技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種海域交通管制方法，尤其涉及一種基于滾動規(guī)劃策略的海域交通管制方法。

背景技術(shù)：

隨著全球航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，部分繁忙海域內(nèi)的交通愈加擁擠。在船舶交通流密集復(fù)雜海域，針對船舶間的沖突情形仍然采用航行計(jì)劃結(jié)合人工間隔調(diào)配的管制方式已不能適應(yīng)航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展。為保證船舶間的安全間隔，實(shí)施有效的沖突調(diào)配就成為海域交通管制工作的重點(diǎn)。船舶沖突解脫是航海領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，安全高效的解脫方案對于增加海域船舶流量以及確保海運(yùn)安全具有重大意義。

為了提高船舶的航行效率，船用雷達(dá)自動標(biāo)繪儀目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到船舶監(jiān)控和避碰中，該設(shè)備通過提取船舶相關(guān)信息為船舶間沖突情形的判定提供參考依據(jù)。盡管此類設(shè)備極大降低了人工監(jiān)控的負(fù)荷，但它并不具備船舶自動沖突解脫功能。針對船舶沖突解脫問題，目前的處理方式主要包括幾何式確定性算法和啟發(fā)式智能算法兩大類方案，相關(guān)文獻(xiàn)研究主要集中在無約束條件下兩船舶間的沖突避讓規(guī)劃算法并且多以“離線形式”為存在沖突的船舶規(guī)劃解脫軌跡，由此造成各個(gè)船舶解脫軌跡的動態(tài)適應(yīng)性和魯棒性較差。此外，在船舶實(shí)際航行中，受氣象條件、導(dǎo)航設(shè)備以及駕駛員操作等各種因素的影響，它的運(yùn)行狀態(tài)往往不完全屬于某一特定的運(yùn)動狀態(tài)，在船舶軌跡預(yù)測過程中需要考慮各種隨機(jī)因素的影響，通過獲取各類隨機(jī)因素的最新特性對其未來軌跡實(shí)施滾動預(yù)測并增強(qiáng)其軌跡預(yù)測的魯棒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種魯棒性較好的基于滾動規(guī)劃策略的航海交通管制方法，該方法的船舶軌跡預(yù)測精度較高且可有效防止船舶運(yùn)行沖突。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種基于滾動規(guī)劃策略的航海交通管制方法，包括如下幾個(gè)步驟：

①通過海面雷達(dá)獲得船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維位置序列x'＝[x₁',x₂',...,x_n']和y'＝[y₁',y₂',...,y_n']，通過應(yīng)用小波變換理論對原始離散二維位置序列x'＝[x₁',x₂',...,x_n']和y'＝[y₁',y₂',...,y_n']進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,...,x_n]和y＝[y₁,y₂,...,y_n]；

②在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)步驟①得到的船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息滾動推測未來時(shí)段內(nèi)船舶的軌跡，其具體過程如下：

2.1)船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，依據(jù)所獲取的船舶原始離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,...,x_n]和y＝[y₁,y₂,...,y_n]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的船舶離散位置序列△x＝[△x₁,△x₂,...,△x_n-1]和△y＝[△y₁,△y₂,...,△y_n-1]，其中△x_i＝x_i+1-x_i,△y_i＝y(tǒng)_i+1-y_i(i＝1,2,...,n-1)；

2.2)對船舶軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的船舶離散二維位置序列△x和△y，通過設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；

2.3)在每一采樣時(shí)刻對船舶軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處理后的船舶運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)△x和△y視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù)目N和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動獲取最新隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'；

2.4)依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的隱狀態(tài)q；

2.5)在每一采樣時(shí)刻，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域W，基于船舶當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，獲取未來時(shí)段船舶的位置預(yù)測值O；

③在每一采樣時(shí)刻，基于船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取海域風(fēng)場變量的數(shù)值；

④在每一采樣時(shí)刻，基于各船舶的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定的船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集，當(dāng)船舶間有可能出現(xiàn)違反安全規(guī)則的狀況時(shí)，對其動態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息；

