一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法技术

一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，其特征是包括以下步骤：1)指定规划海域。2)海上地形评估。3)海上气象水文风险评价。4)设定约束条件和起点、目标点。5)变速航迹规划算法的实现。6)航迹评价。本发明专利技术改进Dijkstra算法使其能够对海面舰艇作战的航迹进行变速规划，在时间维度上对即将到来的风险进行提前增速或合理减速或原地停留实现规避，从而取得时间维度上的优势，避免空间维度上航路的复杂。除此之外，1)算法本身包含对海上地形的评估和栅格地图的预处理，使得航路很大程度上减少了搁浅的风险，并兼顾航路简单有效。2)在对数天的预报资料进行时间维度的规划后，最终能够给出最优出发和到达时间。出最优出发和到达时间。出最优出发和到达时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法


[0001]本专利技术涉及航迹规划技术，具体是一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法。

技术介绍

[0002]在经济全球化背景下，国际货物贸易主要依靠海上运输，航迹规划对于海上船舶航行安全具有举足轻重的作用。航迹规划也是军事海洋水文保障的重要组成部分，已被广泛应用于水下机器人、水下无人航行器、潜艇等装备的导航系统中。随着大数据、云计算、物联网等信息化采集分析技术的蓬勃发展，基于海洋水文要素的航迹规划已成为保障舰船航行安全的关键环节，也是提高武器装备作战效能的关键技术。
[0003]现有航迹规划方法重点关注空间维度上的避险，即改变航路使船舶在距风险区一定距离时，保持某种弯度绕过风险区。对于实际航行保障任务来说，这些方法规划出来的路径非常复杂，航路的弯折次数及路程长度也会增加。航路弯折次数增多，会增加船体颠簸甚至侧翻的风险；海上气象水文环境错综复杂，风暴潮、台风和小型海啸等罕见极端天气常常难以被准确预测。路程的增加使得海上航行实际时间比预算时间多，可能会错失避开风险区的机会，增加海上航行安全风险。另外，船舶在实际航行过程中的速度是变化的，而传统航迹规划算法通常假设航速不变，这使得算法的实用性降低。当海洋环境发生变化时，规划出的航线面临无法执行或重新规划的问题。由于假定航速不变，传统航迹规划算法无法给出最优出发时间和到达时间，只能由决策者主观确定出发时间和到达时间，人为操作痕迹过强，航迹规划效率需要进一步提升。
[0004]本文选取了一个较为接近的新技术作为对比参考对象，该技术名称“考虑复杂气象变化的智能船舶动态航线规划方法”，于2021年3月见刊上海海事大学学报(下称技术B)。不难看出该技术B的方案核心是通过构建人工威胁场，然后通过八方向的A*算法进行航迹规划。人工威胁场是经一系列的风险评估得到，其意义是把风险量化成0～1的数值以便算法进行规划路径。人工威胁场的构建大同小异，其“小异”体现在选取的指标不同，评估方法不同等细节差异，最后呈现的结果都是“大同”，即0～1标准化、正向化的风险值。那么技术B真正的核心是A*算法支持其进行航迹规划。A*算法是Dijkstra算法的变式，在同一人工威胁场上都能产出相同的风险最小路，唯一差别是理论上搜索效率不同， A*是启发式搜索，深度优先效率较高；Dijkstra算法则是广度优先，效率较低。在实际应用于船舶航迹规划中两者的效率相差并不明显，从避险的性能来看A* 其实就是Dijkstra算法，两者避险行为一致。所以在与技术B进行对比时，其实是与Dijkstra算法进行对比。Dijkstra优点是性能稳定，在有解情况下必能给到最优解之一。应用于船舶航迹规划中缺点也较为明显，它代表了常规的避险行为，即还存在仅在空间维度进行避险问题，且规划的日航速不能改变的问题，也不能给出最优的出发和到达时间等。
[0005]综上所述，基于空间维度的航迹规划算法可能会增加船舶航行的风险，航速不变的假设不符合实际情形，规划的航行存在精度低、效率低等现实难题。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法。首先对栅格地图进行海上地形的评估，并对其进行预处理，使得规划出的航路可以减少搁浅的风险。其次，改进Dijkstra算法综合考虑空间维度和时间维度，实现变速规划，通过提前增速或合理减速或原地停留进行风险的规避，从而取得时间维度上的优势，避免了航线在空间维度上的复杂。本方法还可以对变速航线进行一个识别、剪裁操作，提供最优出发时间和最优到达时间作为决策参考。
[0007]本专利技术所解决的技术问题在于提供一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，以解决上述
技术介绍
中的缺点。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，包括以下步骤：
