本發(fā)明涉及船舶測試，具體涉及一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、船舶航行避碰技術(shù)經(jīng)過大半個世紀(jì)的發(fā)展，其研究方法已由早期的經(jīng)典數(shù)學(xué)理論向使用人工智能技術(shù)和交叉學(xué)科的方向發(fā)展，考慮海上避碰規(guī)則和實踐要求的智能化、實用化需求，對避碰算法進(jìn)行測試是非常必要的。

2、在目前的避碰測試場景構(gòu)建中，對避碰規(guī)則和復(fù)雜態(tài)勢的量化是關(guān)鍵。在進(jìn)行基于《1972年國際海上避碰規(guī)則》的避碰場景構(gòu)建時，由于這些規(guī)則的內(nèi)容主要是為船上的船員而制定的，沒有提供參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)，其實施依賴于船員的主觀判斷。因此，目前不能直接用于制定一套全面的避碰測試場景系統(tǒng)，也不包括航道交通場景方面的信息，故需要對避碰指標(biāo)進(jìn)行量化分類。同時，考慮到真實航行環(huán)境中的避碰場景難以窮盡，且每一類避碰場景均由很多因素組成，而目前通過傳統(tǒng)的人工手動設(shè)置的方法生成避碰場景的工作量巨大、非常低效且具有很大的局限性，難以覆蓋海上避碰規(guī)則所規(guī)定的全部會遇局面，不能夠?qū)Ρ芘鏊惴ㄟM(jìn)行充分的測試，同時，危險場景和極端場景的出現(xiàn)概率比較小，導(dǎo)致仿真抽取的有效樣本少、測試效率低下，且極地海域還存在冰困、浮冰等特有問題，因此應(yīng)進(jìn)一步明確測試場景參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決目前避碰場景構(gòu)建過程中存在的工作量大、低效、局限性大、不能對避碰算法進(jìn)行充分的測試以及極地海域還存在冰困、浮冰等問題，本發(fā)明提供了一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法，基于海上避碰規(guī)則所規(guī)定的各類船舶會遇態(tài)勢，將船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行參數(shù)化解耦按照方位角和航向角分成多個場景類型，并通過在不同范圍內(nèi)隨機生成確定值以及采用特定的計算方法以快速獲取大量不同類型的船舶避碰測試場景，從而有效解決傳統(tǒng)船舶避碰場景生成全面性差的問題。本發(fā)明還涉及一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)化解耦步驟：獲取本船和目標(biāo)船舶的ais數(shù)據(jù)，所述ais數(shù)據(jù)包括本船和目標(biāo)船舶的經(jīng)緯度位置信息、航向角、本船航速和目標(biāo)船舶航速，依據(jù)獲取的ais數(shù)據(jù)并基于海上避碰規(guī)則確定船舶會遇態(tài)勢，再對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行參數(shù)化解耦，實現(xiàn)方位角量化和距離量化，分別量化計算出目標(biāo)船舶相對于本船的方位角，以及本船與目標(biāo)船舶之間的距離；

5、場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定步驟：根據(jù)航向角和量化的目標(biāo)船舶相對于本船的方位角對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行劃分，得到多個場景類型，根據(jù)場景類型設(shè)定本船和目標(biāo)船舶的航向角范圍、以及目標(biāo)船舶相對于本船的方位角范圍，根據(jù)量化的本船與目標(biāo)船舶之間的距離并基于海上避碰規(guī)則設(shè)定本船與目標(biāo)船舶之間的距離范圍；

6、場景初始參數(shù)生成步驟：在各自設(shè)定的范圍內(nèi)通過隨機數(shù)生成器分別隨機生成本船和目標(biāo)船舶的航向角確定值、目標(biāo)船舶相對于本船的方位角確定值以及本船和目標(biāo)船舶之間的距離確定值，隨機生成的各確定值均作為場景初始參數(shù)；

7、相對速度向量計算步驟：根據(jù)本船航向角確定值和本船航速計算出本船航速向量，并根據(jù)目標(biāo)船舶的航向角確定值和目標(biāo)船舶航速計算出目標(biāo)船舶航速向量，根據(jù)本船航速向量和目標(biāo)船舶航速向量計算出目標(biāo)船舶相對于本船的相對速度向量；

8、最近會遇距離及最近會遇時間計算步驟：根據(jù)本船與目標(biāo)船舶之間的距離確定值、相對速度向量、目標(biāo)船舶相對于本船的方位角確定值以及相對速度向量與本船位置連線形成的夾角計算出目標(biāo)船舶與本船之間的最近會遇距離，并根據(jù)本船與目標(biāo)船舶之間的距離確定值和相對速度向量與本船位置連線形成的夾角計算出目標(biāo)船舶與本船之間的最近會遇時間；

