互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统

1.本发明涉及拖曳技术领域，具体的指一种互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统。

背景技术：

2.船舶的拖曳作业在海上运输方面有着重要的作用，并越来越多地应用于海上各种场景。船舶的拖曳作业一般由船舶拖曳系统来完成，一种常见的船舶拖曳系统由前拖船、后拖船和被拖船及连接他们的缆绳组成，如图1所示，两艘拖船和一艘被拖船组成的串联式拖曳系统。与单拖船拖曳方式相比，串联拖曳方式包含前、后两个拖船，提高了拖曳操作的可控性。
3.随着海上贸易的快速发展，用于运输的船舶越来越多，船舶之间发生碰撞的可能性大大提高；与此同时，多变的天气、复杂的交通条件、以及拖曳系统自身操纵性受限都增大了船舶拖曳系统与周围他船碰撞的风险。
4.在实践中，当拖曳作业进行时，为避免拖曳系统中的各船舶与拖曳系统周边船舶发生外部碰撞，通常会限制拖曳系统周边的其他船舶在拖曳系统周边水域通行。然而，限制通行的策略具有如下弊端：第一，限制通行策略过分依赖专家知识，无法实现自动化；第二，对拖曳系统周边船舶通行的限制会降低航道的利用率。

技术实现要素：

5.本发明提供一种互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，不仅能够自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险，当存在碰撞危险时，能够发布不同级别的碰撞风险预警，提醒拖带作业人员采取合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全。
6.为实现上述目的，本发明研究出一种互见情况下船舶拖曳系统外部碰撞风险预警系统，其特别之处在于：包括信息收集模块、外部碰撞风险检测模块和碰撞风险预警量化模块；所述信息收集模块用于对环境干扰下拖曳系统内的被拖船航行轨迹、被拖船船舶基本信息、前拖船船舶基本信息、后拖船船舶基本信息、以及拖曳系统周边的他船基本信息和航行信息进行收集；所述外部碰撞风险检测模块用于根据船舶领域理论模块和非线性速度障碍算法模块判断拖曳系统与他船之间是否存在碰撞风险；所述船舶领域理论模块用于根据他船的船舶领域是否与被拖船、或前拖船、或后拖船的船舶领域在一段观测时间内发生覆盖来判断是否存在碰撞风险，若他船的船舶领域与被拖船、或前拖船、或后拖船的船舶领域不相交，则他船与拖曳系统不存在碰撞风险；若他船的船舶领域与被拖船、或前拖船、或后拖船的船舶领域相交，则他船与拖曳系统存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块；
所述非线性速度障碍算法模块用于根据他船的位置和拖曳系统中各船舶的航行轨迹，获得他船与拖曳系统发生碰撞的速度矢量集；若他船实际速度在速度矢量集外，则他船与被拖船、或前拖船、或后拖船之间不存在碰撞风险；若他船实际速度在速度矢量集内，则他船与被拖船、或前拖船、或后拖船之间存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块；所述碰撞风险预警量化模块包括船舶避让义务鉴别模块、他船意图估计模块、他船行动质量评估模块、避碰规则审查模块、他船碰撞风险消除能力量化模块和预警级别量化模块；所述船舶避让义务鉴别模块用于通过《国际海上避碰规则》确定他船是否为让路船，若他船是让路船，则启动他船意图估计模块；若他船不是让路船，则存在碰撞风险，启动预警级别量化模块；所述他船意图估计模块用于检查他船是否采取规避行动以避免碰撞，若他船采取规避行动，则启动他船行动质量评估模块；若他船未采取规避行动，则启动他船碰撞风险消除能力量化模块；所述他船行动质量评估模块用于判断他船的规避行动是否能有效地消除碰撞风险，若他船的规避行动能有效地消除碰撞风险，则启动避碰规则审查模块；若他船的规避行动不能有效地消除碰撞风险，则启动预警级别量化模块；所述避碰规则审查模块用于审查他船的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，不论他船的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，均启动预警级别量化模块；所述他船碰撞风险消除能力量化模块用于根据他船的操作性能确定他船消除碰撞风险的能力，并根据他船碰撞风险消除能力的高低，启动预警级别量化模块风险级别；所述预警级别量化模块用于对外部碰撞风险进行级别量化，并发布风险预警。
