基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無人船艇航線自動(dòng)生成.pdf

1、作為無人駕駛的海上運(yùn)載平臺(tái)，無人船艇可在海洋中承擔(dān)大范圍、長時(shí)間、低成本的作業(yè)任務(wù)。近年來，隨著船舶智能化水平的不斷提高以及無人駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，無人船艇在軍事和民用領(lǐng)域都已有嘗試性應(yīng)用并且取得了一定成功。無人船艇的研究屬于多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域融合的綜合項(xiàng)目，且?guī)в幸欢ǖ那罢靶院蛣?chuàng)新性。本文以無人船艇為研究對象，以其中的航線自動(dòng)生成技術(shù)為主要研究內(nèi)容，致力于開展基于軌跡數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的航線自動(dòng)生成方法研究。
　　在國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)

2、略逐步實(shí)施和數(shù)據(jù)科學(xué)崛起的大背景下，數(shù)據(jù)正逐步從一種簡單的處理對象轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N基礎(chǔ)性的戰(zhàn)略資源，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析和研究方法也正深刻地改變著傳統(tǒng)科學(xué)研究的探索方式，成為推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的一種新興模式。傳統(tǒng)海事基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和海事信息化建設(shè)在提供監(jiān)管與服務(wù)功能的同時(shí)，也積累了海量的海事感知數(shù)據(jù)。本文正是在DT(Data Technology)時(shí)代變革的大背景下，基于海量軌跡數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析和研究方法，探索無人船艇航線自動(dòng)生成的新

3、模式。本文的主要工作如下:
　　軌跡數(shù)據(jù)壓縮是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無人船艇航線自動(dòng)生成方法的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)軌跡數(shù)據(jù)達(dá)到大數(shù)據(jù)量級時(shí)會(huì)對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理帶來極大的困難和挑戰(zhàn);在對軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)清洗等預(yù)處理工作后，設(shè)計(jì)一種基于Douglas-Peucker算法的軌跡數(shù)據(jù)壓縮框架與實(shí)現(xiàn)流程;針對Douglas-Peucker算法中唯一參數(shù)壓縮閾值的確定問題，借鑒船舶領(lǐng)域概念，基于AIS軌跡數(shù)據(jù)求取最小船舶領(lǐng)域

4、并作為確定壓縮閾值的標(biāo)準(zhǔn);最后通過實(shí)例分析和門線統(tǒng)計(jì)證實(shí)提出的軌跡壓縮與閾值確定方法切實(shí)有效，可在壓縮率高達(dá)98％的同時(shí)有效剔除原始軌跡數(shù)據(jù)中的冗余信息，而且較好的保持了原始軌跡的特征。
　　基于軌跡數(shù)據(jù)壓縮提取出的特征點(diǎn)，根據(jù)《國際避碰規(guī)則》和良好船藝的要求，設(shè)立轉(zhuǎn)向點(diǎn)閾值標(biāo)準(zhǔn)并辨識(shí)出軌跡特征點(diǎn)中的轉(zhuǎn)向點(diǎn);針對不同航路軌跡密度和轉(zhuǎn)向點(diǎn)密度不同的特點(diǎn)，在保持DBSCAN(Density-Based Spatial Clusteri

5、ng of Applications withNoise)算法簡潔性和高效性的基礎(chǔ)上提出層次DBSCAN算法并從空間接近性和轉(zhuǎn)向相似性2個(gè)方面綜合考慮建立轉(zhuǎn)向點(diǎn)的相似性度量標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)向點(diǎn)進(jìn)行聚類，從而識(shí)別出相似航跡所形成的航路轉(zhuǎn)向點(diǎn);然后通過真實(shí)航跡判別航路轉(zhuǎn)向點(diǎn)之間的連通性，并確定由航路轉(zhuǎn)向點(diǎn)及其之間的連通性組成的有向圖G=（TN，L）;最后通過蟻群優(yōu)化算法智能搜索最優(yōu)路徑，通過實(shí)例證明本文提出的航線自動(dòng)生成方法切實(shí)有效，自動(dòng)生成的航線

6、符合航線設(shè)計(jì)的基本原理和要求。
　　為改變傳統(tǒng)航線安全檢測依靠人工目測執(zhí)行的工作模式，設(shè)計(jì)一種基于IHO S63標(biāo)準(zhǔn)電子海圖數(shù)據(jù)的航線安全自動(dòng)檢測方法。在實(shí)現(xiàn)Blowfish加密解密算法、DSA(DigitalSignature Algorithm)數(shù)字簽名算法和SHA-1(Secure Hash Algorithm-1)安全散列算法以及CRC32(Cyclic Redundancy Check32)循環(huán)冗余校驗(yàn)算法的基礎(chǔ)上根據(jù)I

7、HO S63標(biāo)準(zhǔn)電子海圖數(shù)據(jù)保護(hù)方案的策略結(jié)構(gòu)和工作流程對電子海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，針對實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題借鑒FSA(Formal Safety Assessment)方法的框架對IHO S63標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)保護(hù)方案進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)分析并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制方案;最后對電子海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行解析將其轉(zhuǎn)換為符合IHO S57數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和IHO S52內(nèi)容顯示標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖數(shù)據(jù)并最終將其無損轉(zhuǎn)換為SENC，通過提取水深、障礙物等點(diǎn)、線、面海圖要素進(jìn)行航線安全