一种船舶航行性能分析方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及船舶技术领域，具体而言，涉及一种船舶航行性能分析方法及系统。


背景技术：

[0002]
相关技术中，在对船舶性能进行分析评价时，大多只能从单一方面或单一指标进行分析评价，得到单一功能的评价结果，无法充分反应船舶的性能和带来的效果，且评价的置信度未知，评价结果准确度不高。


技术实现要素：

[0003]
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种船舶航行性能分析方法及系统，构建基于多级评价参数的置信度模糊评价模型，可对船舶性能进行全面分析评价，并根据置信度计算结果引导权重因子的调整、评价模型的优化，得到更为可信的评价结果。
[0004]
本发明提供了一种船舶航行性能分析方法，所述方法包括：获取船舶实时数据以及气象数据，并对所述船舶实时数据以及气象数据进行数据处理，得到处理后的数据，其中，所述数据处理包括：数据清洗、数据标准化处理、数据存储和数据备份；根据所述处理后的数据，确定用于分析船舶航行性能的多级评价参数，其中，所述多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，至少部分二级评价参数包括多个三级评价参数；基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，按照评价参数级别逐级递增，直至基于一级评价参数建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到船舶航行性能评价结果。
[0005]
作为本发明进一步的改进，所述数据清洗包括对数据进行筛查、去重和连续性校验，其中，所述连续性校验包括：对数据离散度进行校验，过滤异常跳变的数据；根据数据之间的逻辑关系，采用线性插值法或推算值替换法对缺失数据进行补充；所述数据标准化处理包括对数据中各个特征值的度量单位、时间间隔进行标准化处理，其中，对各个特征值的度量单位进行标准化处理包括对各类度量单位进行统一变换，对各个特征值的时间间隔进行标准化处理包括指定同一时间间隔并通过线性插值法或二次插值法实现数据向前或向后填充；所述数据存储包括对处理后的数据进行存储，其中，静态数据以原始数据存储，动态数据以时间序列数据存储；所述数据备份包括对接收到的船舶实时数据备份存储至存储介质中。
[0006]
作为本发明进一步的改进，所述基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，包括：基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量；基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价
参数的评价结果。
[0007]
作为本发明进一步的改进，所述基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量，包括：对下一级评价参数，确定评价参数集u，，其中，和表示评价参数，，m为正整数；对所述评价参数集u中的各个评价参数，使用成对比较法和1-9比较尺度分别构造一组对比矩阵，每个对比矩阵为v，，其中，表示所述评价参数集u中的评价参数与评价参数对上一级评价参数的重要性比较结果，取值为1~9及其倒数值中的任意值；确定每个对比矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，对所述特征向量进行一致性校验，在校验通过后对所述特征向量归一化处理，得到一组初始权重向量；对权重值进行等级划分，划分等级量化后对应于[0，1]区间的n等分，量化后的等级向量为，其中，；对所述评价参数集u的评价参数，遍历每个初始权重向量中评价参数对应的权重值并组成向量，提取属于所述等级向量的个数，并做如下处理：，，其中，k为初始权重向量个数，；将向量归一化处理后，得到权重向量a以及对应的置信度向量c，，，其中，，。
[0008]
所述基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果，包括：确定所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级集，其中，表示所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级，，n为正整数；对所述评价参数集u中的每一个评价参数，根据所述评价等级集p中的等级进行模糊评判，得到评价矩阵r，，其中，表示评价参数关于评价等级的隶属程度；
通过对所述评价矩阵r和所述权重向量a进行矩阵运算得到模糊评价向量，；对所述置信度向量c进行如下合成：，，其中，，，，为计算中间值，为合成后的置信度；对所述模糊评价向量归一化处理后，得到上一级评价参数的评价结果。
[0009]