7.本发明的优点在于：1.本发明将船舶领域理论模块和非线性速度障碍算法模块相结合，考虑了避让行为的动态性，一方面通过他船的船舶领域是否与被拖船、或前拖船、或后拖船的船舶领域在一段观测时间内发生覆盖来判断是否存在碰撞风险；另一方面通过他船实际速度是否在速度矢量集内来判断是否存在碰撞风险，从而自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险；2.当确定他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间存在碰撞风险时，本发明分别通过他船是否为让路船、他船是否采取规避行动、他船的规避行动是否能有效地消除碰撞风险、他船的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款、他船消除碰撞风险的能力这几个方面的判定发布相应的“小心、警告、警报”三个级别的碰撞风险预警，提醒拖带作业人员采取合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全。
8.本发明互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统不仅能够自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险；当存在碰撞危险时，能够发布不同级别的碰撞风险预警，提醒拖带作业人员采取合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全，不需要对拖曳系统周边船舶采取通行限制，也不会降低航道的利用率。
附图说明
9.图1为本发明互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统中的船舶拖曳系统的组成示意图；图2a~2f为本发明在模拟实验中的拖曳系统会遇他船c-1时的状态模拟图；图3为图2a~2f中的拖曳系统与他船c-1之间的相对距离；图4为图2a~2f中的拖曳系统会遇他船c-1过程中的碰撞风险级别的变化图；图5a~5f为本发明在模拟实验中的拖曳系统会遇他船c-2时的状态模拟图；图6为图5a~5f中的拖曳系统与他船c-2之间的相对距离；图7为图5a~5f中的拖曳系统会遇他船c-2过程中的碰撞风险级别的变化图；图8为本发明用于量化外部碰撞风险级别的流程图；图中：被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2、他船c-1、他船c-2。
具体实施方式
10.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
11.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
12.本互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，包括信息收集模块1、外部碰撞风险检测模块2和碰撞风险预警量化模块3。
13.所述信息收集模块1用于通过ais数据对环境干扰下拖曳系统内的被拖船a航行轨迹、被拖船a船舶基本信息、前拖船b-1船舶基本信息、后拖船b-2船舶基本信息、以及拖曳系统周边的他船c基本信息和航行信息进行收集。
14.其中环境干扰下拖曳系统内船舶的航行轨迹通过建模获得，具体的船舶模型参数见表1。该拖曳系统模拟中，被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2和他船c的基本信息如表1所示。
15.表1中的他船c-1、他船c-2、前拖船b-1、后拖船b-2和被拖船a分别基于“titoneri”260 、“titoneri”260、“titoneri”260、“titoneri”260和“cybership ii”进行建模；拖缆的长度为1m，推力器的最大值为10n，前拖船b-1与被拖船a之间的拖曳角变化率不超过5
。
/s，后拖船b-2与被拖船a之间的拖曳角α2(t)变化率不超过5
。
/s；前拖船b-1的最大拖曳力为3n，后拖船b-2的最大拖曳力为3n，牵引力变化率小于1n/s。
16.使用表1中前拖船b-1、后拖船b-2和被拖船a的缩比例模型，给出了拖曳操作计划，如表2所示。
17.表2给出了初始状态和结束状态，初始状态包括前拖船b-1、后拖船b-2和被拖船a的起始位置和航向，航行过程中设计了两个转向点和一个终止点。
18.案例中假设风是恒定的，相对风速保持在1米/秒，风向为255
°
。此外，拖曳作业在良好的能见度条件下进行。
19.所述外部碰撞风险检测模块2用于根据船舶领域理论模块2-1和非线性速度障碍算法模块2-2判断拖曳系统与他船c之间是否存在碰撞风险；所述船舶领域理论模块2-1用于根据他船c的船舶领域是否与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的船舶领域在一段观测时间内发生覆盖来判断是否存在碰撞风险，若他船c的船舶领域与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的船舶领域不相交，则他船c与拖曳系统不存在碰撞风险；若他船c的船舶领域与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的船舶领