⑤當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足船舶物理性能和海域交通規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)以及融入風(fēng)場變量數(shù)值，采用自適應(yīng)控制理論方法對船舶避撞軌跡進(jìn)行滾動規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，其具體過程如下：

5.1)設(shè)定船舶避撞軌跡規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域Θ、軌跡預(yù)測時(shí)域W；

5.2)設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過給各個(gè)船舶賦予不同的權(quán)重以及融入實(shí)時(shí)風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個(gè)船舶的避撞軌跡和避撞控制策略并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，且各船舶在滾動規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略；

5.3)在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟5.2)直至各船舶均到達(dá)其解脫終點(diǎn)；

所述步驟②中，步驟2.3)中確定航跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)的過程如下：

2.3.1)變量賦初值：應(yīng)用均勻分布給變量π_i，a_ij和b_j(o_k)賦初值和并使其滿足約束條件：和由此得到λ₀＝(π₀,A₀,B₀)，其中o_k表示某一顯觀測值，π₀、A₀和B₀分別是由元素和構(gòu)成的矩陣，令參數(shù)l＝0，o＝(o_t-T'+1,...,o_t-1,o_t)為當(dāng)前時(shí)刻t之前的T'個(gè)歷史位置觀測值；

2.3.2)執(zhí)行E-M算法：

2.3.2.1)E-步驟：由λ_l計(jì)算ξ_e(i,j)和γ_e(s_i)；

變量那么

其中s表示某一隱狀態(tài)；

2.3.2.2)M-步驟：運(yùn)用分別估計(jì)π_i，a_ij和b_j(o_k)并由此得到λ_l+1；

2.3.2.3)循環(huán)：l＝l+1，重復(fù)執(zhí)行E-步驟和M-步驟，直至π_i、a_ij和b_j(o_k)收斂，即

|P(o|λ_l+1)-P(o|λ_l)|<ε，其中參數(shù)ε＝0.00001，返回步驟2.3.2.4)；

2.3.2.4)：令λ'＝λ_l+1，算法結(jié)束。

進(jìn)一步的，所述步驟①中，通過應(yīng)用小波變換理論對原始離散二維位置序列x'＝[x₁',x₂',...,x_n']和y'＝[y₁',y₂',...,y_n']進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,...,x_n]和y＝[y₁,y₂,...,y_n]：對于給定的原始二維序列數(shù)據(jù)x'＝[x₁',x₂',...,x_n']，利用如下形式的線性表達(dá)式分別對其進(jìn)行近似：

其中：

f'(x')表示對數(shù)據(jù)平滑處理后得到的函數(shù)表達(dá)式，ψ(x')表示母波，δ、J和K均為小波變換常數(shù)，ψ_J,K(x')表示母波的轉(zhuǎn)換形式，c_J,K表示由小波變換過程得到的函數(shù)系數(shù)，它體現(xiàn)了子波ψ_J,K(x')對整個(gè)函數(shù)近似的權(quán)重大小，若此系數(shù)很小，那么它意味著子波ψ_J,K(x')的權(quán)重也較小，因而可以在不影響函數(shù)主要特性的前提下，從函數(shù)近似過程中將子波ψ_J,K(x')除去；在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，通過設(shè)定閾值χ來實(shí)施“閾值轉(zhuǎn)換”，當(dāng)c_J,K<χ時(shí)，設(shè)定c_J,K＝0；閾值函數(shù)的選取采用如下兩種方式：

