一种最短航线规划方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种最短航线规划方法及系统，基于目标船舶的AIS数据，并对AIS数据进行预处理，再采用特定的判断方法对AIS数据进行筛选，然后基于预处理及筛选后的数据采用栅格法构建低精度环境模型，再采用蚁群算法计算出低精度环境模型中的航线最短路径，并确定出最短路径栅格范围，将低精度环境模型中的单位栅格宽度降低以构建高精度环境模型，并根据低精度环境模型中最短路径栅格范围确定出高精度环境模型中最短路径栅格范围，最后采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径，并采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化，得到优化后的航线最短路径并进行展示，能够大幅度提升环境模型的精度，且计算时间成本低。且计算时间成本低。且计算时间成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种最短航线规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及航线自动规划
，具体涉及一种最短航线规划方法及系统。

技术介绍

[0002]随着数字化、智能化的快速发展，实现船舶自主航行已经成为航运业的一个重要发展方向，而在开航前自动规划锚地到锚地的航线是自主航行的一个基础技术。自主规划出的航线质量对船舶航行的安全性、经济性以及实用性有着重要的影响。在过往的研究中，很多学者采用不同的算法自动规划航线，比如动态规划算法、人工势场算法和聚类算法等。但过往的研究中都存在一些缺点，在搜索全局最短路线时，需要高精度的环境模型，而环境模型过高会导致计算时间成本过长，而在计算全局最短路线时，过高精度的环境模型会导致搜索出现局部最优，得到的路线很有可能不是最短路径。