作为发明进一步的改进，所述多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，部分二级评价参数包括多个三级评价参数，其中，所述一级评价参数包括：控制性能参数、经济性参数和安全性参数；其中，所述控制性能参数包括二级评价参数：航迹偏差、总航程偏差和操舵性能，所述经济性参数包括二级评价参数：滑失率、平均实际航迹和燃油消耗量，所述安全性参数包括二级评价参数：最高风浪承受力、平均富余水深和姿态稳定性；其中，所述航迹偏差包括三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差，所述操舵性能包括三级评价参数：操舵频率和操舵幅度，所述滑失率包括三级评价参数：最大滑失率和平均滑失率，所述燃油消耗量包括三级评价参数：油耗总量和每海里平均油耗，所述姿态稳定性包括三级评价参数：横摇周期差、纵摇周期差和升沉数值。
[0010]
作为本发明进一步的改进，所述方法还包括：实时展示船舶航行过程中，各级评价参数的变化情况及对应的中间评价结果，所述船舶航行性能评价结果以及当前航次和历史航次的船舶航行性能比对结果。
[0011]
本发明还提供了一种船舶航行性能分析系统，所述系统包括：船岸通信模块，用于实现船舶和岸基之间的数据信息交互，接收船舶实时数据，并通过网络将数据传输至数据处理模块；数据处理模块，用于处理所述船岸通信模块接收的船舶实时数据以及气象数据，得到处理后的数据，其中，所述数据处理包括：数据清洗、数据标准化处理、数据存储和数据备份；航行性能分析模块，用于根据所述处理后的数据，确定用于分析船舶航行性能的多级评价参数，其中，所述多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，至少部分二级评价参数包括多个三级评价参数，基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，按照评价参数级别逐级递增，直至基于一级评价参数建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到船舶航行性能评价结果；可视化模块，用于实时展示船舶航行过程中，各级评价参数的变化情况及对应的中间评价结果，所述船舶航行性能评价结果以及当前航次和历史航次的船舶航行性能比对结果。
[0012]
作为本发明进一步的改进，所述数据处理模块包括：
数据清洗模块，用于对数据进行筛查、去重和连续性校验，其中，所述连续性校验包括：对数据离散度进行校验，过滤异常跳变的数据；根据数据之间的逻辑关系，采用线性插值法或推算值替换法对缺失数据进行补充；数据标准化模块，用于对数据中各个特征值的度量单位、时间间隔进行标准化处理，其中，对各个特征值的度量单位进行标准化处理包括对各类度量单位进行统一变换，对各个特征值的时间间隔进行标准化处理包括指定同一时间间隔并通过线性插值法或二次插值法实现数据向前或向后填充；数据存储模块，用于对处理后的数据进行存储，其中，静态数据以原始数据存储，动态数据以时间序列数据存储；数据备份模块，用于对接收到的船舶实时数据备份存储至存储介质中。
[0013]
作为本发明进一步的改进，所述航行性能分析模块包括：评价向量模块，用于基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量；评价模型模块，用于基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果。
[0014]
作为本发明进一步的改进，所述评价向量模块包括：对下一级评价参数，确定评价参数集u， ，其中，和表示评价参数，，m为正整数；对所述评价参数集u中的各个评价参数，使用成对比较法和1-9比较尺度分别构造一组对比矩阵，每个对比矩阵为v，，其中，表示所述评价参数集u中的评价参数与评价参数对上一级评价参数的重要性比较结果，取值为1~9及其倒数值中的任意值；确定每个对比矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，对所述特征向量进行一致性校验，在校验通过后对所述特征向量归一化处理，得到一组初始权重向量；对权重值进行等级划分，划分等级量化后对应于[0，1]区间的n等分，量化后的等级向量为，其中，；对所述评价参数集u的评价参数，遍历每个初始权重向量中评价参数对应的权重值并组成向量，提取属于所述等级向量的个数，并做如下处理：，，其中，k为初始权重向量个数，；将向量归一化处理后，得到权重向量a以及对应的置信度向量c，，，其中，，
。
[0015]
作为本发明进一步的改进，所述评价模型模块包括：确定所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级集，其中，表示所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级，，n为正整数；对所述评价参数集u中的每一个评价参数，根据所述评价等级集p中的等级进行模糊评判，得到评价矩阵r，，其中，表示评价参数关于评价等级的隶属程度；通过对所述评价矩阵r和所述权重向量a进行矩阵运算得到模糊评价向量，；对所述置信度向量c进行如下合成：，，其中，，，，为计算中间值，为合成后的置信度；对所述模糊评价向量归一化处理后，得到上一级评价参数的评价结果。
