考虑通航环境因素的智能船舶航线规划

　　摘要：为提升智能船舶航线自动设计方案的合理性，考虑船舶通航环境因素的影响，提出一种考虑水深、潮高、风、浪、流的智能船舶航线规划算法。基于Delaunay三角剖分算法，提出一种环境建模方法，利用船舶航行安全水深理论在环境模型中搜索禁航区。利用切线图法建立可航网络。基于船舶力学原理对船舶干扰力进行建模，提出一种在环境干扰力影响下的可航网络权值修正方法。将提出的智能船舶航线规划算法用于对浙江舟山衢山岛北部水域的实例分析。仿真结果表明，该算法能够为不同环境下的不同尺度船舶规划出合适的航线，也能够为相同船舶给出适应不同环境的规划结果，从而证明该算法的有效性。

　　关键词： 智能船舶; 航线规划; 环境因素; Delaunay三角剖分; 切线图法

　　引 言

　　船舶在航行过程中的航线规划受到各种环境因素的影响，是船舶安全、经济运行的基础。随着无人船技术的兴起，船舶自动航线设计也成为其核心技术之一。电子海图及相关助航设备已普及，通航环境参数和船舶航行信息的数字化技术已发展成熟。在智能船舶航线规划算法中，充分考虑环境因素，利用数字化技术及设备进行航线辅助设计，将是智能船舶进行合理航线规划的基本保障。因此，考虑通航环境因素的智能船舶航线规划算法研究具有十分重要的意义。

　　近年来，船舶航线规划算法的研究不断吸取其他领域在路径规划上的成功经验，逐渐发展成为路径规划算法的一个重要分支，取得了较为丰硕的研究成果。张立华等[1]考虑航行水域的水深和碍航物，提出一种基于电子海图的自动航线设计方法;李源惠等[2]利用电子海图信息，提出基于动态网格模型的航线规划算法;TAM等[3]结合交通流数据及环境数据，提出一种考虑船舶会遇状态的航线规划算法;曹鸿博等[4]对复杂情形下的航线规划算法进行优化，提出改进的最短距离航线自动生成算法;NAEEM等[5]考虑《国际海上避碰规则》，

　　提出一种无人船避碰路径规划算法;庄佳园等[6]提出一种基于航海雷达的水面无人艇局部路径规划算法;王涛等[7]考虑船舶转向限制，提出一种最短距离航线自动生成算法;向哲等[8]利用海量AIS数据，提取出船舶习惯航路并应用于船舶航线规划;

　　XU等[9]考虑环境因素影响，提出一种开阔海域的船舶航线规划算法;谢新连等[10]考虑船舶在绕开碍航区时的避碰问题，提出一种复杂水域船舶避碰路径规划算法;SHEN等[11]将粒子群优化算法(particle swarm optimization， PSO)与切线图法相结合来搜索最优船舶航线;XIE等[12-13]提出改进的多方向A*算法，解决了海上风电场水域的船舶路径规划问题;GKEREKOS等[14]提出了一个基于船舶性能和气象条件的航线规划框架;WEN等[15]将DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)与人工神经网络相结合，实现了基于港口间AIS数据的船舶航线自动设计;CHEN等[16]提出一种基于Q学习的路径规划方法，能夠让船舶按照该路径规划结果进行自主航行。

　　从已有的研究可以发现，船舶航线规划算法可以分为解析法和智能法。解析法着眼于船舶实际的航行环境和气象环境，通过对环境进行建模，进而获得船舶可航水域，完成船舶航线规划设计;智能法主要对船舶航迹、船舶航行参数等大量相关历史数据进行挖掘、分析和学习，进而通过智能算法求解可靠的经验路线。这都为船舶航线自主设计的研究提供了坚实的基础。然而，针对不同尺度、不同类型的船舶，环境模型通常采用通用模型，难以满足实际应用过程中的航行安全要求;此外，在考虑环境因素影响的算法中，对多种环境因素的综合考虑还不充分，并且没有考虑潮高值对环境建模的影响。

