阅读说明：本技术 一种船舶航迹航速整体规划方法 (A kind of ship track speed of a ship or plane integrated planning method ) 是由 董良雄 周文强 朱发新 袁强 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：一种船舶航迹航速整体规划方法,其特征在于,包括如下步骤,1)利用船舶油耗监测系统,收集船舶瞬时油耗数据,包括历次航行中船位报等数据,并对原始数据进行清洗,去除错误的数据或者不准确的数据,建立船舶瞬时油耗航行大数据库；2)利用粗糙集中的属性约简理论与依赖度算法,或是聚类与决策树分析方法,从风、浪、流等影响参数中,寻找对油耗影响最重要的相关变量；3)提取船舶的瞬时油耗模型,寻找船舶油耗与风、浪、流、船速等通航环境参数之间的关系；发明提出的航迹优化方法既考虑船舶安全避障,还综合船舶主机、船舶辅机等设备的运行工况与海上航行的环境影响考虑船舶的节能等等,保证船舶最大程度地适应复杂的海况与航行环境。(A kind of ship track speed of a ship or plane integrated planning method, it is characterized in that, include the following steps, 1) system is monitored using ship oil consumption, the instantaneous fuel consumption data of ship is collected, including the data such as accommodation report in all previous navigation, and initial data is cleaned, the data of mistake or the data of inaccuracy are removed, the instantaneous oil consumption navigation large database concept of ship is established；2) using the attribute reduction theory and dependency degree algorithm in rough set, or cluster and decision tree analysis method, from the affecting parameters such as wind, wave, stream, finding influences most important correlated variables to oil consumption；3) the instantaneous oil consumption model for extracting ship, finds the relationship between the navigation environments parameter such as ship oil consumption and wind, wave, stream, ship's speed；The route optimization method that invention proposes both had considered safety of ship avoidance, the operating conditions of equipment such as also comprehensive marine main engine, marine auxiliary and sea going environment influence to consider the energy conservation etc. of ship, guarantee that ship farthest adapts to complicated sea situation and navigation environment.)

一种船舶航迹航速整体规划方法

技术领域

本发明涉及船舶航行控制领域，尤其涉及一种船舶航迹优化方法。

背景技术

船舶航迹规划直接影响船舶的能耗水平，船舶在海上航线，由于海上环境多变，如果按照不变的航线航行，会导致油耗过大。随着航运业务的不断发展，船东对船舶航迹规划的要求越来越严，传统的航迹规划技术只是满足船舶安全性需要。而根据船舶能耗设计最优航线具有较大的工程意义，可以使得船舶航行达到最经济的效果，在此基础上船舶航迹的动态规划有利于航运经济的发展、资源充分利用。

随着国内外航运业的快速发展，船舶营运中的能效问题越来越受到重视。在实际的船舶运输过程中，由于风速、浪等因素都与燃油消耗量之间存在着直接关系，从而影响船舶的航迹规划，但是由于船舶能效问题本身的复杂性和船东从营运效率考虑，对船舶航迹的动态调整常常被忽视。

本发明从航程最短、能耗最低和安全避障的角度对船舶全局航迹优化进行设计，提出以最大节能为目的的船舶路径规划。首先利用现有的船舶数据收集网络，基于通航环境因子建立了船舶动态油耗模型，进而在油耗模型的基础上，针对特定航行区域内波浪风力等特征，采用蚁群算法在海洋环境中为船舶规划出一条航行能耗最低和能够安全避障的航迹，是一种能根据海上环境的变化实时改变的航迹，并能在船舶航行中动态调整，相比目前的航线设计方法，具有更强的优越性。

发明内容

本发明为了克服现有船舶航迹规划中难以顾及节能因素的现状，提供了一种航行中对航迹进行动态优化的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

1)利用船舶油耗监测系统，收集船舶瞬时油耗数据，包括历次航行中船位报等数据，并对原始数据进行清洗，去除错误的数据或者不准确的数据，建立船舶瞬时油耗航行大数据库；该大数据库既包括船舶主机，船舶辅助设备和其他设备的主要油耗值，同时包括影响油耗的航行条件，船舶类型和结构，货物装载量，航行速度，船舶状态，海域风、浪、流数据等。

在数据采集中，为了保证油耗监测数据的瞬时性，采用基于zigbee的传感器器网络，针对各种监测参数的采集精度与频率的差别，在各个采集节点采集温度、压力、流量等信号汇聚给网关节点时，利用自组网的时间同步技术保证了节点时间的一致性，使瞬时油耗的监测顺利进行。

2)利用粗糙集中的属性约简理论与依赖度算法，或是聚类与决策树分析方法，从风、浪、流等影响参数中，寻找对油耗影响最重要的相关变量；

对于上述变量中相互影响效应较强的变量，进一步根据变量间的交互效应构建组合变量，包括组合水(即水深与流速的乘积)、投影风(即风速在船向上的投影分量)等，从而得出对油耗影响更大的变量参数。

