[发明专利]一种基于海洋环境图层的船舶航线自动规划与评价方法

说明书

本发明公开一种基于海洋环境图层的船舶航线自动规划与评价方法。该方法综合海洋环境信息和船舶特征进行航线规划，首先提取海洋环境信息，构建网格化海洋地理、水文、气象图层库和数据场模型，完成环境数据有效整编与存储；并根据船舶参数和安全通航要求，确定网格安全等级与碍航区；设计方向函数，提出基于方向函数进行网格自动搜索并实现航线自动规划生成，并利用遗传算法的方法进行航线优化；最后构建航线航程、航线风险度、航行能耗等三个指标模型进行航线评价，给出航线效能值。本方法可有效提升复杂海洋环境中船舶航线自动规划、生成、优化和评价能力，提高航行效率，降低航行风险，并可为新一代智能船舶、无人船舶提供技术支持。

技术领域

本发明涉及船舶航线规划领域，可适用于海上交通、航运。

背景技术

我国是海洋大国，也是“世界工厂”，随着海洋强国战略不断贯彻与深化、世界经济增长和贸易的发展，航运发展日益繁荣。海上交通运输业快速发展，船舶数量在不断的增多，海上运输环境复杂多样，海上风、浪、流和障碍物等会直接或间接影响船舶安全航行，甚至引发了一系列的交通安全、通航效率等问题，直接影响船舶航运的经营效益。面对日益激烈的航运竞争形势，高效、安全、可控地完成航运任务的要求日益突出。

船舶在航行过程中往往会受到各种不同的海洋环境及气象因素的影响，恶劣的海况与天气直接威胁船舶航行安全，导致船舶遇险，船期延误及延伸性经济损失，这对航线规划技术提出了更高的要求。航线规划船舶智能导航系统的关键技术之一，即根据气象、海况等自然条件、船体状态、舰船运动性能、主机性能等，基于一定的评价标准，决定舰船航行的最佳航行计划。

早在20世纪50年代气象定线就已应用，利用船舶航行过程中的海洋水文气象条件，根据航行海区准确的天气与海况预报，并结合被导航船舶的性能、船型、装载情况、航行要求和航海经验制定航线。但是这类航线定制方法相对粗糙，自动化程度不高，难以满足现代化航运需求。随着现代计算技术的发展，航线自动规划方法的研究日益增加并成为主流，基于 A*算法、Dijkstra算法、二叉树算法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法等及其它们的组合可实现航线的自动规划，这些算法虽然应用较多，但重点研究理想航线生成，考虑影响航行的因素不够全面，尚未将精细化海洋环境信息纳入航线规划、优化和评价中，影响航线的实际使用。高效、合理的航线规划方法仍在不断研究、完善中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网格化船舶航线智能规划、生成、优化和评价方法。通过对整合海洋环境和船舶参数数据，提出一种网格化船舶航线智能规划与评价方法，将海洋地理、水文、气象数据网格化，构建数据模型、采用基于方向函数的航线生成方法，实现航线自动规划、生成、优化和评价，解决航线自动生成和评价难题，提升船舶航行效率。

实现本发明的解决方案是：构建网格化海洋地理、水文、气象图层库和数据场模型，实现船舶航行的环境数据有效整编与存储，将海洋环境数据深度融合到航线规划；叠加海洋环境图层，并根据船舶参数和通航要求，确定网格安全等级与障碍区；基于方向函数进行网格搜索并实现航线自动规划生成；通过多次航线规划生成多条航线，利用遗传算法的方法进行航线优化；最后构建航线航程、航线风险度、航行能耗等三个指标模型进行航线评价，给出航线效能值；实现船舶航线智能规划、生成、优化和评价。本发明实现步骤如下：

Step 1构建图层库和数据场模型：提取海洋环境信息，构建网格化海洋地理、水文、气象图层库，支持图层叠加，网格边长为d，d可根据海域环境和航线规划需求动态调整；建立环境对象的数据场模型，进行数据整编存储；

Step 2网格安全等级与障碍区确定：根据船舶参数，确定地理图层中静态障碍区以及因恶劣环境影响而不适应航行的动态障碍区；同时根据船舶安全通航要求，计算每个栅格的安全等级；