　　虽然在求解船舶航线规划问题时，采用解析法和智能法均可以获得较好的效果，但是在处理绕开临时禁航区时，解析法能够直接将环境数据、气象数据作为参数代入算法进行航线求解。因此，本文提出一种基于解析法的航线规划算法。首先提出一种综合考虑船体参数、水深、潮高值的环境建模算法，

　　用于自动提取船舶禁航区域，并根据实时潮高值和船舶吃水需要给出适应的环境模型;再利用基于船舶参数的航速修正算法对环境模型进行权值修正，通过模型求解为船舶规划出既安全又高效的航线。

　　1 基于电子海图数据的航行水域环境建模

　　电子海图将真实水域资料以数据的形式进行保存和显示，其中水域水深数据以〈坐标，水深值〉的形式存储在电子海图文件中，并能够以离散点的形式在电子海图中显示。Delaunay三角剖分算法是广泛应用于数值分析(比如有限元分析)以及图形学的一项重要预处理技术。

　　1.1 电子海图数据的Delaunay三角剖分算法

　　电子海图的水深数据集合K可以表示为{kii=1，2，…，n}，其中ki的数据结构为〈(xi，yi)，hi〉，(xi，yi)为坐标点，hi为该点水深值。

　　Delaunay三角剖分算法能够根据离散的坐标数据构建该区域的Delaunay三角网模型，该模型可以表示为集合{tjtj∈M，j=1，2，…，m}，tj的数据结构为〈l1，l2，l3〉，其中li的数据结构为〈k(i)0，k(i)1〉。根据文献[17-19]的比较分析结果，采用Marcum提出的基于Delaunay空洞性质的增量法[20]对电子海图水深数据进行三角模型化处理，仅保留水深数据。其算法伪代码如下：

　　输入{kiki∈K，i=1，2，…，n}

　　输出{tjtj∈M，j=1，2，…，m}

　　1创建包含集合K所有元素的初始三角形t0

　　2创建拆分三角形集合S′

　　3创建重构边集合L，集合元素个数g

　　4将t0加入集合M，m=1

　　5for i=1 to n do

　　6 for j=1 to m do

　　7 if ki在tj的外接圆内

　　8 将tj从M中删除并加入S′

　　9 end if

　　10 end for

　　11 删除S′中元素的公共边，其余边加入L

　　12 for u=1 to g do

　　13 用ki和lu构建新三角形tm+1，加入M

　　14 end for

　　15end for

　　16for j=1 to m do

　　17 if tj表达的是陆地

　　18 将tj从M中删除

　　19 end if

　　20end for

　　1.2 搜索禁航区范围

　　碍航区除了陆地、岛屿外，水深不满足船舶吃水要求的区域同样为碍航区域。为保证船舶航行安全，应选择水深超过船舶吃水并留有一定安全余量的水域航行[21]。

　　HS=HC+HT≥HA+dm

　　(1)

　　式中：HS为船舶航行安全水深;HA为最小安全富余水深;dm为船舶吃水;HC为电子海图水深(该点理论最低潮面的水深);HT为潮高。对于船舶富余水深，文献[21]给出了不同机构对船舶富余水深的规定，综合考虑船舶安全等因素，取船舶吃水的10%作为最小安全富余水深，式(1)可以转化为

　　HS=HC+HT≥dm×110%

　　(2)

　　利用船舶航行安全水深HS，在Delaunay电子海图模型中进行搜索，获得不满足船舶航行安全水深的区域边界，构建禁航区。采用式(3)利用等深线li的两端点坐标(x1，y1)和(x2，y2)求取安全水深的区域边界点坐标(xS，yS)，这里k1的数据结构为〈(x1，y1)，h1〉，k2的数据结构为〈(x2，y2)，h2〉。

　　xS=x1+(HS-h1)(x2-x1)h2-h1

　　yS=y1+(HS-h1)(y2-y1)h2-h1

　　(3)

　　等深線搜索算法伪代码如下，其中RS为等深线集合：

　　输入{tjtj∈M，j=1，2，…，m}

　　输出{lili∈RS，i=1，2，…，n}

　　1for j=1 to m do

　　2 if HS-htj(l1)、HS-htj(l2)、HS-htj(l3)异号(htj(lx)为三角形tj的顶点水深数值，x=1，2，3)

