一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，涉及船舶路径规划技术领域，该方法包括：根据船舶航行任务确定船舶航行海域、船舶起始位置、船舶终止位置和船舶交通流密度；结合当前船舶状态在电子海图上确定船舶航行区域，从而构建船舶航行环境模型；之后对船舶航行环境模型进行重构，基于此获得新船舶航行区域；根据船舶航行交通流信息和船舶交通流密度，建立船舶交通流环境密度图，通过设定阈值得到交通流覆盖区域；根据船舶起始位置、船舶终止位置、新船舶航行区域和交通流覆盖区域，进行船舶路径规划；该方法充分利用航行环境信息和船舶交通流信息来实现船舶路径规划，确保航行路径符合实际航行任务和实际航行环境。和实际航行环境。和实际航行环境。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法


[0001]本专利技术涉及船舶路径规划
，更具体的说是涉及一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的迭代发展，智能化已经成为船舶海上交通的发展方向，为了提高船舶海上航行的安全性和业务效率，智能航行技术发展迅速，其中船舶路径规划作为船舶智能化基础功能，是船舶智能航行领域核心问题之一。
[0003]现有的船舶路径规划方法根基于海域环境信息模型进行路径规划，在航行区域内生成起点至终点的规划路径；考虑到路径规划的安全性，在航行区域内划分可航区域和禁航区域，更多的环境信息来源于电子海图，并未考虑船舶交通信息大数据的应用，规划出的路径存在远离航海实践及常用航路情况。船舶航行在空间分布上存在一定规律性，在一定的时间和空间范围内船舶可看作连续不断的质点在航行水域中形成的船舶交通流场。船舶交通流信息是在大数据基础上对船舶航行行为、航行状态以及在空间的分布情况进行呈现。船舶交通流密度信息反映了航行区域船舶疏密程度。
[0004]因此，针对船舶智能航行应用需求，如何充分利用航行环境信息和船舶交通流信息来实现船舶路径规划，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，以至少解决上述
技术介绍
中提到的部分技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]S1、根据所述船舶航行任务，确定船舶航行海域、船舶起始位置、船舶终止位置和船舶交通流密度；
[0008]S2、根据当前船舶状态、所述船舶航行海域、所述船舶起始位置和所述船舶终止位置，在电子海图上确定船舶航行区域；
[0009]S3、基于所述船舶航行区域，根据电子海图信息构建船舶航行环境模型；
[0010]S4、根据气象信息、航海通告和所述船舶航行海域中的船舶动态信息，对所述船舶航行环境模型进行重构；并基于重构后的船舶航行环境模型，获得新船舶航行区域；
[0011]S5、从船舶航行数据中心获取船舶航行交通流信息；根据所述船舶航行交通流信息和所述船舶交通流密度，建立船舶交通流环境密度图，通过设定交通流密度阈值得到交通流覆盖区域；
[0012]S6、根据所述船舶起始位置、所述船舶终止位置、所述新船舶航行区域和所述交通流覆盖区域，进行船舶路径规划。
[0013]进一步地，在所述步骤S3中，构建所述船舶航行环境模型过程中的约束条件包括船舶航行海区要求、航道要求、抗风浪等级和船舶吃水量。
[0014]进一步地，在所述步骤S4中，对所述船舶航行环境模型进行重构过程中的约束条件包括海上气象影响超出船舶航行安全的区域、航海通告更新的碍航区和军事演习区，以及根据所述船舶航行海域中的船舶动态信息获得的复杂渔区和危险区动态信息。
[0015]进一步地，在所述步骤S5中，所述交通流密度阈值是基于所述船舶航行任务进行设定的。
[0016]进一步地，所述交通流覆盖区域为任意二维几何模型或非连续区域。
[0017]进一步地，所述步骤S6具体包括：
[0018]S61、对所述船舶起始位置和所述船舶终止位置进行初始化；
[0019]S62、设置随机参数；
[0020]S63、在所述新船舶航行区域内进行均匀随机采样，获得一个随机采样点；
[0021]S64、对所述随机采样点进行判断：若所述随机采样点在所述交通流覆盖区域外，且所述随机参数大于交通流覆盖区域外采样点采纳概率，则舍弃所述随机采样点，返回至所述步骤S62重新生成；否则进行步骤S65；
[0022]S65、遍历随机树中的每个节点，计算每个所述节点与此次循环生成的所述随机采样点之间的距离；将距离最小值对应的节点作为目标节点；
[0023]S66、将所述目标节点向所述随机采样点扩展预设步长；生成新目标节点；
[0024]S67、对所述新目标节点进行判断：若所述新目标节点到所述目标节点之间的任意一个节点位于障碍空间或与障碍空间相交，则此次循环不添加任何节点；否则将所述新目标节点作为添加点；
[0025]S68、重复所述步骤S63
‑
S68，直至所述新目标节点进入以船舶终止位置为圆心，R为半径的区域，结束循环。
[0026]进一步地，在所述步骤S63中，通过蒙特卡洛法计算所述交通流覆盖区域在所述新船舶航行区域中的占比，并将所述占比作为所述交通流覆盖区域随机采样密度基准。