域相交，则他船c与拖曳系统存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块3。
20.所述非线性速度障碍算法模块2-2用于根据他船c的位置和拖曳系统中各船舶的航行轨迹，获得他船c与拖曳系统发生碰撞的速度矢量集；若他船c实际速度在速度矢量集外，则他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间不存在碰撞风险；若他船c实际速度在速度矢量集内，则他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块3。
21.本发明将船舶领域理论模块2-1和非线性速度障碍算法模块2-2相结合，考虑了避让行为的动态性，一方面通过他船的船舶领域是否与被拖船、或前拖船、或后拖船的船舶领域在一段观测时间内发生覆盖来判断是否存在碰撞风险；另一方面通过他船实际速度是否在速度矢量集内来判断是否存在碰撞风险，从而自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险。
22.具体地，所述非线性速度障碍算法模块2-2通过下列非线性速度障碍算法公式获得他船c与拖曳系统发生碰撞的速度矢量集，其中，s
nl_vo
（t0）为t0时刻他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2发生碰撞的速度矢量集，confp（o，r）为他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2发生碰撞的所有可能位置，p
ts
（x，y，t）为t时刻被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的运动轨迹，p
intr
（x，y，t0）为t0时刻他船c的位置，p
os
⊕
confp（o，r）表示拖曳系统周围的禁行区域，包括拖曳系统中每艘船的船舶领域，以及连接拖船和被拖船的拖缆周围的区域，r表示船舶领域的大小，
⊕
表示取正相加。
23.具体地，对于外部碰撞风险检测模块2，若他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间存在碰撞风险，即碰撞风险指标为1；若他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间不存在碰撞风险，即碰撞风险指标为0；所述碰撞风险指标表示为：其中，ic（t0）为t0时刻碰撞风险指标，v
intr
（t0）为t0时刻他船c的速度，s
nl_vo
（t0）为t0时刻被拖船a、与前拖船b-1或后拖船b-2的速度，
∅
表示空集，
∩表示相交。
24.所述碰撞风险预警量化模块3包括船舶避让义务鉴别模块3-1、他船意图估计模块3-2、他船行动质量评估模块3-3、避碰规则审查模块3-4、他船碰撞风险消除能力量化模块3-5和预警级别量化模块3-6。
25.所述船舶避让义务鉴别模块3-1用于通过《国际海上避碰规则》确定他船c是否为让路船，若他船c是让路船，则启动他船意图估计模块3-2；若他船c不是让路船，则存在碰撞风险，启动预警级别量化模块3-6。
26.所述他船意图估计模块3-2用于检查他船c是否采取规避行动以避免碰撞，若他船c采取规避行动，则启动他船行动质量评估模块3-3；若他船c未采取规避行动，则启动他船碰撞风险消除能力量化模块3-5。
27.所述他船行动质量评估模块3-3用于判断他船c的规避行动是否能有效地消除碰撞风险，若他船c的规避行动能有效地消除碰撞风险，则启动避碰规则审查模块3-4；若他船c的规避行动不能有效地消除碰撞风险，则启动预警级别量化模块3-6。
28.所述避碰规则审查模块3-4用于审查他船c的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，不论他船c的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，均启动预警级别量化模块3-6。
29.所述他船碰撞风险消除能力量化模块3-5用于根据他船c的操作性能确定他船c消除碰撞风险的能力，并根据他船c碰撞风险消除能力的高低，启动预警级别量化模块3-6风险级别。
30.所述预警级别量化模块3-6用于对外部碰撞风险进行级别量化，并发布风险预警。
31.具体地，所述他船意图估计模块3-2检查他船c是否采取规避行动的方法为若他船意图指标为1，则表示他船c采取规避行动；若他船意图指标为0，则表示他船c未采取规避行动；所述他船意图指标表示为：其中，int（t0）为t0时刻他船意图指标，v
intr
（t0）为t0时刻他船c速度，s
nl_vo
（t0）为t0时刻被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的速度，
∅
表示空集，∩表示相交，
∆cintr
（t0）表示t0时刻他船c的路线改变量。