9、船舶避碰測試場景生成步驟：基于生成的所述場景初始參數(shù)、本船和目標(biāo)船舶的航速、最近會遇距離以及最近會遇時間自動生成多個不同類型的船舶避碰測試場景。

10、優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)化解耦步驟中，所述船舶會遇態(tài)勢包括追越場景、對遇場景和交叉會遇場景。

11、優(yōu)選地，所述場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定步驟中，根據(jù)航向角和量化的目標(biāo)船舶相對于本船的方位角對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行劃分包括：根據(jù)目標(biāo)船舶相對于本船的方位角將船舶會遇態(tài)勢區(qū)分為左舷和右舷，并根據(jù)本船和目標(biāo)船舶的航向角差值將交叉會遇場景劃分為小角度交叉會遇和大角度交叉會遇。

12、優(yōu)選地，所述場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定步驟中，還根據(jù)本船和目標(biāo)船舶之間的距離范圍對兩船相遇的初始會遇局面進(jìn)行分類，若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于第一預(yù)設(shè)距離閾值且小于等于緊迫危險距離閾值，則將初始會遇局面作為緊迫危險局面；若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于緊迫危險距離閾值且小于等于第三預(yù)設(shè)距離閾值，則將初始會遇局面作為緊迫局面；若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于第三預(yù)設(shè)距離閾值且小于等于第四預(yù)設(shè)距離閾值，則將初始會遇局面作為一般會遇局面。

13、優(yōu)選地，所述緊迫危險距離閾值為本船緊急制動滑行距離加上50％的安全余量距離，并判斷船舶是否在極地航行，若船舶在極地航行期間存在浮冰，則緊迫危險距離閾值為本船緊急制動滑行距離加上100％的安全余量距離。

14、一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)化解耦模塊、場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定模塊、場景初始參數(shù)生成模塊、相對速度向量計算模塊、最近會遇距離及最近會遇時間計算模塊以及船舶避碰測試場景生成模塊，

15、所述數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)化解耦模塊，獲取本船和目標(biāo)船舶的ais數(shù)據(jù)，所述ais數(shù)據(jù)包括本船和目標(biāo)船舶的經(jīng)緯度位置信息、航向角、本船航速和目標(biāo)船舶航速，依據(jù)獲取的ais數(shù)據(jù)并基于海上避碰規(guī)則確定船舶會遇態(tài)勢，再對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行參數(shù)化解耦，實現(xiàn)方位角量化和距離量化，分別量化計算出目標(biāo)船舶相對于本船的方位角，以及本船與目標(biāo)船舶之間的距離；

16、所述場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定模塊，根據(jù)航向角和量化的目標(biāo)船舶相對于本船的方位角對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行劃分，得到多個場景類型，根據(jù)場景類型設(shè)定本船和目標(biāo)船舶的航向角范圍、以及目標(biāo)船舶相對于本船的方位角范圍，根據(jù)量化的本船與目標(biāo)船舶之間的距離并基于海上避碰規(guī)則設(shè)定本船與目標(biāo)船舶之間的距離范圍；

17、所述場景初始參數(shù)生成模塊，在各自設(shè)定的范圍內(nèi)通過隨機數(shù)生成器分別隨機生成本船和目標(biāo)船舶的航向角確定值、目標(biāo)船舶相對于本船的方位角確定值以及本船和目標(biāo)船舶之間的距離確定值，隨機生成的各確定值均作為場景初始參數(shù)；

18、所述相對速度向量計算模塊，根據(jù)本船航向角確定值和本船航速計算出本船航速向量，并根據(jù)目標(biāo)船舶的航向角確定值和目標(biāo)船舶航速計算出目標(biāo)船舶航速向量，根據(jù)本船航速向量和目標(biāo)船舶航速向量計算出目標(biāo)船舶相對于本船的相對速度向量；

19、最近會遇距離及最近會遇時間計算模塊，根據(jù)本船與目標(biāo)船舶之間的距離確定值、相對速度向量、目標(biāo)船舶相對于本船的方位角確定值以及相對速度向量與本船位置連線形成的夾角計算出目標(biāo)船舶與本船之間的最近會遇距離，并根據(jù)本船與目標(biāo)船舶之間的距離確定值和相對速度向量與本船位置連線形成的夾角計算出目標(biāo)船舶與本船之間的最近會遇時間；

20、所述船舶避碰測試場景生成模塊，基于生成的所述場景初始參數(shù)、本船和目標(biāo)船舶的航速、最近會遇距離以及最近會遇時間自動生成多個不同類型的船舶避碰測試場景。