[0027]进一步地，所述通过蒙特卡洛法计算所述交通流覆盖区域在所述新船舶航行区域中的占比，具体包括：
[0028]在所述新船舶航行区域内进行均匀随机采样，获得均匀随机采样结果和随机采样点总数；
[0029]根据所述均匀随机采样结果，获得随机采样点在交通流覆盖区域的数量；
[0030]根据所述随机采样点总数和所述随机采样点在交通流覆盖区域的数量，计算所述交通流覆盖区域在所述新船舶航行区域中的占比。
[0031]进一步地，在所述步骤S64中，所述交通流覆盖区域外采样点采纳概率表示为：
[0032][0033]其中，P
rec
表示交通流覆盖区域外采样点采纳概率；p
set_out
表示快速扩展随机树算法在交通流覆盖区域外采样点占比概率；p
set_in
表示快速扩展随机树算法在交通流覆盖区域内采样点占比概率；p
out
表示交通流覆盖之外的区域在所述船舶航行区域中的占比。
[0034]进一步地，所述障碍空间为所述新船舶航行区域中可行区域外的区域经过安全区域膨胀后构成的空间。
[0035]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于蒙特卡
洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，具有如下有益效果：本专利技术充分利用航行环境信息和船舶交通流信息来实现船舶路径规划，确保航行路径符合实际航行任务和实际航行环境。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0037]图1为本专利技术实施例提供的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法流程示意图。
[0038]图2为本专利技术实施例提供的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法原理示意图。
[0039]图3为本专利技术实施例提供的基于蒙特卡洛法均匀随机采样效果示意图。
[0040]图4为本专利技术实施例提供的设定交通流区域采样概率的采样效果示意图。
[0041]图5为本专利技术实施例提供的船舶路径规划结果示意图。
具体实施方式
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据所述船舶航行任务，确定船舶航行海域、船舶起始位置、船舶终止位置和船舶交通流密度；S2、根据当前船舶状态、所述船舶航行海域、所述船舶起始位置和所述船舶终止位置，在电子海图上确定船舶航行区域；S3、基于所述船舶航行区域，根据电子海图信息构建船舶航行环境模型；S4、根据气象信息、航海通告和所述船舶航行海域中的船舶动态信息，对所述船舶航行环境模型进行重构；并基于重构后的船舶航行环境模型，获得新船舶航行区域；S5、从船舶航行数据中心获取船舶航行交通流信息；根据所述船舶航行交通流信息和所述船舶交通流密度，建立船舶交通流环境密度图，通过设定交通流密度阈值得到交通流覆盖区域；S6、根据所述船舶起始位置、所述船舶终止位置、所述新船舶航行区域和所述交通流覆盖区域，进行船舶路径规划。2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S3中，构建所述船舶航行环境模型过程中的约束条件包括船舶航行海区要求、航道要求、抗风浪等级和船舶吃水量。3.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对所述船舶航行环境模型进行重构过程中的约束条件包括海上气象影响超出船舶航行安全的区域、航海通告更新的碍航区和军事演习区，以及根据所述船舶航行海域中的船舶动态信息获得的复杂渔区和危险区动态信息。4.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述交通流密度阈值是基于所述船舶航行任务进行设定的。5.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，所述交通流覆盖区域为任意二维几何模型或非连续区域。6.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛与快速扩展随机树的船舶路径规划方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：S61、对所述船舶起始位置和所述船舶终止位置进行初始化；S62、设置随机参数；S63、在所述新船舶航行区域内进行均匀随机采样，获得一个随机采样点；S64、对所述随机采样点进行判断：若所述随机采样点在所述交通流覆盖区域外，且所述随机参数大于交通流覆盖区域外采样点采纳概率...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵光明，孟凡彬，胡英俊，于双宁，但杨文，杜亚震，侯成刚，宋晔，武智强，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七零七研究所九江分部，
类型：发明
国别省市：