技术实现思路

[0003]为解决现有自动规划航线过程中存在的路线不是最短路径，以及计算时间成本过长等问题，本专利技术提供了一种最短航线规划方法，基于AIS数据并采用栅格法构建低精度环境模型，进而构建高精度环境模型，利用蚁群算法和A星搜索算法计算出航线最短路径，并采用贝塞尔曲线方法优化路径，输出符合实际航行的航线，能够大幅度提升环境模型的精度，且计算时间成本低。本专利技术还涉及一种最短航线规划系统。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种最短航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]数据获取及处理步骤：获取目标船舶的AIS数据，并对AIS数据进行预处理；
[0007]数据筛选步骤：将预处理后的AIS数据中的吃水和航速分别与预设的阈值做比较，筛选出吃水大于预设吃水阈值且航速大于预设航速阈值的AIS数据；
[0008]低精度环境模型建立步骤：基于预处理及筛选出的AIS数据，采用栅格法构建低精度环境模型，再采用蚁群算法计算出低精度环境模型中的航线最短路径，并确定出最短路径栅格范围；
[0009]高精度环境模型建立步骤：将低精度环境模型中的单位栅格宽度降低至栅格阈值以下以构建高精度环境模型，并根据低精度环境模型中最短路径栅格范围确定出高精度环境模型中最短路径栅格范围；
[0010]路径计算及优化步骤：采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径，并采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化，得到优化后的航线最短路径并进行展示。
[0011]优选地，所述路径计算及优化步骤中，采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径具体包括：
[0012]S1：将栅格的起始节点插入A星搜索算法的开放列表中；
[0013]S2：若栅格的结束节点存在开放列表中，则完成路径搜索，若栅格的结束节点不存
在开放列表中，则路径不存在；
[0014]S3：在开放列表中选择估计值最小的节点作为活动节点，并将活动节点添加到A星搜索算法的关闭列表中；
[0015]S4：获得所有可直接访问的访问节点，然后更新开放列表，若访问节点在关闭列表中，则不处理；若访问节点不在开放列表中，则将访问节点添加到开放列表中；若访问节点在开放列表中，则检查访问节点的估计值是否最小，若有最小的估计值则更新访问节点的估计值；
[0016]S5：重复步骤S2至S4，直到过程结束，输出最短路径的每个节点。
[0017]优选地，所述路径计算及优化步骤中，采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化包括：
[0018]消除最短路径中冗余的路径节点，提取出关键点，将关键点连接成避开障碍物网格的线段，再采用贝塞尔曲线法对任意相邻两个线段间的拐点处进行平滑处理，得到平滑的航线最短路径。
[0019]优选地，所述数据筛选步骤中，所述预设航速阈值为设计航速的一定倍数。
[0020]优选地，所述AIS数据包括经度、纬度、艏向角、吃水和设计航速；所述预处理包括剔除AIS异常数据。
[0021]一种最短航线规划系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取及处理模块、数据筛选模块、低精度环境模型建立模块、高精度环境模型建立模块和路径计算及优化模块，
[0022]数据获取及处理模块，获取目标船舶的AIS数据，并对AIS数据进行预处理；
[0023]数据筛选模块，将预处理后的AIS数据中的吃水和航速分别与预设的阈值做比较，筛选出吃水大于预设吃水阈值且航速大于预设航速阈值的AIS数据；
[0024]低精度环境模型建立模块，基于预处理及筛选出的AIS数据，采用栅格法构建低精度环境模型，再采用蚁群算法计算出低精度环境模型中的航线最短路径，并确定出最短路径栅格范围；
[0025]高精度环境模型建立模块，将低精度环境模型中的单位栅格宽度降低至栅格阈值以下以构建高精度环境模型，并根据低精度环境模型中最短路径栅格范围确定出高精度环境模型中最短路径栅格范围；
[0026]路径计算及优化模块，采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径，并采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化，得到优化后的航线最短路径并进行展示。
[0027]优选地，所述路径计算及优化模块中，采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径具体包括：
[0028]S1：将栅格的起始节点插入A星搜索算法的开放列表中；
[0029]S2：若栅格的结束节点存在开放列表中，则完成路径搜索，若栅格的结束节点不存在开放列表中，则路径不存在；
[0030]S3：在开放列表中选择估计值最小的节点作为活动节点，并将活动节点添加到A星搜索算法的关闭列表中；
[0031]S4：获得所有可直接访问的访问节点，然后更新开放列表，若访问节点在关闭列表中，则不处理；若访问节点不在开放列表中，则将访问节点添加到开放列表中；若访问节点
在开放列表中，则检查访问节点的估计值是否最小，若有最小的估计值则更新访问节点的估计值；
[0032]S5：重复步骤S2至S4，直到过程结束，输出最短路径的每个节点。
[0033]优选地，所述路径计算及优化模块中，采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化包括：
[0034]消除最短路径中冗余的路径节点，提取出关键点，将关键点连接成避开障碍物网格的线段，再采用贝塞尔曲线法对任意相邻两个线段间的拐点处进行平滑处理，得到平滑的航线最短路径。
[0035]优选地，所述预设航速阈值为设计航速的一定倍数。
[0036]优选地，所述AIS数据包括经度、纬度、艏向角、吃水和设计航速；所述预处理包括剔除AIS异常数据。
[0037]本专利技术的有益效果为：
[0038]本专利技术提供的一种最短航线规划方法，基于目标船舶的AIS数据，采用特定的筛选方法对AIS数据进行筛选，并采用栅格法构建低精度环境模型，以减少计算时间；再利用蚁群算法在低精度环境模型初步确定最短路线的大致范围，进一步减少计算时间长度；然后再构建高精度环境模型，并根据大致范围进一步在高精度环境模型中缩小搜索范围，可以大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种最短航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：数据获取及处理步骤：获取目标船舶的AIS数据，并对AIS数据进行预处理；数据筛选步骤：将预处理后的AIS数据中的吃水和航速分别与预设的阈值做比较，筛选出吃水大于预设吃水阈值且航速大于预设航速阈值的AIS数据；低精度环境模型建立步骤：基于预处理及筛选出的AIS数据，采用栅格法构建低精度环境模型，再采用蚁群算法计算出低精度环境模型中的航线最短路径，并确定出最短路径栅格范围；高精度环境模型建立步骤：将低精度环境模型中的单位栅格宽度降低至栅格阈值以下以构建高精度环境模型，并根据低精度环境模型中最短路径栅格范围确定出高精度环境模型中最短路径栅格范围；路径计算及优化步骤：采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径，并采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化，得到优化后的航线最短路径并进行展示。2.根据权利要求1所述的最短航线规划方法，其特征在于，所述路径计算及优化步骤中，采用A星搜索算法计算出高精度环境模型中最短路径栅格范围内的航线最短路径具体包括：S1：将栅格的起始节点插入A星搜索算法的开放列表中；S2：若栅格的结束节点存在开放列表中，则完成路径搜索，若栅格的结束节点不存在开放列表中，则路径不存在；S3：在开放列表中选择估计值最小的节点作为活动节点，并将活动节点添加到A星搜索算法的关闭列表中；S4：获得所有可直接访问的访问节点，然后更新开放列表，若访问节点在关闭列表中，则不处理；若访问节点不在开放列表中，则将访问节点添加到开放列表中；若访问节点在开放列表中，则检查访问节点的估计值是否最小，若有最小的估计值则更新访问节点的估计值；S5：重复步骤S2至S4，直到过程结束，输出最短路径的每个节点。3.根据权利要求1所述的最短航线规划方法，其特征在于，所述路径计算及优化步骤中，采用贝塞尔曲线法对航线最短路径进行优化包括：消除最短路径中冗余的路径节点，提取出关键点，将关键点连接成避开障碍物网格的线段，再采用贝塞尔曲线法对任意相邻两个线段间的拐点处进行平滑处理，得到平滑的航线最短路径。4.根据权利要求1所述的最短航线规划方法，其特征在于，所述数据筛选步骤中，所述预设航速阈值为设计航速的一定倍数。5.根据权利要求1所述的最短航线规划方法，其特征在于，所述AIS数据包括经度、纬度、艏向角、吃水和设计航速；所述预处理包括剔除AIS异常数据。6.一种最短航线规划系统，其特征在于，包括依次连接的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张焱飞，文逸彦，屠海洋，
申请(专利权)人：上海船舶运输科学研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：