[0016]
作为本发明进一步的改进，多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，部分二级评价参数包括多个三级评价参数，其中，所述一级评价参数包括：控制性能参数、经济性参数和安全性参数；其中，所述控制性能参数包括二级评价参数：航迹偏差、总航程偏差和操舵性能，所述经济性参数包括二级评价参数：滑失率、平均实际航迹和燃油消耗量，所述安全性参数包括二级评价参数：最高风浪承受力、平均富余水深和姿态稳定性；其中，所述航迹偏差包括三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差，所述操舵性能包括三级评价参数：操舵频率和操舵幅度，所述滑失率包括三级评价参数：最大滑失率和平均滑失率，所述燃油消耗量包括三级评价参数：油耗总量和每海里平均油耗；所述姿态稳定性包括三级评价参数：横摇周期差、纵摇周期差和升沉数值。
[0017]
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被处理器执行以实现所述的方法。
[0018]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现所述的方法。
[0019]
本发明的有益效果为：构建基于多级评价参数的置信度模糊评价模型，可对船舶性能进行全面分析评价，加入置信度因子并根据置信度计算结果引导权重因子的调整、评
价模型的优化，进而得到更为可信的评价结果。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1为本发明一示例性实施例所述的一种船舶航行性能分析方法的流程示意图；图2为本发明一示例性实施例所述的多级评价参数示意图。
具体实施方式
[0022]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0024]
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
[0025]
本发明实施例所述的一种船舶航行性能分析方法，如图1所示，所述方法包括：获取船舶实时数据以及气象数据，并对所述船舶实时数据以及气象数据进行数据处理，得到处理后的数据，其中，所述数据处理包括：数据清洗、数据标准化处理、数据存储和数据备份；根据所述处理后的数据，确定用于分析船舶航行性能的多级评价参数，其中，所述多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，至少部分二级评价参数包括多个三级评价参数；基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，按照评价参数级别逐级递增，直至基于一级评价参数建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到船舶航行性能评价结果。
[0026]
现有技术中，在对智能船舶性能进行分析评价时，多是从单一方面或单一指标进行评价，得到的结果是单一功能的评价结果，无法全面反映智能船舶的性能表现以及其带
来的有益效果。对于船舶数据获取来源和数据使用前的处理并未涉及，使得评价结果准确度低。且评价模型中各个指标的权重通过人为制定，可信度未知。
[0027]
本发明所述方法针对智能船舶性能构建与其性能参数相应的多级评价参数，以从多个方面评价船舶的性能，全面反映船舶的性能表现。针对智能船舶在航行过程中产生的数据实时性强、类型复杂、数据量大的特点，对接收的数据进行数据处理，以使后续分析评价的结果更为准确可信。在构建评价模型时，加入置信度因子，通过置信度模糊评价模型实现多级评价参数的评价，解决评价结果可信度未知的问题，以提高评价结果的准确性。
[0028]
船舶和岸基之间具有数据信息交互，可根据船岸之间指定的数据模型、数据压缩方式、通信信道与接入方式，实时完成船端数据的无损接收和准确解析，并通过网络将数据传输后进行数据处理。在数据处理时，接收的船舶实时数据和气象数据需要进行统一存储管理。其中，船舶实时数据和气象数据例如表1所示，表中列举为示意数据，不包含所有数据项。
[0029]
表1 船舶实时数据和气象数据一种可选的实施方式中，所述数据清洗包括对数据进行筛查、去重和连续性校验，其中，所述连续性校验包括：对数据离散度进行校验，过滤异常跳变的数据；根据数据之间的
逻辑关系，采用线性插值法或推算值替换法对缺失数据进行补充；所述数据标准化处理包括对数据中各个特征值的度量单位、时间间隔进行标准化处理，其中，对各个特征值的度量单位进行标准化处理包括对各类度量单位进行统一变换，对各个特征值的时间间隔进行标准化处理包括指定同一时间间隔并线性插值法或二次插值法实现数据向前或向后填充；所述数据存储包括对处理后的数据进行存储，其中，静态数据以原始数据存储，动态数据以时间序列数据存储；所述数据备份包括对接收到的船舶实时数据备份存储至存储介质中。
[0030]