32.具体地，所述他船行动质量评估模块3-3判断他船c的规避行动是否能有效地消除碰撞风险的方法为若他船c的规避行动指标为1，则表示他船c的规避行动能有效地消除碰撞风险；若他船c的规避行动指标为0，则表示他船c的规避行动不能有效地消除碰撞风险；所述规避行动指标表示为：
其中，aq（t0）为t0时刻他船c的规避行动指标，p
ts
（x，y，t）为t时刻被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的位置，p
intr
（x，y，t0）为t0时刻他船c的位置，dis（〈p
ts
（x，y，t），p
intr
（x，y，t0）〉）为t0时刻他船c与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间的距离，mindists表示采用规避行动可消除碰撞风险的最小距离。
33.具体地，所述避碰规则审查模块3-4审查他船c的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》的方法为若审查结果指标为1，则表示他船c未违反《国际海上避碰规则》；若审查结果指标为0，则表示他船c违反《国际海上避碰规则》；所述审查结果指标表示为：其中，col为《国际海上避碰规则》的审查结果指标，cpa表示保证被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2与他船c到达的最近接近点，rb
cpa
表示他船c到达cpa时的相对方位。
34.具体地，所述他船碰撞风险消除能力量化模3-5中的风险消除能力表示为：其中，l
amm
为他船c具有的风险消除能力，amm为他船c具有的可操作余量，amm1为他船c具有的阈值上限，amm2为他船c具有的阈值下限。
35.若他船c为小型货轮，则amm1为0.9，amm2为0.4。
36.具体地，所述预警级别量化模块3-6对外部碰撞风险进行“小心、警告、警报”三个级别的量化，其中“小心”表示碰撞风险已经产生，此时作为直航船的拖曳系统不允许采取任何避让行动，但需要关注当前碰撞局面的变化情况。“警告”表示作为直航船的拖曳系统允许采取消除冲突的避让行动，因为如果不采取任何行动会形成紧迫局面。
[0037]“警报”表示当拖曳系统作为让路船或者直航船时都应该采取合理的避让行动来避免碰撞的发生。
[0038]
具体量化标准为，若他船c不是让路船，则存在碰撞风险，碰撞风险级别为“警报”；若他船c为让路船且采取规避行动（ int（t0）=1），但是他船c的规避行动不能有效地消除碰撞风险（aq=0），则碰撞风险级别为“警报”；若他船为让路船且采取规避行动（ int（t0）=1），同时他船c的规避行动能有效地
消除碰撞风险（aq=1），但是他船c的规避行动违反《国际海上避碰规则》行动条款（col=0），则碰撞风险级别为“警告”；若他船为让路船且采取规避行动（ int（t0）=1），同时他船c的规避行动能有效地消除碰撞风险（aq=1），另外他船c的规避行动遵守《国际海上避碰规则》行动条款（col=1），则碰撞风险级别为“小心”；若他船为让路船且未采取规避行动（ int（t0）=0），则根据他船碰撞风险消除能力量化模块3-5确定与他船c碰撞风险消除能力相匹配的碰撞风险级别，具体方法为：如果他船c碰撞风险消除能力高（ l
amm
=h），则碰撞风险级别为“小心”，如果他船c碰撞风险消除能力中等（ l
amm
=m），则碰撞风险级别为“警告”，如果他船c碰撞风险消除能力低（ l
amm
=l），则碰撞风险级别为“警报”。
[0039]
本发明用于量化外部碰撞风险级别的流程图参见图8。
[0040]
下面进行案例分析。
[0041]
案例1，参见图2a~2f，图2a~2f所示为拖曳系统遇到他船c-1时，六次取样时的位置、航向和预警级别信息。
[0042]
图2a为t=1s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，但是int=0，则他船c-1未采取规避行动，那么，根据上述第五条风险级别量化标准，当l
amm
=h时，即他船c-1碰撞风险消除能力高，碰撞风险级别为“小心”，见图4。在接下来的100s内，他船c-1仍然匀速直线航行并不断接近拖曳系统，见图3。
[0043]
图2b为t=100s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，int=0，则他船c-1未采取规避行动，当l
amm
=m时，即他船c-1碰撞风险消除能力中等，则根据上述第五条风险级别量化标准，碰撞风险级别为“警告”，见图4。此时，允许拖曳系统采取避让操作以确保安全通过。
[0044]
图2c为t=120s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，int=1，则他船c-1采取规避行动，但是aq=0，他船c-1采用的回避机动效果较差，即他船c-1的规避行动不能有效地消除碰撞风险，那么，根据上述第二条风险级别量化标准，碰撞风险级别为“警报”，见图4。