3)提取船舶的瞬时油耗模型，寻找船舶油耗与风、浪、流、船速等通航环境参数之间的关系。

根据船、机、桨的匹配关系，主机转速和油耗是三次的对应关系，因此，提取船舶油耗模型时，基于三次拟合建立模型，进入引入其他通航环境因子，建立较为准确的船舶瞬时油耗模型。

为了进一步提高船舶油耗模型精度，在提取主机油耗模型的基础上，进一步考虑航行的环境因素以及其他因素的影响，包括主机转速、航速、顺逆风等关联度较强的参数，同时也包括关联度不大的航向、气压、温度、天气、风向风级、浪级等参数，这些参数一同计入船舶瞬时油耗模型。

4)根据海图情况，采用栅格法对海域环境进行建模，将环境信息均匀划分成一定尺寸的二维栅格，将海图上障碍物与通航水域用0与1进行编码并定义栅格属性，进而完成海域环境建模。

5)根据风、浪等因素对船舶航行油耗的影响，修改海域的栅格模型。在每个栅格中存储的海浪的波幅、海流的流速、海风的风速和它们的方向以及碍航物位置等信息作为栅格的属性；将这些属性代入到瞬时油耗模型中即可得到船舶经过该格栅的油耗估算模型(该模型是在在主机转速与油耗的三次对应关系上修正过的)；再利用船舶运动数学模型，即可得到在格栅风浪条件下的船舶航速与油耗值；从而得出考虑通航环境对能耗影响的虚拟栅格模型，是一种动态栅格。

6)基于海域的虚拟栅格模型，利用改进的蚁群算法设计航迹。在蚁群算法的信息素更新中加入风、浪等因素对船舶航行油耗的影响；在算法的迭代中，对能耗信息素进行优化选择，留下的信息素最大路径能代表能耗最优的船舶路径。

在建立的海域格栅中，在每个栅格里面存储风的速度及方向作为栅格的属性，当船舶将行至此栅格时，结合自身的航行参数和栅格属性得出实时的船舶航行工况栅格，进而在航迹规划算法中加入工况因素对船舶航行油耗的影响。

蚁群算法每次迭代的规则是对信息素进行操作，算法结束后，留下一条信息素最大的路径，即在信息素的更新上加入工况动态油耗模型Y_m，在t时刻，信息素的初始化与工况关联，对于任意栅格i到栅格j的路径上都有：

τ_ij(t)＝1-μ_j(t)

其中μ_j(t)是t时刻栅格j受工况的影响程度，与Y_m成正比关系，由于Y_m存在阀值，因此μ_j(t)存在上限即τ_ij存在下限，当τ_ij小于下限时我们规定栅格j是工况栅格，此时从栅格j经过是费油的，因此工况栅格j从allow_k集合中删除。

基于上述引入了工况动态油耗模型Y_m，因此在算法中，从栅格间转移概率也要做修改，进而基于蚁群算法规划最优航线，保证船舶在相对较高的能效下航行。该航迹优化算法流程如图2所示。

与现有技术相比本发明所达到的有益效果是：

1.本发明提出的航迹优化方法既考虑船舶安全避障，还综合船舶主机、船舶辅机等设备的运行工况与海上航行的环境影响考虑船舶的节能等等，保证船舶最大程度地适应复杂的海况与航行环境。

2.基于船舶瞬时油耗数据，提取了动态油耗模型并应用于船舶航线优化中，能根据海上环境的变化优化航迹，达到实时优化的效果。

3.在航迹规划中，根据风、浪等因素对船舶航行油耗的影响，构建了一种具有动态油耗属性的海域栅格模型，提高了航迹规划的功能。

附图说明

图1是船舶航迹油耗程序示意图；

图2是蚁群算法程序图；

图3是海域栅格模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

目前大多数全局航迹规划方法是在全局环境模型中搜索出一条能够避障且航程最短的航迹，很少有分析能耗对全局航迹规划的影响。要为船舶在复杂海洋环境中设计最低能耗的船舶路径，可建立或提取船舶运动数学模型以及船舶动态油耗模型，从而从航程最短、能耗最低的角度对全局航迹问题进行优化。

1)利用船舶油耗监测系统，收集船舶瞬时油耗数据，包括历次航行中船位报等数据，并对原始数据进行清洗，去除错误的数据或者不准确的数据，建立船舶瞬时油耗航行大数据库；该大数据库既包括船舶主机，船舶辅助设备和其他设备的主要油耗值，同时包括影响油耗的航行条件，船舶类型和结构，货物装载量，航行速度，船舶状态，海域风、浪、流数据等。

