动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法技术

本发明专利技术公开了一种动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法，通过接收目标船的AIS数据获取目标船的信息，获取信息的方式简单快速，提高了获取信息的准确率，从而提高了航路规划的准确性，降低了事故发生的概率。在对多目标船所在区域进行划分时，遵循由近至远的原则并以所有目标船为目的地，对拖轮进行路径规划。在路径规划期间，考虑所有目标船的位置变化，该路径规划方法简单快速。在拖轮航路初步规划完成后，采用智能避障算法对航路进行避障处理，确定拖轮的最终最短航行路径，不仅降低了拖轮的燃油消耗，提高了拖轮的作业效率，还为拖轮作业提供了安全的保障。还为拖轮作业提供了安全的保障。还为拖轮作业提供了安全的保障。

【技术实现步骤摘要】
动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法


[0001]本专利技术属于船舶航路规划领域，尤其涉及一种动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法。

技术介绍

[0002]AIS(船舶自动识别系统)是一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统，可以每隔一段时间向岸基或卫星发送船舶的AIS数据，AIS数据包括多种信息类型，如静态信息、动态信息等。静态信息包括船名、船舶类型等，动态信息包括船舶位置、航向、航速等。
[0003]当船舶靠离码头、通过船闸或经过限定水域时需要引航员的指引，因此就需使用拖轮运送引航员到达指定目标船，当目标船行驶到不需引导员指引的海域，就需使用拖轮接回引航员。在拖轮运送引航员的过程中，目标船仍处于行驶状态。多数情况下，在同一时间段需要引航员的船只较多。因此在拖轮运送引航员送达多目标船之前需结合目标船的航向、航速，规划出一条用时最短的路径用于运送引航员。
[0004]目前，现有船舶航路规划方法不能很好地解决上述问题，如CN109933067A 所述的一种基于遗传算法和粒子群算法的无人艇避碰方法，虽然分别针对静态障碍物和动态障碍物进行规避路径规划，但是其目标位置是固定不变的；再如 CN111538332B所述的一种无人船自动航迹规划方法，通过AIS接收器获取行驶船舶的距离和航向，进行避碰路径规划，同样其目标位置是保持不变的；又如向哲等发表在《中国安全生产科学技术》(2016年第10期)上的论文“一种利用海量AIS数据规划安全航线的方法”根据海量AIS数据采用A*算法规划船舶航线，但是其航线规划方法并未考虑目标位置随时变化的情况。因此，在动态环境下，考虑使用AIS数据进行多目标船进行航路规划，是目前船舶航路规划需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种动态环境下基于 AIS数据的多目标船舶航路规划方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1、获取目标船AIS数据
[0008]拖轮通过其自带的AIS系统与附近所需引导的目标船进行通信，获取目标船的AIS数据并统计目标船的数量N(N≥2)，AIS数据包含目标船的当前位置、航向以及航速；AIS数据如下：N艘目标船的当前位置为经纬度坐标，记为G1 (lon1，lat1)，G2(lon2，lat2)，......，GN(lon
N
，lat
N
)；N艘目标船的航向为真航向，记为α1，α2，......，α
N
；N艘目标船的航速记为V1，V2，.......，V
N
；
[0009]步骤2、建立坐标系
[0010]以拖轮的初始位置为原点O，以平行于真子午线且过原点O的直线为Y 轴，以垂直
于真子午线且过原点O的直线为x轴，建立直角坐标系，在直角坐标系XOY内取两点A1和A2，点A1和A2的坐标信息为已知，即点A1和 A2的直角坐标为A1(x1，y1)，A2(x2，y2)；点A1和A2的经纬度坐标为A1
’ꢀ
(lon1
′
，lat1
′
)，A2