[0045]
图2d为t=150s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，int=1，则他船c-1采取规避行动，但是aq=0，即他船c的规避行动不能有效地消除碰撞风险，那么，根据上述第二条风险级别量化标准，碰撞风险级别为“警报”，见图4。
[0046]
图2e为t=240s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，但是int=0，则他船c-1未采取规避行动，那么，根据上述第五条风险级别量化标准，当l
amm
=l时，即他船c-1碰撞风险消除能力低，碰撞风险级别为“警报”，见图4。此时，他船c-1与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2之间的距离降低到最小值，如图3所示，他船c-1的船舶领域与被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的于船舶领域出现了重叠。
[0047]
图2f为t=300s时的会遇场景，ic=1，则存在碰撞风险，但是int=0，则他船c-1未采取规避行动，那么，根据上述第五条风险级别量化标准，当l
amm
=l时，即他船c-1碰撞风险消除能力低，碰撞风险级别为“警报”，见图4。
[0048]
由图2a~2f可知，当拖曳系统内的船舶遇到他船c-1时，碰撞风险在整个会遇过程中都存在，由于他船c-1的机动效率较差，拖曳系统与他船c-1之间发生了一次危险的近距离会遇。
[0049]
上述案例1中拖曳系统各检测、预警参数随时间的变化如表3所示。
[0050]
案例2位船舶拖带系统与他船c-2的交叉会遇情况，拖曳系统处于直航位置。碰撞危险从开始时刻产生，由于他船c-2采取了有效的避让行动，在470秒二者之间的碰撞风险被消除（图7）。图5a~5f所示为拖曳系统遇到他船c-2时，六次取样时的位置、航向和预警级别信息。
[0051]
300秒时，拖曳系统与他船产生碰撞危险。由于他船c-2没有采取避碰行动以避免碰撞（int（t0）=0），但此时其风险消除能力很高l
amm
=h，因此预警级别被标记为“小心”(图5a)。在380秒之前，他船c-2以恒定的速度和航向不断接近这个拖曳系统(图6)。在340秒时，碰撞的危险仍然存在，他船c-2的风险消除能力下降，但仍处于较高水平l
amm
=h，因此预警级别为“小心”(图5b)。在370秒时，有碰撞危险，但他船c-2的风险消除能力下降到中等水平
l
amm
=m，因此预警级别被标记为“警告”(图5c)。从390秒到520秒，他船c-2向右舷转向以避免碰撞。通过动作质量评估和colregs审查，判定他船c-2采用的避碰动作有效且符合colregs。在420秒时，他船c-2号和被拖船之间的距离减少到约19米(图6)。考虑到仅凭他船c-2采用的避碰行动就可以消除碰撞，预警级别下降为“小心”(图5d)。由于他船c-2采取了有效的避碰行动，碰撞风险在470秒时就被消除了，见图7。拖曳系统和他船c-2一直接近直到590秒。在590秒时，他船c-2和被拖船到达最近的接近点(cpa)，它们的距离减少到最小值7.38 m(图6)，处于安全距离。从590秒之后，它们之间的距离不断增大。
[0052]
上述案例2中拖曳系统各检测、预警参数随时间的变化如表4所示。
[0053]
本发明互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统不仅能够自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险，当存在碰撞危险时，能够发布不同级别的碰撞风险预警，提醒拖带作业人员采取合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全，不需要对拖曳系统周边船舶采取通行限制，也不会降低航道的利用率。
[0054]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：包括信息收集模块（1）、外部碰撞风险检测模块（2）和碰撞风险预警量化模块（3）；所述信息收集模块（1）用于对环境干扰下拖曳系统内的被拖船（a）航行轨迹、被拖船（a）船舶基本信息、前拖船（b-1）船舶基本信息、后拖船（b-2）船舶基本信息、以及拖曳系统周边的他船（c）基本信息和航行信息进行收集；所述外部碰撞风险检测模块（2）用于根据船舶领域理论模块（2-1）和非线性速度障碍算法模块（2-2）判断拖曳系统与他船（c）之间是否存在碰撞风险；所述船舶领域理论模块（2-1）用于根据他船（c）的船舶领域是否与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的船舶领域在一段观测时间内发生覆盖来判断是否存在碰撞风险，若他船（c）的船舶领域与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