第一AIS数据。
在本实施例中，所述第一预设条件包括两船舶航速差距的取值范围、两船舶航向角度差的取值范围，量船舶的相对方位角差值的取值范围。所述第二预设条件包括两船舶航向角度差的取值范围，量船舶的相对方位角差值的取值范围。
例如，第一船舶模型为本船舶，第二船舶模型为目标船舶，则目标船舶与本船舶之间的航行状态是否处于相对稳定状态，可通过表1的条件进行判断：
表1
当目标船舶与本船舶满足表1所示条件时，则可判定目标船舶和本船舶处于相对稳定的航行状态。例如，当目标船舶221位于本船舶210的正前方或者目标船舶222位于本船舶210的右舷时，其相对稳定的航行状态如图2所示。
S12、根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域；
在一些实施例中，所述根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域，其具体可通过以下方式实现：
S121、根据所述第一AIS数据计算所述第一船舶的安全距离；
具体地，所述安全距离包括前方安全距离、后方安全距离、右舷安全距离和左舷安全距离，所述根据所述第一AIS数据计算所述第一船舶的安全距离，包括：
根据所述第一AIS数据计算计算所述第一船舶的前方安全距离和右舷安全距离；
本步骤中，如图2所示，当船舶之间处于相对稳定状态时，将船舶间的距离作为安全距离。具体地，可利用第一AIS数据，通过线性回归确定安全距离与船舶船长、船舶航速和航道宽度之间的函数关系。其中，本船舶的前方安全距离与船舶船长和船舶航速之间的关系如公式1所示：
d1＝a1×v2+b1×l+c1公式1
其中，d1为前方安全距离；v为船舶航速；l为船舶船长(本船舶和目标船舶之间船长的较大值)；a1、b1和c1为常数，通过线性回归确定。
本船舶的右舷安全距离如公式2所示：
d2＝a2×v2+b2×l+c2×w+h2公式2
其中，d2为右舷安全距离；w为航道宽度；a2、b2、c2和h2为常数，通过线性回归确定。
在计算得到前方安全距离后，根据所述前方安全距离计算所述第一船舶的后方安全距离；所述后方安全距离可通过公式3计算得到：
其中，d3为后方安全距离。
在计算得到右舷安全距离后，根据所述右舷安全距离计算所述第一船舶的左舷安全距离，所述左舷安全距离可通过公式4计算得到：
其中，d4为左舷安全距离。
S122、根据所述安全距离建立所述第一船舶模型的船舶领域模型；
具体地，本步骤可先获取第一船舶的位置信息，接着根据位置信息构建坐标系，然后根据所述安全距离在所述坐标系上建立所述第一船舶模型的船舶领域模型。其中，可分别将前方安全距离、后方安全距离、左舷安全距离和右舷安全距离作为椭圆的长轴和短轴绘制椭圆，并分别取4个椭圆的1/4部分在所述构建的坐标系中构成船舶领域模型，然后根据所述船舶领域模型确定所述第一船舶模型的船舶领域。具体地，根据船舶领域模型可确定如图3所示的船舶领域，从图3所示的船舶领域可知，该船舶领域的大小由前方安全距离d1、右舷安全距离d2、后方安全距离d3和左舷安全距离d4确定。其中，图3所示的船舶领域的边界可通过公式5确定：
其中，L表示船舶领域的边界。
S13、获取第二AIS数据，所述第二AIS数据为实时采集的数据，其包括第二船舶信息、第二航行信息、第二航道信息和所述第二AIS数据的第二获取时间。所述船舶信息包括船舶长宽信息和船舶相对距离；所述航行信息包括航行速度和航行方向。所述船舶相对距离、航行速度和航行方向可通过AIS、ARPA采集。
S14、根据所述船舶领域和所述第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值CRI；其中，碰撞风险值CRI的取值范围为[0,1]，当所述第二船舶进入所述船舶领域时，根据第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值。当目标船舶在本船舶的船舶领域的边界上时，CRI为0；当目标船舶进入本船舶的船舶领域的边界上时，CRI大于0；当两船舶相撞时，CRI为1.具体地，CRI可通过公式6计算得到：
CRI＝CRIL×CRIA公式6
其中，CRIL为位置风险值，CRIA为航向风险值。
具体地，位置风险值CRIL取决于目标船舶在本船舶的船舶领域中的位置，其可通过公式7计算得到：
其中，d和dh的关系如图4所示，d为目标船舶420与本船舶410之间的距离，dh为目标船舶420在本船舶410方向上距离船舶领域边界的距离。
航向风险值CRIA由目标船舶的航向和本船舶相对目标船舶的航向确定，其可通过公式8计算得到：
CRIA＝cos(α-β)×k+1公式8
其中，如图5所示，α为目标船舶520相对于本船舶510的相对方位角；β为目标船舶的航向；k为角度系数，用于描述航向对碰撞威胁的影响程度。
在一些实施例中，以某段河流领域的实际AIS数据建立船舶模型，并分析一艘货船与一艘客轮会遇时的风险变化情况。其中，以货船作为本船舶，其长度为78米，航速约为5节；客轮为目标船舶，航速约为7节。根据实际AIS数据进行分析可得如图6所示的货船与客轮的航迹和位置关系，以及如图7所示的两船会遇期间碰撞风险值的变化情况。由图6和图7可知，客轮从货船船首驶过，碰撞的风险先增加后降低。在经过货船船首之前，CRI会快速变化，因为客轮正朝货船驶去。经过货船的船首后，客轮离开货船的航线，CRI的变化速度变慢。
本发明实施例提供了一种与图1方法相对应的船舶碰撞风险量化系统，包括：
第一获取模块，用于获取第一AIS数据，所述第一AIS数据包括第一船舶信息、第一航行信息、第一航道信息和所述第一AIS数据的第一获取时间；
确定模块，用于根据所述第一AIS数据确定第一船舶的船舶领域；
第二获取模块，用于获取第二AIS数据，所述第二AIS数据包括第二船舶信息、第二航行信息、第二航道信息和所述第二AIS数据的第二获取时间；
计算模块，用于根据所述船舶领域和所述第二AIS数据计算船舶的碰撞风险值；
其中，所述第一AIS数据为第一船舶和第二船舶的航行状态处于相对稳定状态时对应的AIS数据；所述第二AIS数据为实时数据；所述船舶信息包括船舶长宽信息和船舶相对距离；所述航行信息包括航行速度和航行方向。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种船舶碰撞风险量化系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行所述的船舶碰撞风险量化方法。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述的船舶碰撞风险量化方法。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