和

對于y'＝[y₁',y₂',...,y_n']，也采用上述方法進(jìn)行去噪處理。

更進(jìn)一步的，所述步驟②中，步驟2.4)確定船舶航跡最佳隱狀態(tài)序列的迭代過程如下：

2.4.1)變量賦初值：令g＝2，β_T'(s_i)＝1(s_i∈S)，δ₁(s_i)＝π_ib_i(o₁)，ψ₁(s_i)＝0，其中，

，其中變量ψ_g(s_j)表示使變量δ_g-1(s_i)a_ij取最大值的船舶航跡隱狀態(tài)s_i，參數(shù)S表示隱狀態(tài)的集合；

2.4.2)遞推過程：

2.4.3)時(shí)刻更新：令g＝g+1，若g≤T'，返回步驟2.4.2)，否則迭代終止并轉(zhuǎn)到步驟2.4.4)；

2.4.4)轉(zhuǎn)到步驟2.4.5)；

2.4.5)最優(yōu)隱狀態(tài)序列獲?。?/p>

2.4.5.1)變量賦初值：令g＝T'-1；

2.4.5.2)后向遞推：

2.4.5.3)時(shí)刻更新：令g＝g-1，若g≥1，返回步驟2.4.5.2)，否則終止。

進(jìn)一步的，所述步驟②中，聚類個(gè)數(shù)M'的值為4，隱狀態(tài)數(shù)目N的值為3，參數(shù)更新時(shí)段τ'為30秒，T'為10，預(yù)測時(shí)域W為300秒。

進(jìn)一步的，所述步驟③獲取海域風(fēng)場變量的數(shù)值的具體過程如下：

3.1)設(shè)定船舶的?？课恢脼檐壽E參考坐標(biāo)原點(diǎn)并在水平面上建立橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸；

3.2)在船舶處于直線運(yùn)行狀態(tài)和勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場線性濾波模型x₁(t+△t)＝F(t)x₁(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x₁(t)+v(t)獲取風(fēng)場變量數(shù)值，其中△t表示采樣間隔，x₁(t)表示t時(shí)刻的狀態(tài)向量，z(t)表示t時(shí)刻的觀測向量，且x₁(t)＝[x(t),y(t),v_x(t),v_y(t),w_x(t),w_y(t)]^T，其中x(t)和y(t)分別表示t時(shí)刻船舶位置在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，v_x(t)和v_y(t)分別表示t時(shí)刻船舶速度在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，w_x(t)和w_y(t)分別表示t時(shí)刻風(fēng)場數(shù)值在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，F(xiàn)(t)和H(t)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統(tǒng)噪聲向量和測量噪聲向量：

在船舶處于變速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場非線性濾波模型x₁(t+△t)＝Ψ(t,x₁(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x₁(t))+v(t)和u(t)＝[ω_a(t),γ_a(t)]^T，其中Ψ(·)和Ω(·)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，ω_a(t)和γ_a(t)分別表示轉(zhuǎn)彎率和加速率：

其中：△t表示采樣時(shí)間間隔，

3.3)根據(jù)所構(gòu)建的濾波模型獲取風(fēng)場變量的數(shù)值。

進(jìn)一步的，所述步驟④中對各船舶的動態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息的具體過程如下：

4.1)構(gòu)造船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集D_mr(t)≥D_min，其中D_mr(t)表示任意兩個(gè)船舶m和船舶r在t時(shí)刻的距離，D_min表示船舶間的最小安全距離；

4.2)依據(jù)采樣時(shí)間，建立由船舶連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)至離散采樣狀態(tài)的觀測器Λ:?！?，其中Γ表示船舶的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，Ξ表示船舶的離散采樣狀態(tài)；

4.3)當(dāng)船舶m和r的觀測器Λ_m和Λ_r的離散觀測數(shù)值Ξ_m和Ξ_r在t時(shí)刻表明該向量不在安全規(guī)則集中時(shí)，即關(guān)系式D_mr(t)≥D_min不成立時(shí)，立刻向海上交通控制中心發(fā)出告警信息。

進(jìn)一步的，步驟⑤中，步驟5.2)的具體過程是：令

其中表示t時(shí)刻船舶R當(dāng)前所在位置和下一航道點(diǎn)間的距離的平方，P_R(t)＝(x_Rt,y_Rt)，那么t時(shí)刻船舶R的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：

其中Z_t表示t時(shí)刻海域內(nèi)存在沖突的船舶數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，船舶距離其下一航道點(diǎn)越近，其優(yōu)先級越高；

設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)