’
(lon2
′
，lat2
′
)；
[0011]步骤3、坐标转换
[0012]以点A1为起点，A2和Gi(1≤i≤N)为终点，形成两条向量A12和 A1i，向量A12的直角坐标为(dx1，dy1)，经纬度坐标为(dlon1，dlat1)；向量A1i的直角坐标为(dx
i
，dy
i
)，经纬度坐标为(dlon
i
，dlat
i
)；其中， dx1＝x2‑
x1，dy1＝y2‑
y1；dlon1＝lon2
′‑
lon1
′
，dlat1＝lat2
′‑
lat1
′
； dx
i
＝x
i
‑
x1，dy
i
＝y
i
‑
y1；dlon
i
＝loni
′‑
lon1
′
，dlat
i
＝lati
′‑
lat1
′
；x
i
和y
i
为第i艘目标船在直角坐标系XOY内的坐标；
[0013]向量A12和A1i在直角坐标系和经纬度坐标系下的模记为k1，k2，k3，k4；则向量A12和A1i在直角坐标系和经纬度坐标系下的模记为k1，k2，k3，k4；则
[0014]根据两向量在不同坐标系中的长度比相同以及两向量在不同坐标系中的夹角不变的原则，可得向量A12和A1i的直角坐标和经纬度坐标满足以下关系：
[0015][0016]根据上式，可求得第i艘目标船在直角坐标系XOY内的坐标x
i
和y
i
；
[0017]步骤4、目标船所处海域划分
[0018]根据所有目标船的初始直角坐标Gi
′
(x
i
，y
i
)，以拖轮的初始位置坐标为原点，形成一个包含所有目标船只的圆，其半径为R1，并把半径R1四等分再确定3个圆，其半径分别为R2，R3，R4(R4＜R3＜R2＜R1)，把所有目标船所处海域划分成5块区域，分别为I区、II区、III区、IV区以及V区；
[0019]步骤5、各海域船只分类
[0020]计算所有目标船距离拖轮初始位置的距离l
i
：
[0021]比较l
i
与R1，R2，R3，R4之间的关系，对目标船进行分类：
[0022]若l
i
＜R4，则该目标船属于I区；
[0023]若R4＜l
i
＜R3，则该目标船属于II区；
[0024]若R3＜l
i
＜R2，则该目标船属于III区；
[0025]若R2＜l
i
＜R1，则该目标船属于IV区；
[0026]并统计各区域内的船只数量为N
j
(j＝I～IV)，满足并对分区完成的目标船进行重新编号为G
jm
(0＜m＜N
j
)；
[0027]步骤6、拖轮航路初步规划
[0028]j(j＝I～IV)区针对多目标船的拖轮的航路规划如下：
[0029]6.1、以拖轮所在位置O
n
(x
ｎ
，y
n
)(0≤n≤N
‑
1)(点O
n
坐标为已知)为起点，平行于y轴建立轴y
’
，并在轴y本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态环境下基于AIS数据的多目标船舶航路规划方法，具体步骤如下：步骤1、获取目标船AIS数据拖轮通过其自带的AIS系统与附近所需引导的目标船进行通信，获取目标船的AIS数据并统计目标船的数量N(N≥2)，AIS数据包含目标船的当前位置、航向以及航速；AIS数据如下：N艘目标船的当前位置为经纬度坐标，记为G1(lon1，lat1)，G2(lon2，lat2)，
……
,GN(lon
N
，lat
N
)；N艘目标船的航向为真航向，记为α1，α2，
……
,α
N
；N艘目标船的航速记为V1，V2，
……
,V
N
；步骤2、建立坐标系以拖轮的初始位置为原点O，以平行于真子午线且过原点O的直线为Y轴，以垂直于真子午线且过原点O的直线为x轴，建立直角坐标系，在直角坐标系XOY内取两点A1和A2，点A1和A2的坐标信息为已知，即点A1和A2的直角坐标为A1(x1,y1)，A2(x2，y2)；点A1和A2的经纬度坐标为A1
′
(lon1
′
,lat1
′
)，A2
′
(lon2
′
，lan2
′
)；步骤3、坐标转换以点A1为起点，A2和Gi(1≤i≤N)为终点，形成两条向量A12和A1i，向量A12的直角坐标为(dx1，dy1)，经纬度坐标为(dlon1，dlat1)；向量A1i的直角坐标为(dx
i
，dy
i
)，经纬度坐标为(dlon
i
，dlat
i
)；其中，dx1＝x2‑