[0009]第一步：指定规划海域。依据任务要求提取海域经纬度信息、地形信息，确定好以上信息的分辨率，构建初步栅格地图，设其为维度m
×
n矩阵的field。
[0010]第二步：海上地形评估。对提取到的地形数据按照定义阐述部分所述进行加工、提炼得到地形风险矩阵R
g
，维度为m
×
n。
[0011]第三步：海上气象水文风险评价。通过卫星数据，气象探测器数据，计算机插值模拟，出海航行任务搜集数据，历史资料等多手段构建评价指标体系。对指标采用但不限于层次分析法、模糊综合评价和投影寻踪法等评价手段，使之归一化为0～1的风险值。并将其栅格化为d天的维度为m
×
n
×
d指标风险矩阵 R
f
。由此将信息转化成计算机方便处理的形式以便于显示在栅格地图，为航迹规划奠定基础。
[0012]第四步：设定约束条件和起点startPos＝(x1,y1)、目标点goalPos＝(x2,y2)。约束条件一般为每日最大航速v，给定的每日最大航速要保证能完成起点至目标点的航行任务。
[0013]第五步：变速航迹规划算法的实现。当前四步完成，就能对指定海域、起点和目标点进行相应约束的航迹规划，算法将给出合理路线，并在此基础上于时间维度为路线分配一个航行方案。共细分为以下步骤：
[0014]1)地图预处理。简述为：对照指标风险矩阵，在栅格地图上把一些始终为高风险的点设为不可航行点，由此构造一个可供时间维度上可灵活规划每日航行的栅格地图new_field。具体操作方法可见上文定义阐述。
[0015]2)将八方向Dijkstra算法每一步的代价设置距离成本和地形风险成本，依据实际情况给予两者适当的权重配比，并向算法输入地图预处理后的栅格地图new_field，startPos＝(x1,y1)，goalPos＝(x2,y2)和地形风险矩阵R
g
。算法结果为一条合理避险且尽量简单的最短路Path_opt1＝{z1,z2,
···
,z
k
}，其为一个1
×
k维的行向量，每个元素为栅格地图的线性索引值。本步骤记录下了航线的基本信息。
[0016]3)提取最短路径上的风险信息，构成维度为d
×
k的时间
‑
风险
‑
路径矩阵R
χ
。具体为：依据最短路Path_opt1＝{z1,z2,
···
,z
k
}的线性索引，从1开始遍历m
×
n
×
d 指标风险矩阵R
f
的第三维度d的所有值，搜索出d天内相应路径点的指标风险值，纵轴方向为第1天至第d天按顺序排序，横轴方向为起点至目标点的路径点按顺序排序。如当风险矩阵为122
×
133
×
11维度，最短路为1
×
120维度，那么时间
‑ꢀ
风险
‑
路径矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)指定规划海域；(2)海上地形评估；(3)海上气象水文风险评价；(4)设定约束条件和起点、目标点；(5)变速航迹规划算法的实现；(6)航迹评价。所述步骤(5)中航迹规划算法，包括以下步骤：A.地图预处理：对照指标风险矩阵，在栅格地图上把一些始终为高风险的点设为不可航行点，构造时间维度上灵活规划每日航行的栅格地图new_field；B.将八方向Dijkstra算法每一步的代价设置距离成本和地形风险成本，依据两者权重配比，输入地图预处理后的栅格地图new_field，startPos＝(x1,y1)，goalPos＝(x2,y2)和地形风险矩阵R
g
；得到合理避险最短路Path_opt1＝{z1,z2,
···
,z
k
}，其为一个1
×
k维的行向量，每个元素为栅格地图的线性索引值，并记录下了航线的基本信息；C.提取最短路径上的风险信息，构成维度为d
×
k的时间
‑
风险
‑
路径矩阵R
χ
；D.对时间
‑
风险
‑
路径矩阵使用改进后的Dijkstra算法，得到变速航迹规划方案；E.对Path_opt2线性索引元素Z
i
对应的矩阵坐标(r
i
,c
i
)进行识别，然后剪裁，指定海域、起点和目标点进行约束的航迹规划，给出合理路线，并在此基础上于时间维度为路线分配一个航行方案，界定出最优出发时间和到达时间，以及变速规划方案。2.根据权利要求1所述基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，其特征在于，步骤C中，所述时间
‑
风险
‑
路径矩阵R
χ
具体为：依据最短路Path_opt1＝{z1,z2,
···
,z
k
}的线性索引，从1开始遍历m
×
n
×
d指标风险矩阵R
f
的第三维度d的所有值，搜索出d天内相应路径点的指标风险值，纵轴方向为从第1天至第d天按顺序排列，横轴方向为从起点至目标点的路径点按顺序排序。3.根据权利要求1所述基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，其特征在于，所述改进的Dijkstra算法具体为：三方向搜索，即正右、右下和正下方向；索范围为时间
‑
风险
‑
路径矩阵，搜索起点固定为时间

【专利技术属性】
技术研发人员：李汉霖，钱龙霞，王正新，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：