基于電子海圖的航線規(guī)劃方法研究.pdf

1、海事智能交通系統(tǒng)對于改善海運交通狀況,保障航運安全以及水域環(huán)境具有重要意義。作為智能導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),航線規(guī)劃是電子海圖應(yīng)用的重要內(nèi)容?；陔娮雍D平臺,運用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息融合技術(shù)實現(xiàn)各種導(dǎo)航系統(tǒng)的物理連接和信息綜合集成,采用信息智能處理技術(shù),實現(xiàn)高精度、高可靠性、自動化導(dǎo)航,是航海界的一項重要課題。
　　 本文以海事智能交通系統(tǒng)研究為背景,結(jié)合海洋環(huán)境復(fù)雜性、動態(tài)性、不確定性特點,對船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)航線規(guī)劃方法展開深入、

2、細致的研究。全文主要研究工作和成果如下:
　　 (1)基于航路網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化機制的局部航線規(guī)劃方法
　　 作為航線規(guī)劃常用的一類算法,建網(wǎng)優(yōu)化方法的效率在很大程度上取決于航路網(wǎng)絡(luò)模型的規(guī)模。局部航線規(guī)劃中環(huán)境信息部分已知,傳統(tǒng)的構(gòu)網(wǎng)方法存在明顯的局限性,從而限制了其在局部航線規(guī)劃中的應(yīng)用。在傳統(tǒng)切線圖的基礎(chǔ)上,引入虛擬障礙的概念,構(gòu)建“動態(tài)探測線”結(jié)構(gòu)對復(fù)雜環(huán)境信息進行有效分解,利用快速凸殼技術(shù)和直線正負性函數(shù)對Z3-2算

3、法加以改進,實現(xiàn)動態(tài)航路切線圖的增量構(gòu)建,在此基礎(chǔ)上,利用Dijkstra算法進行航路搜索,實現(xiàn)局部海洋環(huán)境下計劃航線優(yōu)化設(shè)計。
　　 (2)基于過濾機制的全局航線規(guī)劃方法
　　 現(xiàn)有的航線規(guī)劃算法大都針對小范圍內(nèi)的規(guī)劃問題展開研究,對于大規(guī)模復(fù)雜海洋環(huán)境并不適用。針對大規(guī)模海洋環(huán)境障礙物相對稀疏的特點,采用限制搜索區(qū)域和碰撞檢測技術(shù)構(gòu)建障礙物潛在碰撞集,有效減小航線規(guī)劃的搜索規(guī)模?；跂鸥衲Ｐ秃唵?、對不規(guī)則障礙物表達能

4、力強的優(yōu)點,對障礙物進行離散化處理,提取障礙物邊界信息建立緊湊、高效的環(huán)境模型,充分利用柵格間的鄰接關(guān)系基于Elasticity算法實現(xiàn)最短航線規(guī)劃。
　　 (3)基于滾動優(yōu)化的動態(tài)不確定海洋環(huán)境下航線規(guī)劃方法
　　 海洋環(huán)境信息的變化帶有一定的不確定性,對于此類問題,傳統(tǒng)的全局規(guī)劃方法難以解決。借鑒滾動優(yōu)化思想,將優(yōu)化與反饋機制有效結(jié)合,以在線滾動優(yōu)化方式實現(xiàn)航線在線重規(guī)劃。針對標(biāo)準(zhǔn)Bug算法冗余度大的問題,引入航線效

5、用評價函數(shù)和回溯航線融合機制對其加以改進,實現(xiàn)動態(tài)不確定海洋環(huán)境下航線在線規(guī)劃。
　　 (4)基于多源信息集成的船舶氣象自導(dǎo)
　　 各種水文、氣象要素對于航線規(guī)劃具有重要影響,結(jié)合長時間序列遙感數(shù)據(jù),利用時空分析模型實現(xiàn)特定海域水文氣象要素時空分布范圍提取,并與S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖進行多源數(shù)據(jù)集成,結(jié)合水文、氣象要素預(yù)報信息的時效性,分別進行大尺度海洋環(huán)境下計劃航線和避臺航線的優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)船舶氣象自導(dǎo)。
　　

6、本論文對航線規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)進行探索和研究,主要創(chuàng)新點如下:
　　 (1)基于動態(tài)航路切線圖的局部規(guī)劃算法
　　 結(jié)合有限時域內(nèi)的局部環(huán)境信息,增量構(gòu)造切線圖,較好地適應(yīng)了局部規(guī)劃環(huán)境信息未知的特點。該方法能夠有效減小環(huán)境地圖的規(guī)模,大大減少航線規(guī)劃的計算成本,在復(fù)雜環(huán)境中,這一優(yōu)勢將變得更為突出,能夠滿足局部海洋環(huán)境下在線規(guī)劃的實時性要求。
　　 (2)基于兩級優(yōu)化的改進Elasticity算法
　　 改進

7、的Elasticity算法充分利用柵格間的鄰接關(guān)系,具有較高的搜索效率。對環(huán)境規(guī)劃空間的大小不敏感,求出的優(yōu)化航線精度更高,具有穩(wěn)定性好,求解規(guī)模大、適用性強的特點,尤其適用于障礙物相對稀疏的大規(guī)模海洋環(huán)境,是一種理想的遠距離漫游導(dǎo)航方法。
　　 (3)基于滾動窗的改進Bug算法
　　 啟發(fā)式的滾動優(yōu)化策略,能夠適應(yīng)海洋環(huán)境的不確定性影響,實現(xiàn)未知和動態(tài)環(huán)境下航線規(guī)劃問題求解。算法具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,保證航線規(guī)劃結(jié)果全