的船舶领域不相交，则他船（c）与拖曳系统不存在碰撞风险；若他船（c）的船舶领域与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的船舶领域相交，则他船（c）与拖曳系统存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块（3）；所述非线性速度障碍算法模块（2-2）用于根据他船（c）的位置和拖曳系统中各船舶的航行轨迹，获得他船（c）与拖曳系统发生碰撞的速度矢量集；若他船（c）实际速度在速度矢量集外，则他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）之间不存在碰撞风险；若他船（c）实际速度在速度矢量集内，则他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）之间存在碰撞风险，则启动碰撞风险预警量化模块（3）；所述碰撞风险预警量化模块（3）包括船舶避让义务鉴别模块（3-1）、他船意图估计模块（3-2）、他船行动质量评估模块（3-3）、避碰规则审查模块（3-4）、他船碰撞风险消除能力量化模块（3-5）和预警级别量化模块（3-6）；所述船舶避让义务鉴别模块（3-1）用于通过《国际海上避碰规则》确定他船（c）是否为让路船，若他船（c）是让路船，则启动他船意图估计模块（3-2）；若他船（c）不是让路船，则存在碰撞风险，启动预警级别量化模块（3-6）；所述他船意图估计模块（3-2）用于检查他船（c）是否采取规避行动以避免碰撞，若他船（c）采取规避行动，则启动他船行动质量评估模块（3-3）；若他船（c）未采取规避行动，则启动他船碰撞风险消除能力量化模块（3-5）；所述他船行动质量评估模块（3-3）用于判断他船（c）的规避行动是否能有效地消除碰撞风险，若他船（c）的规避行动能有效地消除碰撞风险，则启动避碰规则审查模块（3-4）；若他船（c）的规避行动不能有效地消除碰撞风险，则启动预警级别量化模块（3-6）；所述避碰规则审查模块（3-4）用于审查他船（c）的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，不论他船（c）的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》相关避让行动条款，均启动预警级别量化模块（3-6）；所述他船碰撞风险消除能力量化模块（3-5）用于根据他船（c）的操作性能确定他船（c）消除碰撞风险的能力，并根据他船（c）碰撞风险消除能力的高低，启动预警级别量化模块（3-6）风险级别；所述预警级别量化模块（3-6）用于对外部碰撞风险进行级别量化，并发布风险预警。2.根据权利要求1所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述非线性速度障碍算法模块（2-2）通过下列非线性速度障碍算法公式获得他船（c）
与拖曳系统发生碰撞的速度矢量集，其中，s
nl_vo
（t0）为t0时刻他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）发生碰撞的速度矢量集，confp（o，r）为他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）发生碰撞的所有可能位置，p
ts
（x，y，t）为t时刻被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的运动轨迹，p
intr
（x，y，t0）为t0时刻他船（c）的位置，p
os
⊕
confp（o，r）表示拖曳系统周围的禁行区域，包括拖曳系统中每艘船的船舶领域，以及连接拖船和被拖船的拖缆周围的区域，r表示船舶领域的大小，
⊕
表示取正相加。3.根据权利要求2所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：对于外部碰撞风险检测模块（2），若他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）之间存在碰撞风险，即碰撞风险指标为1；若他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）之间不存在碰撞风险，即碰撞风险指标为0；所述碰撞风险指标表示为：其中，ic（t0）为t0时刻碰撞风险指标，v
intr
（t0）为t0时刻他船（c）的速度，s
nl_vo
（t0）为t0时刻被拖船（a）、与前拖船（b-1）或后拖船（b-2）的速度，
∅
表示空集，∩表示相交。4.根据权利要求3所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述他船意图估计模块（3-2）检查他船（c）是否采取规避行动的方法为若他船意图指标为1，则表示他船（c）采取规避行动；若他船意图指标为0，则表示他船（c）未采取规避行动；所述他船意图指标表示为：其中，int（t0）为t0时刻他船意图指标，v