在数据采集中，为了保证油耗监测数据的瞬时性，采用基于zigbee的传感器器网络，针对各种监测参数的采集精度与频率的差别，在各个采集节点采集温度、压力、流量等信号汇聚给网关节点时，利用自组网的时间同步技术保证了节点时间的一致性，使瞬时油耗的监测顺利进行。

2)利用粗糙集中的属性约简理论与依赖度算法，或是聚类与决策树分析方法，从风、浪、流等影响参数中，寻找对油耗影响最重要的相关变量；

对于上述变量中相互影响效应较强的变量，进一步根据变量间的交互效应构建组合变量，包括组合水(即水深与流速的乘积)、投影风(即风速在船向上的投影分量)等，从而得出对油耗影响更大的变量参数。

3)提取船舶的瞬时油耗模型，寻找船舶油耗与风、浪、流、船速等通航环境参数之间的关系。

根据船、机、桨的匹配关系，主机转速和油耗是三次的对应关系，因此，提取船舶油耗模型时，基于三次拟合建立模型，进入引入其他通航环境因子，建立较为准确的船舶瞬时油耗模型。

4)根据海图情况，采用栅格法对海域环境进行建模，将环境信息均匀划分成一定尺寸的二维栅格，并通过定义栅格来完成空间环境建模。

根据地理海图采用栅格法对海域环境进行建模，将环境地图信息均匀划分成一定尺寸的二维栅格，并通过定义栅格来完成空间环境建模。船舶需要往返位置①与位置②。在此海域环境的基础上进行栅格化处理，建立50*50的方阵网格并栅格化得到2500个栅格，规定每一个栅格的中心如果是岛屿则该栅格为障碍栅格，如果为海域则为自由栅格，自由栅格在工况的影响下可变成工况栅格。图3 是海域栅格的实例，图3a是海图地理环境，图3b是海域地理栅格，图3c是添加了工况栅格的模型。

5)根据风、浪等因素对船舶航行油耗的影响，修改海域的栅格模型，在每个栅格中存储的海浪的波幅、海流的流速、海风的风速和它们的方向以及碍航物位置等信息作为栅格的属性；将这些属性代入到瞬时油耗模型中即可得到船舶经过该格栅的油耗估算模型；再利用船舶运动数学模型，即可得到在格栅风浪条件下的船舶航速与油耗值；从而得出考虑通航环境对能耗影响的虚拟栅格模型，是一种动态栅格，是一种动态栅格模型。

在栅格模型中，在每个栅格中存储海浪波幅、海流流速、海风风速和它们的方向以及碍航物位置等信息作为栅格的属性。以风因子为例，先对船舶动力学模型进行一定的简化，基于船舶运动数学模型建立风因子的影响规律。

加入风、浪等因素对船舶航行油耗的影响，得出考虑风浪的栅格模型，进而就可以根据通航环境因子的影响程度建立航行能耗模型。

在油耗动态模型中，基于航速和油耗是三次对应经验公式，进一步加入环境因子的影响来修改模型从而达到贴近真实的目的，把影响关系量化并加入到油耗模型的表达式中：

Y_i＝f(x_i)+β₂P_i+β₃R_i+β₄I_i+β₅W_i+β₆B_i+ε_i i＝1,2,3……

式中Y_m表示油耗，S为船舶速度；α为风因子的影响系数，W为投影风；γ为桨距因子的影响系数，P为桨距；ξ为舵角因子的影响系数，R为舵角；η为吃水深度因子的影响系数， I为吃水深度。由于引入了工况动态油耗模型Y_m，因此蚂蚁从栅格i前往栅格j的概率也要做修改。修改后的为：

6)基于海域的栅格模型，基于改进的蚁群算法设计航迹。即在蚁群算法的信息素更新中加入风、浪等因素对船舶航行油耗的影响；在算法的迭代中，对能耗信息素进行优化选择，留下的信息素最大路径能代表能耗最优的船舶路径。

由于Y_m存在一个阀值，当工况达到某一种程度时就会超出阀值，存在这一工况时就要探寻其他的航线以求改变工况从而降低油耗。因此，在蚁群算法中，加入引入工况影响系数的油耗模型，把Y_m看做一个动态的障碍栅格，当存在工况超出Y_m的阀值时，触发障碍栅格的产生迫使蚂蚁改变路线，即船舶改变航迹。

在t时刻，信息素的初始化与工况关联，对于任意栅格i到栅格j的路径上都有：

τ_ij(t)＝1-μ_j(t)

其中μ_j(t)是t时刻栅格j受工况的影响程度，与Y_m成正比关系，由于Y_m存在阀值，因此μ_j(t)存在上限即τ_ij存在下限，当τ_ij小于下限时我们规定栅格j是工况栅格，此时从栅格j经过是费油的，因此工况栅格j从allow_k集合中删除。

基于上述引入了工况动态油耗模型Y_m，因此在算法中，从栅格间转移概率也要做修改，进而基于蚁群算法规划最优航线，保证船舶在相对较高的能效下航行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。