其中，数据清洗包含非法数据筛查、数据去重和连续性数据校验三个部分。
[0031]
（1）非法数据筛查非法数据项主要包括两类：一是数据协议规定的无效数值，二是超出应用工况下数据合理取值范围的有效数值。针对每一个数据项，对接收到的每一条数据进行数据合法性检查，统一将非法数据置为无效标识，以进行下一步处理。
[0032]
（2）数据去重数据重复冗余存在两种情况：一是由于重复发送或接收导致数据重复，可以通过过滤相同时间戳实时去除重复冗余数据；二是船舶使用多源传感器采集同一信息时（例如两路电罗经同时采集船艏向），由于采集或传输时的细微差异可能导致同一时间采集的数据上传到系统时带有不同时间戳，而时间戳之间的间隔较小，此时通过去除时间戳相同的数据无法完全解决，这就会造成数据的重复冗余。可以通过比较时间戳之间的间隔与采样周期之间的差异，去除差异较小且数据相同的数据以去除该类冗余数据。
[0033]
（3）连续性数据校验连续性数据校验包含两种情况：一是针对存在异常跳变值的情况，对数据离散度进行校验，过滤掉跳动较大的数据；二是针对数据缺失的情况，根据数据之间的逻辑关系，采用线性插值法、推算值替换等弥补缺失的数据。
[0034]
其中，数据标准化包括两个方面：一是度量单位标准化，由于传感器采集的船舶航速、相对风速以及气象数据中的流速等重要特征值的度量单位存在不一致的情况，需统一度量单位再进行数据分析处理；二是时间间隔标准化，由于传感器采集频率、数据传输过程等存在差异，各特征参数的时间间隔也存在差异，为方便实现数据分析处理，需统一各特征参数的数据时间间隔，可以依据参数特性采用线性插值、二次插值等方法实现数据的向前或前后填充。
[0035]
其中，数据存储包括构建航行数据库，数据库包含两类数据：一是船舶物理参数、航行计划等静态数据，二是由船舶传输到岸基的经初步处理过的各种动态数据，这类数据以时间序列方式存储。
[0036]
其中，数据备份包括采用物理备份的方式，将岸基通信模块实时接收到的船舶原始数据同步保存备用存储介质中。
[0037]
本发明所述方法采用采用模糊评价方法，从各项数据中选取船舶航行中的关键参数来构建多级评价参数，以此建立置信度模糊评价模型，根据隶属度法对船舶航行性能进行定量评价。
[0038]
一种可选的实施方式，如图2所示，多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评
价参数包括多个二级评价参数，部分二级评价参数包括多个三级评价参数，其中，所述一级评价参数包括：控制性能参数、经济性参数和安全性参数；其中，所述控制性能参数包括二级评价参数：航迹偏差、总航程偏差和操舵性能，所述经济性参数包括二级评价参数：滑失率、平均实际航迹和燃油消耗量，所述安全性参数包括二级评价参数：最高风浪承受力、平均富余水深和姿态稳定性；其中，所述航迹偏差包括三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差，所述操舵性能包括三级评价参数：操舵频率和操舵幅度，所述滑失率包括三级评价参数：最大滑失率和平均滑失率，所述燃油消耗量包括三级评价参数：油耗总量和每海里平均油耗，所述姿态稳定性包括三级评价参数：横摇周期差、纵摇周期差和升沉数值。
[0039]
通过选取各个评价参数，以使评价结果能充分代表一个航次中船舶的性能。在进行多级评价时，以三级评价参数为例，先基于三级评价参数，建立置信度模糊评价模型对二级评价参数进行相应的评价，得到二级评价参数的评价结果，然后基于二级评价参数，建立置信度模糊评价模型对一级评价参数进行相应的评价，得到一级评价参数的评价结果，最后基于一级评价参数，建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到最终的船舶航行性能评价结果。
[0040]
其中，控制性能参数表征船舶自主航行过程中操纵系统对船舶设定航向或计划航线的保持效果及对舵机设备的使用情况。
[0041]
总航程偏差表征实际航行里程与计划航线对应的期望航行里程之间的偏差百分比，反应了操纵控制系统的自主控制效果，偏差越小说明性能越好。计算式为，为实际航行里程，为期望航行里程。
[0042]
航迹偏差表征船舶实际位置到航线中心线的垂直距离，用以衡量航行过程中船舶对计划航线的执行情况，指标越小航行越靠近航道中心。根据船位采样时间可得到航迹偏差的时间序列值，该时间序列值的两个统计量——最大值和平均值可以作为航迹偏差对应的三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差。
[0043]
操舵性能表征航行过程中舵机的使用情况及损耗。可从操舵频率和操舵幅度两个角度来考量操舵情况，构建其对应的三级评价参数：操舵频率和操舵幅度。操舵频率指航向保持阶段，单位时间（1min）内平均操舵次数；操舵幅度指航向保持阶段，单位时间内平均操舵幅度。
[0044]
滑失率表征计划航速和实际航速的差值与计划航速之间的百分比，反应航行中由于气象或其它因素导致的速度损失情况。计算式为，为实际航行速度，为期望航行速度。
[0045]