，其中R∈I(t)表示船舶代碼且I(t)＝{1,2,...,Z_t}，P_R(t+h△t)表示船舶在時(shí)刻(t+h△t)的位置向量，表示船舶R的解脫終止點(diǎn)，u_R表示待優(yōu)化的船舶R的最優(yōu)控制序列，Q_Rt為正定對角矩陣，其對角元素為船舶R在t時(shí)刻的優(yōu)先級指數(shù)L_Rt，并且

進(jìn)一步的，所述步驟⑤中終止參考點(diǎn)位置P設(shè)定為船舶運(yùn)行的下一個(gè)航道點(diǎn)，避撞策略控制時(shí)域Θ為300秒；軌跡預(yù)測時(shí)域W為300秒。

本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明在船舶軌跡實(shí)時(shí)預(yù)測的過程中，融入了隨機(jī)因素的影響，所采用的滾動軌跡預(yù)測方案能夠及時(shí)提取外界隨機(jī)因素的變化狀況，提高了船舶軌跡預(yù)測的準(zhǔn)確性。

(2)本發(fā)明在船舶沖突解脫過程中，融入了海域內(nèi)風(fēng)場的影響，所采用的滾動解脫軌跡規(guī)劃方案能夠根據(jù)海域內(nèi)風(fēng)場的變化及時(shí)調(diào)整解脫軌跡，提高了船舶沖突解脫的魯棒性。

(3)本發(fā)明基于不同性能指標(biāo)，可以為存在沖突的多個(gè)船舶提供解脫軌跡規(guī)劃方案，提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和海域資源的利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的船舶運(yùn)行短期軌跡生成流程示意圖；

圖2為本發(fā)明中的風(fēng)場濾波方法流程示意圖；

圖3為本發(fā)明中的船舶運(yùn)行態(tài)勢監(jiān)控流程示意圖；

圖4為本發(fā)明中的船舶避撞軌跡優(yōu)化方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

(實(shí)施例1)

本實(shí)施例的一種基于滾動規(guī)劃策略的航海交通管制方法包括如下幾個(gè)步驟：

①通過海面雷達(dá)獲得船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息，各船舶的位置信息為離散二維位置序列x'＝[x₁',x₂',...,x_n']和y'＝[y₁',y₂',...,y_n']，通過應(yīng)用小波變換理論對原始離散二維位置序列x'＝[x₁',x₂',...,x_n']和y'＝[y₁',y₂',...,y_n']進(jìn)行初步處理，從而獲取船舶的去噪離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,...,x_n]和y＝[y₁,y₂,...,y_n]：對于給定的原始二維序列數(shù)據(jù)x'＝[x₁',x₂',...,x_n']，利用如下形式的線性表達(dá)式分別對其進(jìn)行近似：

其中：

f'(x')表示對數(shù)據(jù)平滑處理后得到的函數(shù)表達(dá)式，ψ(x')表示母波，δ、J和K均為小波變換常數(shù)，ψ_J,K(x')表示母波的轉(zhuǎn)換形式，c_J,K表示由小波變換過程得到的函數(shù)系數(shù)，它體現(xiàn)了子波ψ_J,K(x')對整個(gè)函數(shù)近似的權(quán)重大小，若此系數(shù)很小，那么它意味著子波ψ_J,K(x')的權(quán)重也較小，因而可以在不影響函數(shù)主要特性的前提下，從函數(shù)近似過程中將子波ψ_J,K(x')除去；在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，通過設(shè)定閾值χ來實(shí)施“閾值轉(zhuǎn)換”，當(dāng)c_J,K<χ時(shí)，設(shè)定c_J,K＝0；閾值函數(shù)的選取采用如下兩種方式：

和

對于y'＝[y₁',y₂',...,y_n']，也采用上述方法進(jìn)行去噪處理。

②在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)步驟①得到的船舶的實(shí)時(shí)和歷史位置信息滾動推測未來時(shí)段內(nèi)船舶的軌跡，見圖1，其具體過程如下：