intr
（t0）为t0时刻他船（c）速度，
s
nl_vo
（t0）为t0时刻被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的速度，
∅
表示空集，∩表示相交，
∆
c
intr
（t0）表示t0时刻他船（c）的路线改变量。5.根据权利要求4所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述他船行动质量评估模块（3-3）判断他船（c）的规避行动是否能有效地消除碰撞风险的方法为若他船（c）的规避行动指标为1，则表示他船（c）的规避行动能有效地消除碰撞风险；若他船（c）的规避行动指标为0，则表示他船（c）的规避行动不能有效地消除碰撞风险；所述规避行动指标表示为：其中，aq（t0）为t0时刻他船（c）的规避行动指标，p
ts
（x，y，t）为t时刻被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的位置，p
intr
（x，y，t0）为t0时刻他船（c）的位置，dis（〈p
ts
（x，y，t），p
intr
（x，y，t0）〉）为t0时刻他船（c）与被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）之间的距离，mindists表示采用规避行动可消除碰撞风险的最小距离。6.根据权利要求5所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述避碰规则审查模块（3-4）审查他船（c）的规避行动是否违反《国际海上避碰规则》的方法为若审查结果指标为1，则表示他船（c）未违反《国际海上避碰规则》；若审查结果指标为0，则表示他船（c）违反《国际海上避碰规则》；所述审查结果指标表示为：其中，col为《国际海上避碰规则》的审查结果指标，cpa表示保证被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）与他船（c）到达的最近接近点，rb
cpa
表示他船（c）到达cpa时的相对方位。7.根据权利要求6所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述他船碰撞风险消除能力量化模（3-5）中的风险消除能力表示为：其中，l
amm
为他船（c）具有的风险消除能力，
amm为他船（c）具有的可操作余量，amm1为他船（c）具有的阈值上限，amm2为他船（c）具有的阈值下限。8.根据权利要求7所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：若他船（c）为小型货轮，则amm1为0.9，amm2为0.4。9.根据权利要求7所述的互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统，其特征在于：所述预警级别量化模块（3-6）对外部碰撞风险进行“小心、警告、警报”三个级别的量化，具体量化标准为，若他船（c）不是让路船，则存在碰撞风险，碰撞风险级别为“警报”；若他船（c）为让路船且采取规避行动，但是他船（c）的规避行动不能有效地消除碰撞风险，则碰撞风险级别为“警报”；若他船为让路船且采取规避行动，同时他船（c）的规避行动能有效地消除碰撞风险，但是他船（c）的规避行动违反《国际海上避碰规则》行动条款，则碰撞风险级别为“警告”；若他船为让路船且采取规避行动，同时他船（c）的规避行动能有效地消除碰撞风险，另外他船（c）的规避行动遵守《国际海上避碰规则》行动条款，则碰撞风险级别为“小心”；若他船为让路船且未采取规避行动，则根据他船碰撞风险消除能力量化模块（3-5）确定与他船（c）碰撞风险消除能力相匹配的碰撞风险级别，具体方法为：如果他船（c）碰撞风险消除能力高，则碰撞风险级别为“小心”，如果他船（c）碰撞风险消除能力中等，则碰撞风险级别为“警告”，如果他船（c）碰撞风险消除能力低，则碰撞风险级别为“警报”。

技术总结

本发明一种互见情况下船舶拖曳系统的外部碰撞风险预警系统。它包括信息收集模块、外部碰撞风险检测模块和碰撞风险预警量化模块；所述外部碰撞风险检测模块用于根据船舶领域理论模块和非线性速度障碍算法模块判断拖曳系统与他船之间是否存在碰撞风险；所述碰撞风险预警量化模块包括船舶避让义务鉴别模块、他船意图估计模块、他船行动质量评估模块、避碰规则审查模块、他船碰撞风险消除能力量化模块和预警级别量化模块。本发明不仅能够自动检测出他船与拖曳系统中的任何一艘船舶之间是否存在碰撞风险，当存在碰撞危险时，能够发布不同级别的碰撞风险预警，提醒拖带作业人员采取合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全。合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全。合理的避让措施来保证拖曳系统的拖航安全。