平均实际航迹表征实际航程与实际航行时间的比值，可得每个航路段的平均航速与全航程的平均航速。
[0046]
燃油消耗量表征航行中燃油消耗情况，对应两个三级评价参数：全航程的燃油消耗总量和每海里平均油耗（燃油消耗总量除以总航程），对确定航次来说，燃油消耗总量越少经济性越高。
[0047]
最高风浪承受力表征航行过程中船舶遭遇最大有义浪高时，风速和浪高分别与船
舶所能承受最高风速和最高浪高之间的比值，比值越小说明航行越安全。
[0048]
平均富余水深表征航行过程中实时水深与船舶吃水之间差值的平均值，数值越大说明航行越安全。
[0049]
姿态稳定性表征船舶在风浪中航行时，船舶姿态变化对船舶稳定性的影响，进而衡量姿态变化对航行安全的影响。参考船舶的六自由度运动，结合风浪对航行安全的影响机制，由于横摇、纵摇和升沉对船舶的危害和影响最大，确定姿态稳定性指标对应的三级评价参数为：横摇周期差（横摇周期与海浪周期之差），该差值越小，越易造成船体与海浪共振，航行越危险；纵摇周期差（纵摇周期与海浪周期之差），该差值越小，越易造成船体与海浪共振，航行越危险；升沉数值，升沉数值越大，越容易出现海浪涌入甲板或船首被压下导致的船身打横现象，航行越危险。
[0050]
一种可选的实施方式中，所述基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，包括：基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量；基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果。
[0051]
本发明所述方法可以先根据专家经验和层次分析法构建权重向量和权重对应的置信度，再建立合适的隶属度函数，构建评价矩阵，最后采用合适的合成因子合成评价矩阵和权重向量，完成置信度模糊评价模型的建立。
[0052]
一种可选的实施方式中，所述基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量，包括：对下一级评价参数，确定评价参数集u， ，其中，和表示评价参数，，m为正整数；对所述评价参数集u中的各个评价参数，使用成对比较法和1-9比较尺度分别构造一组对比矩阵，每个对比矩阵为v，，其中，表示所述评价参数集u中的评价参数与评价参数对上一级评价参数的重要性比较结果，取值为1~9及其倒数值中的任意值；确定每个对比矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，对所述特征向量进行一致性校验，在校验通过后对所述特征向量归一化处理，得到一组初始权重向量；对权重值进行等级划分，划分等级量化后对应于[0，1]区间的n等分，量化后的等级向量为，其中，；对所述评价参数集u的评价参数，遍历每个初始权重向量中评价参数对应的权重值并组成向量，提取属于所述等级向量的个数，并做如下处理：，，其中，k为初始权重向量个
数，；将向量归一化处理后，得到权重向量a以及对应的置信度向量c，，，其中，，。
[0053]
本发明所述方法基于多级评价参数，分别构建每级评价参数的权重向量。根据每级评价参数的含义及实船意义，结合专家经验（例如k位专家根据经验分别给出评价参数的对比矩阵）和层次分析法确定权重向量，并计算权重对应的置信度，置信度越高说明权重的取值越合理可信度越高，可根据置信度调整权重的取值，以根据置信度对评价模型进行调整，获取更为准确的评价结果。例如，表示评价参数与评价参数对上一级评价参数同样重要，表示评价参数与评价参数对上一级评价参数略为重要，上述为示例举例。在进行一致性检验时，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验，检验通过，特征向量归一化处理后即为权重向量；若检验不通过，需重新构造对比矩阵。
[0054]
一种可选的实施方式中，所述基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果，包括：确定所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级集，其中，表示所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级，，n为正整数；对所述评价参数集u中的每一个评价参数，根据所述评价等级集p中的等级进行模糊评判，得到评价矩阵r，，其中，表示评价参数关于评价等级的隶属程度；通过对所述评价矩阵r和所述权重向量a进行矩阵运算得到模糊评价向量，；对所述置信度向量c进行如下合成：，，其中，，，，为计算中间值，为合成后的置信度；对所述模糊评价向量归一化处理后，得到上一级评价参数的评价结果。
[0055]
其中，的值可由德尔菲法确定。
[0056]
上述模型建立好后，根据各级评价参数的具体数值，代入上述模型后，即可完成最
终的计算。
[0057]
一种可选的实施方式中，所述方法还包括：实时展示船舶航行过程中，各级评价参数的变化情况及对应的中间评价结果，船舶航行性能评价结果以及当前航次和历史航次的船舶航行性能比对结果。
[0058]