21、優(yōu)選地，所述船舶會遇態(tài)勢包括追越場景、對遇場景和交叉會遇場景。

22、優(yōu)選地，所述場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定模塊中，根據(jù)航向角和量化的目標(biāo)船舶相對于本船的方位角對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行劃分包括：根據(jù)目標(biāo)船舶相對于本船的方位角將船舶會遇態(tài)勢區(qū)分為左舷和右舷，并根據(jù)本船和目標(biāo)船舶的航向角差值將交叉會遇場景劃分為小角度交叉會遇和大角度交叉會遇。

23、優(yōu)選地，所述場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定模塊中，還根據(jù)本船和目標(biāo)船舶之間的距離范圍對兩船相遇的初始會遇局面進(jìn)行分類，若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于第一預(yù)設(shè)距離閾值且小于等于緊迫危險距離閾值，則將初始會遇局面作為緊迫危險局面；若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于緊迫危險距離閾值且小于等于第三預(yù)設(shè)距離閾值，則將初始會遇局面作為緊迫局面；若本船和目標(biāo)船舶之間的距離大于第三預(yù)設(shè)距離閾值且小于等于第四預(yù)設(shè)距離閾值，則將初始會遇局面作為一般會遇局面。

24、優(yōu)選地，所述緊迫危險距離閾值為本船緊急制動滑行距離加上50％的安全余量距離，并判斷船舶是否在極地航行，若船舶在極地航行期間存在浮冰，則緊迫危險距離閾值為本船緊急制動滑行距離加上100％的安全余量距離。

25、本發(fā)明的有益效果為：

26、本發(fā)明提供的一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法，先獲取本船和目標(biāo)船舶的ais數(shù)據(jù)，并根據(jù)ais數(shù)據(jù)基于國際海上避碰規(guī)則確定船舶會遇態(tài)勢，再對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行參數(shù)化解耦，實現(xiàn)方位角量化和距離量化，再根據(jù)航向角和量化的目標(biāo)船舶相對于本船的方位角對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行劃分，得到多個場景類型，根據(jù)場景類型設(shè)定本船和目標(biāo)船舶的航向角范圍、以及目標(biāo)船舶相對于本船的方位角范圍，并基于國際海上避碰規(guī)則設(shè)定本船和目標(biāo)船舶之間的距離范圍，然后通過隨機數(shù)生成器分別在不同范圍內(nèi)隨機取值，作為場景初始參數(shù)，并采用特定的計算方法以快速獲取大量不同類型的船舶避碰測試場景，即本發(fā)明基于海上避碰規(guī)則所規(guī)定的各類會遇局面，將船舶會遇局面按照量化的方位角和距離分成多個等級，在不同范圍內(nèi)隨機取值，可以快速獲取大量不同類型的船舶避碰測試場景，可以確保測試場景的多樣性和全面性，從而有效解決傳統(tǒng)船舶避碰場景生成全面性差的問題。本發(fā)明基于實際海上避碰測試數(shù)據(jù)，對避碰相關(guān)的方位角、距離等概念進(jìn)行量化表征，通過對海上避碰規(guī)則的相關(guān)重要概念進(jìn)行量化表征，能夠?qū)?fù)雜的會遇局面，按照目標(biāo)船方位角、目標(biāo)船距離進(jìn)行參數(shù)化解耦，疊加本船及目標(biāo)船的航速、航向數(shù)據(jù)，即可構(gòu)成一個參數(shù)化避碰測試場景，故能夠自動獲取大量不同類型的船舶避碰測試場景，此外，船舶避碰測試場景流程化生成，且可并行生成，場景生成效率高，場景差異化程度可控制，測試可信度高。

27、本發(fā)明還涉及一種基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)與上述的基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法相對應(yīng)，可理解為是一種實現(xiàn)上述基于海上避碰規(guī)則的船舶避碰測試場景生成方法的系統(tǒng)，包括依次連接的數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)化解耦模塊、場景類型確定及參數(shù)范圍設(shè)定模塊、場景初始參數(shù)生成模塊、相對速度向量計算模塊、最近會遇距離及最近會遇時間計算模塊以及船舶避碰測試場景生成模塊，各模塊相互協(xié)同工作，在ais數(shù)據(jù)下，基于海上避碰規(guī)則所規(guī)定的各類船舶會遇態(tài)勢，對船舶會遇態(tài)勢進(jìn)行參數(shù)化解耦，實現(xiàn)方位角量化和距離量化，將船舶會遇態(tài)勢按照方位角和航向角分成多個場景類型，并將船舶會遇局面按照距離分成多個等級，并通過在不同范圍內(nèi)隨機取值以及采用特定的計算方法以快速獲取大量不同類型的船舶避碰測試場景，從而有效解決傳統(tǒng)船舶避碰場景生成全面性差的問題。