x1，dy1＝y2‑
y1；dlon1＝lon2
′‑
lon1
′
，dlat1＝lat2
′‑
lat1
′
；dx
i
＝x
i
‑
x1，dy
i
＝y
i
‑
y1；dlon
i
＝loni
′‑
lon1
′
，dlat
i
＝lati
′‑
lat1
′
；x
i
和y
i
为第i艘目标船在直角坐标系XOY内的坐标；向量A12和A1i在直角坐标系和经纬度坐标系下的模记为k1，k2，k3，k4；则向量A12和A1i在直角坐标系和经纬度坐标系下的模记为k1，k2，k3，k4；则根据两向量在不同坐标系中的长度比相同以及两向量在不同坐标系中的夹角不变的原则，可得向量A12和A1i的直角坐标和经纬度坐标满足以下关系：根据上式，可求得第i艘目标船在直角坐标系XOY内的坐标x
i
和y
i
；步骤4、目标船所处海域划分根据所有目标船的初始直角坐标Gi
′
(x
i
，y
i
),以拖轮的初始位置坐标为原点，形成一个包含所有目标船只的圆，其半径为R1，并把半径R1四等分再确定3个圆，其半径分别为R2，R3，R4(R4＜R3＜R2＜R1)，把所有目标船所处海域划分成5块区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区以及
Ⅴ
区；步骤5、各海域船只分类计算所有目标船距离拖轮初始位置的距离l
i
：
比较l
i
与R1，R2，R3，R4之间的关系，对目标船进行分类：若l
i
＜R4，则该目标船属于Ⅰ区；若R4＜l
i
＜R3，则该目标船属于Ⅱ区；若R3＜l
i
＜R2，则该目标船属于Ⅲ区；若R2＜l
i
＜R1，则该目标船属于Ⅳ区；并统计各区域内的船只数量为N
j
(j＝Ⅰ～Ⅳ)，满足并对分区完成的目标船进行重新编号为G
jm
(0＜m＜N
j
)；步骤6、拖轮航路初步规划j(j＝Ⅰ～Ⅳ)区针对多目标船的拖轮的航路规划如下：6.1、以拖轮所在位置O
n
(x
n
，y
n
)(0≤n≤N
‑
1)(点O
n
坐标为已知)为起点，平行于y轴建立轴y
’
，并在轴y
’
上一定距离z处取点A
n
(x
n
，y
′
n
)(y
′
n
＝y
n
+z)；6.2、以点O
n
为起点，A
n
和G
jm
为终点，形成两条向量OA
n
和OG
jm
，向量OA
n
的直角坐标为(0，z)；向量OG
jm
的直角坐标为(x
jm
‑
x
n
，y
jm
‑
y
n
)；x
jm
和y
jm
为目标船G
jm
在直角坐标系XOY内的坐标；6.3、计算向量OG
jm
的模S
jm
，公式如下：6.4、计算两条向量OA
n
和OG
jm
的夹角θ
jm
，公式如下：6.5、设拖轮沿β
jm
方向，以速度V行驶，行驶时间为t，在B点与目标船G
jm
相遇；其中β
jm
是拖轮行驶方向与向量OG
jm
之间的夹角；速度V为已知，且满足V≥{V1，V2，......，V
N
}
max
；6.6、计算拖轮和目标船G
jm
的行驶距离H
jm
和F
jm
，公式如下：H
jm
＝V*t
jm
F
jm
＝V
jm
*t
jm
6.7、对目标船G
jm
的行驶航向α
jm
进行判断：若0
°
＜α
jm
＜180
°
，执行步骤6.8；若180
°
＜α
jm
＜360
°
，执行步骤6.9；若α
jm
＝0
°
或360
°
，执行步骤6.10；若α
jm
＝180
°
，执行步骤6.11；6.8、角度β
jm
满足以下方程：其中γ
jm
＝α
jm
‑
(θ
jm
+β
jm
)，0
°
＜β
jm
＜α
jm
‑
θ
jm
；化简得：在0
°
＜β
jm
＜α
jm
‑
θ
jm
条件下，求得t
jm
的最小值，即可获得最优路径；6.9、角度β
jm
满足以下方程：其中，γ
jm
＝180
°‑
δ
jm
‑
β
jm
，δ
jm
＝180
°‑
ε
jm
‑
θ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱坤，连雪海，潘佳梁，李杼，骆曹飞，富玲峰，王旭，张群峰，王森峰，田明达，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二九四一部队第一四零所，
类型：发明
国别省市：