2.1)船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，依據(jù)所獲取的船舶原始離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,...,x_n]和y＝[y₁,y₂,...,y_n]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的船舶離散位置序列△x＝[△x₁,△x₂,...,△x_n-1]和△y＝[△y₁,△y₂,...,△y_n-1]，其中△x_i＝x_i+1-x_i,△y_i＝y(tǒng)_i+1-y_i(i＝1,2,...,n-1)；

2.2)對船舶軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的船舶離散二維位置序列△x和△y，通過設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；

2.3)在每一采樣時(shí)刻對船舶軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處理后的船舶運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)△x和△y視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù)目N和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動獲取最新隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'；確定航跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)的過程如下：

2.3.1)變量賦初值：應(yīng)用均勻分布給變量π_i，a_ij和b_j(o_k)賦初值和并使其滿足約束條件：和由此得到λ₀＝(π₀,A₀,B₀)，其中o_k表示某一顯觀測值，π₀、A₀和B₀分別是由元素和構(gòu)成的矩陣，令參數(shù)l＝0，o＝(o_t-T'+1,...,o_t-1,o_t)為當(dāng)前時(shí)刻t之前的T'個(gè)歷史位置觀測值；

2.3.2)執(zhí)行E-M算法：

2.3.2.1)E-步驟：由λ_l計(jì)算ξ_e(i,j)和γ_e(s_i)；

變量那么

其中s表示某一隱狀態(tài)；

2.3.2.2)M-步驟：運(yùn)用分別估計(jì)π_i，a_ij和b_j(o_k)并由此得到λ_l+1；

2.3.2.3)循環(huán)：l＝l+1，重復(fù)執(zhí)行E-步驟和M-步驟，直至π_i、a_ij和b_j(o_k)收斂，即

|P(o|λ_l+1)-P(o|λ_l)|<ε，其中參數(shù)ε＝0.00001，返回步驟2.3.2.4)；

2.3.2.4)：令λ'＝λ_l+1，算法結(jié)束。

2.4)依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的隱狀態(tài)q；確定船舶航跡最佳隱狀態(tài)序列的迭代過程如下：

2.4.1)變量賦初值：令g＝2，β_T'(s_i)＝1(s_i∈S)，δ₁(s_i)＝π_ib_i(o₁)，ψ₁(s_i)＝0，其中，

，其中變量ψ_g(s_j)表示使變量δ_g-1(s_i)a_ij取最大值的船舶航跡隱狀態(tài)s_i，參數(shù)S表示隱狀態(tài)的集合；

2.4.2)遞推過程：

2.4.3)時(shí)刻更新：令g＝g+1，若g≤T'，返回步驟2.4.2)，否則迭代終止并轉(zhuǎn)到步驟2.4.4)；

2.4.4)轉(zhuǎn)到步驟2.4.5)；

2.4.5)最優(yōu)隱狀態(tài)序列獲?。?/p>

2.4.5.1)變量賦初值：令g＝T'-1；

2.4.5.2)后向遞推：

2.4.5.3)時(shí)刻更新：令g＝g-1，若g≥1，返回步驟2.4.5.2)，否則終止。

2.5)在每一采樣時(shí)刻，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域W，基于船舶當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，獲取未來時(shí)段船舶的位置預(yù)測值O。

上述聚類個(gè)數(shù)M'的值為4，隱狀態(tài)數(shù)目N的值為3，參數(shù)更新時(shí)段τ'為30秒，T'為10，預(yù)測時(shí)域W為300秒。

③在每一采樣時(shí)刻，基于船舶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取海域風(fēng)場變量的數(shù)值，見圖2，其具體過程如下：

3.1)設(shè)定船舶的?？课恢脼檐壽E參考坐標(biāo)原點(diǎn)并在水平面上建立橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸；