本发明所述方法加入了可视化，可以展示中间评价结果，例如二级评价结果、一级评价结果，还可以以图表形式展示航行过程中关键性能、参数的时间序列变化情况以及对应的统计结果，如油耗、浪高、航速等。同时，还能呈现当前航次与存储的历史航次的船舶航行性能评价比对结果，可为进一步的性能分析或智能功能改进提供参考和支撑。
[0059]
本发明实施例所述的一种船舶航行性能分析系统，所述系统包括：船岸通信模块，用于实现船舶和岸基之间的数据信息交互，接收船舶实时数据，并通过网络将数据传输至数据处理模块；数据处理模块，用于处理所述船岸通信模块接收的船舶实时数据以及气象数据，得到处理后的数据，其中，所述数据处理包括：数据清洗、数据标准化处理、数据存储和数据备份；航行性能分析模块，用于根据所述处理后的数据，确定用于分析船舶航行性能的多级评价参数，其中，所述多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，至少部分二级评价参数包括多个三级评价参数，基于下一级评价参数建立置信度模糊评价模型对上一级评价参数进行评价，得到上一级评价参数的评价结果，按照评价参数级别逐级递增，直至基于一级评价参数建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到船舶航行性能评价结果；可视化模块，用于实时展示船舶航行过程中，各级评价参数的变化情况及对应的中间评价结果，所述船舶航行性能评价结果以及当前航次和历史航次的船舶航行性能比对结果。
[0060]
现有技术中，在对智能船舶性能进行分析评价时，多是从单一方面或单一指标进行评价，得到的结果是单一功能的评价结果，无法全面反映智能船舶的性能表现以及其带来的有益效果。对于船舶数据获取来源和数据使用前的处理并未涉及，使得评价结果准确度低。且评价模型中各个指标的权重通过人为制定，可信度未知。
[0061]
本发明所述系统针对智能船舶性能构建与其性能参数相应的多级评价参数，以从多个方面评价船舶的性能，全面反映船舶的性能表现。针对智能船舶在航行过程中产生的数据实时性强、类型复杂、数据量大的特点，对接收的数据进行数据处理，以使后续分析评价的结果更为准确可信。在构建评价模型时，加入置信度因子，通过置信度模糊评价模型实现多级评价参数的评价，解决评价结果可信度未知的问题，以提高评价结果的准确性。
[0062]
船舶和岸基之间具有数据信息交互，可根据船岸之间指定的数据模型、数据压缩方式、通信信道与接入方式，实时完成船端数据的无损接收和准确解析，并通过网络将数据传输后进行数据处理。在数据处理时，接收的船舶实时数据和气象数据需要进行统一存储管理。其中，船舶实时数据和气象数据例如表2所示，表中列举为示意数据，不包含所有数据项。
[0063]
表2 船舶实时数据和气象数据
一种可选的实施方式中，所述数据处理模块包括：数据清洗模块，用于对数据进行筛查、去重和连续性校验，其中，所述连续性校验包括：对数据离散度进行校验，过滤异常跳变的数据；根据数据之间的逻辑关系，采用线性插值法或推算值替换法对缺失数据进行补充；数据标准化模块，用于对数据中各个特征值的度量单位、时间间隔进行标准化处理，其中，对各个特征值的度量单位进行标准化处理包括对各个单位统一度量单位，对各个特征值的时间间隔进行标准化处理包括通过线性插值法或二次插值法实现数据向前或向后填充；数据存储模块，用于对处理后的数据进行存储，其中，静态数据以原始数据存储，动态数据以时间序列数据存储；数据备份模块，用于对接收到的船舶实时数据备份存储至存储介质中。
[0064]
其中，数据清洗包含非法数据筛查、数据去重和连续性数据校验三个部分。
[0065]
（1）非法数据筛查非法数据项主要包括两类：一是数据协议规定的无效数值，二是超出应用工况下数据合理取值范围的有效数值。针对每一个数据项，对接收到的每一条数据进行数据合法性检查，统一将非法数据置为无效标识，以进行下一步处理。
[0066]
（2）数据去重数据重复冗余存在两种情况：一是由于重复发送或接收导致数据重复，可以通过过滤相同时间戳实时去除重复冗余数据；二是船舶使用多源传感器采集同一信息时（例如两路电罗经同时采集船艏向），由于采集或传输时的细微差异可能导致同一时间采集的数据上传到系统时带有不同时间戳，而时间戳之间的间隔较小，此时通过去除时间戳相同的数据无法完全解决，这就会造成数据的重复冗余。可以通过比较时间戳之间的间隔与采样周期之间的差异，去除差异较小且数据相同的数据以去除该类冗余数据。
[0067]
（3）连续性数据校验连续性数据校验包含两种情况：一是针对存在异常跳变值的情况，对数据离散度进行校验，过滤掉跳动较大的数据；二是针对数据缺失的情况，根据数据之间的逻辑关系，采用线性插值法、推算值替换等弥补缺失的数据。
[0068]
其中，数据标准化包括两个方面：一是度量单位标准化，由于传感器采集的船舶航速、相对风速以及气象数据中的流速等重要特征值的度量单位存在不一致的情况，需统一度量单位再进行数据分析处理；二是时间间隔标准化，由于传感器采集频率、数据传输过程等存在差异，各特征参数的时间间隔也存在差异，为方便实现数据分析处理，需统一各特征参数的数据时间间隔，可以依据参数特性采用线性插值、二次插值等方法实现数据的向前或前后填充。
