[发明专利]基于场论的船舶路径优化方法

权利要求书

1.一种基于场论的船舶路径优化方法，其特征在于，包括：

步骤S1：建立目的地对船舶的势能场模型，根据所述目的地对船舶的势能场模型，计算目的地与船舶的势能差，所述势能差为零时船舶到达目的地，

所述目的地与船舶势能差的表达式为：

ΔE＝∫F_引dr

式中，ΔE为船舶与目的地的势能差，F_引为船舶所受的牵引力；M_船为船舶质量，r为船舶与目的地之间的距离；G为引力常量，m默认为1kg，当r＝r_min时，当r趋向于正无穷时，F_引＝F_max；

步骤S2：建立船舶是否通行的判断模型，根据所述船舶是否通行的判断模型计算船舶航经水域的水深，判断船舶在航经水域的可通行性；

步骤S3：建立静态障碍物势能场模型，根据所述静态障碍物势能场模型，计算静态环境下通行水域任意位置点的势能总和，

通过电子海图获得船舶航经水域的地形分布，确定航经水域内若干个障碍物中心点以及若干个障碍物的特征值，将海面上静态障碍物与海面下通行水域均用高斯函数拟合覆盖，构建全局势能场，所述航经水域中共有若干个静态障碍物，需要将对应的若干个高斯势能曲面进行叠加得到全局势能场，所述静态环境下通行水域任意位置点的势能总和的表达式为：

式中：E_静(x,y)为在任意点(x,y)的势能总和；i表示若干个静态障碍物模型中的第i个模型，E_i(x,y)表示第i个模型在任意点(x,y)的势能，(x₀,y₀)第i个模型的中心点；b为势能影响系数；

当k＝1时表示海面上障碍物势能场，当k＝-1时表示海面下通行水域势能场；

σ_ix、σ_iy分别表示第i个模型X轴向、Y轴向的斜率，H₀表示障碍物高度或通行水域深度，L₀表示障碍物或通行水域的x或y轴向内径；

步骤S4：根据航经水域任意位置点的势能，确定势能最低路径为静态环境下船舶到达目的地的最优路径；

步骤S5：建立动态障碍物势能场模型，根据所述动态障碍物势能场模型，计算动态障碍物势能场中任意位置点的势能总和，

所述动态障碍物为太平洋洋面的热带气旋时，根据气象预测获得热带气旋的中心点位置(x₀,y₀)及预测路径x_t＝x(t),y_t＝y(t)，将热带气旋的势能场用高斯曲面表示，得到动态障碍物势能场中任意位置点的势能总和的表达式为：

式中，E_动(x,y,t)表示在点(x,y)的势能；(x_t,y_t)热带气旋的t时刻中心点的位置，中心点移动函数为x_t＝x(t),y_t＝y(t)；b为势能影响系数，σ_xt、σ_yt分别表示热带气旋在X轴向、Y轴向上的实时斜率，P₀表示热带气旋中心点压强，R₀表示热带气旋影响区域7级大风圈的半径；

步骤S6：通过所述动态障碍物势能场中任意位置点的势能总和，判断动态障碍物是否影响船舶航行，若是，进行步骤S7，若否，则船舶按照步骤S4所述静态环境下船舶到达目的地的最优路径继续航行；

步骤S7：所述动态障碍物影响船舶航行时，对步骤S4所述静态环境下船舶到达目的地的最优路径进行再优化。

2.如权利要求1所述的基于场论的船舶路径优化方法，其特征在于，水深变化函数的表达式为：

H(t)≥D+ε

式中：H(t)表示t时刻的水深；D为船舶吃水深度；ε为确保船舶安全航行的富余深度；

所述ε的取值根据船舶的具体吨位、航速和船舶类型确定。