3.2)在船舶處于直線運(yùn)行狀態(tài)和勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場線性濾波模型x₁(t+△t)＝F(t)x₁(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x₁(t)+v(t)獲取風(fēng)場變量數(shù)值，其中△t表示采樣間隔，x₁(t)表示t時(shí)刻的狀態(tài)向量，z(t)表示t時(shí)刻的觀測向量，且x₁(t)＝[x(t),y(t),v_x(t),v_y(t),w_x(t),w_y(t)]^T，其中x(t)和y(t)分別表示t時(shí)刻船舶位置在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，v_x(t)和v_y(t)分別表示t時(shí)刻船舶速度在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，w_x(t)和w_y(t)分別表示t時(shí)刻風(fēng)場數(shù)值在橫坐標(biāo)軸和縱坐標(biāo)軸上的分量，F(xiàn)(t)和H(t)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統(tǒng)噪聲向量和測量噪聲向量：

在船舶處于變速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，構(gòu)建海域風(fēng)場非線性濾波模型x₁(t+△t)＝Ψ(t,x₁(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x₁(t))+v(t)和u(t)＝[ω_a(t),γ_a(t)]^T，其中Ψ(·)和Ω(·)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，ω_a(t)和γ_a(t)分別表示轉(zhuǎn)彎率和加速率：

其中：△t表示采樣時(shí)間間隔，

3.3)根據(jù)所構(gòu)建的濾波模型獲取風(fēng)場變量的數(shù)值。

④在每一采樣時(shí)刻，基于各船舶的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)定的船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集，當(dāng)船舶間有可能出現(xiàn)違反安全規(guī)則的狀況時(shí)，對其動態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為海上交通控制中心提供及時(shí)的告警信息，見圖3，其具體過程如下：

4.1)構(gòu)造船舶在海域內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集D_mr(t)≥D_min，其中D_mr(t)表示任意兩個(gè)船舶m和船舶r在t時(shí)刻的距離，D_min表示船舶間的最小安全距離；

4.2)依據(jù)采樣時(shí)間，建立由船舶連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)至離散采樣狀態(tài)的觀測器Λ:?！渲笑１硎敬暗倪B續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，Ξ表示船舶的離散采樣狀態(tài)；

4.3)當(dāng)船舶m和r的觀測器Λ_m和Λ_r的離散觀測數(shù)值Ξ_m和Ξ_r在t時(shí)刻表明該向量不在安全規(guī)則集中時(shí)，即關(guān)系式D_mr(t)≥D_min不成立時(shí)，立刻向海上交通控制中心發(fā)出告警信息。

⑤當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足船舶物理性能和海域交通規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)以及融入風(fēng)場變量數(shù)值，采用自適應(yīng)控制理論方法對船舶避撞軌跡進(jìn)行滾動規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，見圖4，其具體過程如下：

5.1)設(shè)定船舶避撞軌跡規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域Θ、軌跡預(yù)測時(shí)域W；

5.2)設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過給各個(gè)船舶賦予不同的權(quán)重以及融入實(shí)時(shí)風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個(gè)船舶的避撞軌跡和避撞控制策略并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各船舶執(zhí)行，且各船舶在滾動規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略：令

其中表示t時(shí)刻船舶R當(dāng)前所在位置和下一航道點(diǎn)間的距離的平方，P_R(t)＝(x_Rt,y_Rt)，那么t時(shí)刻船舶R的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：

其中Z_t表示t時(shí)刻海域內(nèi)存在沖突的船舶數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，船舶距離其下一航道點(diǎn)越近，其優(yōu)先級越高；

設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)

，其中R∈I(t)表示船舶代碼且I(t)＝{1,2,...,Z_t}，P_R(t+h△t)表示船舶在時(shí)刻(t+h△t)的位置向量，表示船舶R的解脫終止點(diǎn)，u_R表示待優(yōu)化的船舶R的最優(yōu)控制序列，Q_Rt為正定對角矩陣，其對角元素為船舶R在t時(shí)刻的優(yōu)先級指數(shù)L_Rt，并且

5.3)在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟5.2直至各船舶均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。

上述終止參考點(diǎn)位置P設(shè)定為船舶運(yùn)行的下一個(gè)航道點(diǎn)，避撞策略控制時(shí)域Θ為300秒；軌跡預(yù)測時(shí)域W為300秒。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。