[0069]
其中，数据存储包括构建航行数据库，数据库包含两类数据：一是船舶物理参数、航行计划等静态数据，二是由船舶传输到岸基的经初步处理过的各种动态数据，这类数据以时间序列方式存储。
[0070]
其中，数据备份包括采用物理备份的方式，将岸基通信模块实时接收到的船舶原始数据同步保存备用存储介质中。
[0071]
航行性能分析模块采用采用模糊评价方法，从各项数据中选取船舶航行中的关键参数来构建多级评价参数，以此建立置信度模糊评价模型，根据隶属度法对船舶航行性能进行定量评价。
[0072]
一种可选的实施方式，如图2所示，多级评价参数包括三级评价参数，每个一级评价参数包括多个二级评价参数，部分二级评价参数包括多个三级评价参数，其中，所述一级评价参数包括：控制性能参数、经济性参数和安全性参数；其中，所述控制性能参数包括二级评价参数：航迹偏差、总航程偏差和操舵性能，所述经济性参数包括二级评价参数：滑失率、平均实际航迹和燃油消耗量，所述安全性参数包括二级评价参数：最高风浪承受力、平均富余水深和姿态稳定性；其中，所述航迹偏差包括三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差，所述操舵性能包括三级评价参数：操舵频率和操舵幅度，所述滑失率包括三级评价参数：最大滑失率和平均滑失率，所述燃油消耗量包括三级评价参数：油耗总量和每海里平均油耗，所述姿态稳定
性包括三级评价参数：横摇周期差、纵摇周期差和升沉数值。
[0073]
通过选取各个评价参数，以使评价结果能充分代表一个航次中船舶的性能。在进行多级评价时，以三级评价参数为例，先基于三级评价参数，建立置信度模糊评价模型对二级评价参数进行相应的评价，得到二级评价参数的评价结果，然后基于二级评价参数，建立置信度模糊评价模型对一级评价参数进行相应的评价，得到一级评价参数的评价结果，最后基于一级评价参数，建立置信度模糊评价模型对船舶航行性能进行评价，得到最终的船舶航行性能评价结果。
[0074]
其中，控制性能参数表征船舶自主航行过程中操纵系统对船舶设定航向或计划航线的保持效果及对舵机设备的使用情况。
[0075]
总航程偏差表征实际航行里程与计划航线对应的期望航行里程之间的偏差百分比，反应了操纵控制系统的自主控制效果，偏差越小说明性能越好。计算式为，为实际航行里程，为期望航行里程。
[0076]
航迹偏差表征船舶实际位置到航线中心线的垂直距离，用以衡量航行过程中船舶对计划航线的执行情况，指标越小航行越靠近航道中心。根据船位采样时间可得到航迹偏差的时间序列值，该时间序列值的两个统计量——最大值和平均值可以作为航迹偏差对应的三级评价参数：最大航迹偏差和平均航迹偏差。
[0077]
操舵性能表征航行过程中舵机的使用情况及损耗。可从操舵频率和操舵幅度两个角度来考量操舵情况，构建其对应的三级评价参数：操舵频率和操舵幅度。操舵频率指航向保持阶段，单位时间（1min）内平均操舵次数；操舵幅度指航向保持阶段，单位时间内平均操舵幅度。
[0078]
滑失率表征计划航速和实际航速的差值与计划航速之间的百分比，反应航行中由于气象或其它因素导致的速度损失情况。计算式为，为实际航行速度，为期望航行速度。
[0079]
平均实际航迹表征实际航程与实际航行时间的比值，可得每个航路段的平均航速与全航程的平均航速。
[0080]
燃油消耗量表征航行中燃油消耗情况，对应两个三级评价参数：全航程的燃油消耗总量和每海里平均油耗（燃油消耗总量除以总航程），对确定航次来说，燃油消耗总量越少经济性越高。
[0081]
最高风浪承受力表征航行过程中船舶遭遇最大有义浪高时，风速和浪高分别与船舶所能承受最高风速和最高浪高之间的比值，比值越小说明航行越安全。
[0082]
平均富余水深表征航行过程中实时水深与船舶吃水之间差值的平均值，数值越大说明航行越安全。
[0083]
姿态稳定性表征船舶在风浪中航行时，船舶姿态变化对船舶稳定性的影响，进而衡量姿态变化对航行安全的影响。参考船舶的六自由度运动，结合风浪对航行安全的影响机制，由于横摇、纵摇和升沉对船舶的危害和影响最大，确定姿态稳定性指标对应的三级评价参数为：横摇周期差（横摇周期与海浪周期之差），该差值越小，越易造成船体与海浪共振，航行越危险；纵摇周期差（纵摇周期与海浪周期之差），该差值越小，越易造成船体与海
浪共振，航行越危险；升沉数值，升沉数值越大，越容易出现海浪涌入甲板或船首被压下导致的船身打横现象，航行越危险。
[0084]
一种可选的实施方式中，所述航行性能分析模块包括：评价向量模块，用于基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量；评价模型模块，用于基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果。
[0085]
本发明所述系统可以先根据专家经验和层次分析法构建权重向量和权重对应的置信度，再建立合适的隶属度函数，构建评价矩阵，最后采用合适的合成因子合成评价矩阵和权重向量，完成置信度模糊评价模型的建立。
[0086]