　　3 利用式(3)求解等深线端点坐标

　　4 求取等深线li，加入集合RS

　　5 end if

　　6end for

　　遍历等深线集合RS，通过首尾连接构建碍航区边界，创建碍航区集合{(o，β)i(o，β)i∈O，i=1，2，…，n}，二元组(o，β)元素包含碍航区边界数据o和边界个数β。

　　1.3 可航水域无向图构建

　　已知碍航区集合后，无法直接进行船舶航线设计，需要将碍航区转化为可航水域无向图，英国学者DOYLE等[22]提出了机器人在二维平面上构建无向网络的切线图法，并证明最短路径是由凸多边形边界与凸多边形间的公切线组成的。在通过等深线搜索获得的Delaunay电子海图模型中，碍航区形状不全为凸多边形，可采用顶角判别算法进行处理。可航水域无向图的构建步骤如下：

　　步骤1 遍历碍航物集合{(o，β)i(o，β)i∈O，i=1，2，…，n}，对各碍航区顶点进行校验，若其夹角小于90°则保留顶点，若其夹角大于等于90°，则删除该顶点，获得处理后的碍航区集合{(o，β)i(o，β)i∈Onew，i=1，2，…，n

　　}。

　　步骤2 输入起点和终点，校验起点和终点是否包含在碍航区内。

　　步骤3 创建集合O*，连接起点与终点生成探测线，将探测线经过的碍航区加入集合O*;循环遍历集合O*，以经过起点的碍航区切线、经过终点的碍航区切线作为新的探测线，将经过的碍航区加入集合O*，未穿越的探测线加入集合P，直至集合O*在新一轮遍历中不再添加新的碍航区。

　　步骤4 遍历集合O*，求任意两碍航区的公切线段，以公切线段为探测线，将探测线经过的碍航区加入集合O*，未穿越的探测线加入集合P，直至集合O*在新一轮遍历中不再添加新的碍航区。

　　步骤5 获得无向图网络边界集合{pjpj∈P，j=1，2，…，m}。

　　2 环境因素对航速影响的量化分析

　　量化环境因素的影响是实现航线设计的重要前提。在影响船舶航速的众多因素中，风、浪、流影响较大也较容易被量化[23]。将环境因素的量化结果与船舶力学原理相结合，计算在环境因素影响下的船舶航速。利用航速对可航水域无向图进行权值修正，将环境因素的影响加入船舶航线设计中。

　　2.1 船舶阻力模型

　　在静水中航行时，船舶在推力T的作用下克服总阻力Rt前进。这里，推力T可以通过主机有效功率计算，总阻力Rt可以通过估算公式[24]进行计算：

　　Rt=12ρSCtv2

　　(4)

　　式中：S为船舶湿表面面积，可采用文献[24]的估算图谱进行估算;Ct为总阻力系数;ρ为水域水密度;v为船舶航行的速度。

　　Ct=Cf+Cr+ΔCAR

　　(5)

　　式中：Cf为摩擦阻力系数，可采用桑海公式[25]估算;Cr为剩余阻力系数，可以采用Lap-Keller图谱进行估算;

　　ΔCAR为粗糙度补贴系数[26-27]。

　　2.2 环境干扰力模型

　　2.2.1 风对船体的作用力

　　船舶航行时，水线面以上部分受到风的作用力Fwind，沿艏艉方向的分力为Fwind，x，横向分力为Fwind，y：

　　Fwind，x=12ρaAfv2windCwind，x(αR)

　　Fwind，y=12ρaAsv2windCwind，y(αR)

　　(6)

　　式中：ρa为空气密度;Af和As分别为水线面以上的正投影面积和侧投影面积;vwind为相对风速;αR为风舷角;Cwind，x(αR)和Cwind，y(αR)分别为纵向和横向风压力系数，其值可按文献[28]的经验公式求取。

　　推荐阅读：船舶阻力数值计算研究

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文章名称： 考虑通航环境因素的智能船舶航线规划

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