一种可选的实施方式中，所述基于下一级评价参数，确定下一级评价参数的权重向量以及权重对应的置信度向量，包括：对下一级评价参数，确定评价参数集u， ，其中，和表示评价参数，，m为正整数；对所述评价参数集u中的各个评价参数，使用成对比较法和1-9比较尺度分别构造一组对比矩阵，每个对比矩阵为v，，其中，表示所述评价参数集u中的评价参数与评价参数对上一级评价参数的重要性比较结果，取值为1~9及其倒数值中的任意值；确定每个对比矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，对所述特征向量进行一致性校验，在校验通过后对所述特征向量归一化处理，得到一组初始权重向量；对权重值进行等级划分，划分等级量化后对应于[0，1]区间的n等分，量化后的等级向量为，其中，；对所述评价参数集u的评价参数，遍历每个初始权重向量中评价参数对应的权重值并组成向量，提取属于所述等级向量的个数，并做如下处理：，，其中，k为初始权重向量个数，；将向量归一化处理后，得到权重向量a以及对应的置信度向量c，，，其中，，。
[0087]
本发明所述系统基于多级评价参数，分别构建每级评价参数的权重向量。根据每级评价参数的含义及实船意义，结合专家经验（例如k位专家根据经验分别给出评价参数的对比矩阵）和层次分析法确定权重向量，并计算权重对应的置信度，置信度越高说明权重的取值越合理可信度越高，可根据置信度调整权重的取值，以根据置信度对评价模型进行调
整，获取更为准确的评价结果。例如，表示评价参数与评价参数对上一级评价参数同样重要，表示评价参数与评价参数对上一级评价参数略为重要，上述为示例举例。在进行一致性检验时，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验，检验通过，特征向量归一化处理后即为权重向量；若检验不通过，需重新构造对比矩阵。
[0088]
一种可选的实施方式中，所述基于隶属度函数构建评价矩阵，合成所述评价矩阵和所述权重向量，得到上一级评价参数的评价结果，包括：确定所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级集，其中，表示所述评价参数集u中评价参数的上一级评价参数的评价等级，，n为正整数；对所述评价参数集u中的每一个评价参数，根据所述评价等级集p中的等级进行模糊评判，得到评价矩阵r，，其中，表示评价参数关于评价等级的隶属程度；通过对所述评价矩阵r和所述权重向量a进行矩阵运算得到模糊评价向量，；对所述置信度向量c进行如下合成：，，其中，，，，为计算中间值，为合成后的置信度；对所述模糊评价向量归一化处理后，得到上一级评价参数的评价结果。
[0089]
其中，的值可由德尔菲法确定。
[0090]
上述模型建立好后，根据各级评价参数的具体数值，代入上述模型后，即可完成最终的计算。
[0091]
本公开还涉及一种电子设备，包括服务器、终端等。该电子设备包括：至少一个处理器；与至少一个处理器通信连接的存储器；以及与存储介质通信连接的通信组件，所述通信组件在处理器的控制下接收和发送数据；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行以实现上述实施例中的方法。
[0092]
在一种可选的实施方式中，存储器作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现方法。
[0093]
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储选项列表等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至外接设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0094]
一个或者多个模块存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述任意方法实施例中的方法。
[0095]
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
[0096]
本公开还涉及一种计算机可读存储介质，用于存储计算机可读程序，所述计算机可读程序用于供计算机执行上述部分或全部的方法实施例。
[0097]
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备（可以是单片机，芯片等）或处理器（processor）执行本申请各实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0098]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0099]
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0100]
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。