基于實(shí)況氣象的動(dòng)態(tài)航線規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

陳國(guó)安

基于實(shí)況氣象的動(dòng)態(tài)航線規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

陳國(guó)安

（海軍92730部隊(duì) 572016）

海洋運(yùn)輸是國(guó)際間商品交換中最重要的運(yùn)輸方式之一。海洋上突如其來(lái)的惡劣天氣時(shí)刻威脅著運(yùn)輸船舶的安全，因此，對(duì)這些運(yùn)輸船舶進(jìn)行氣象導(dǎo)航是非常有必要的。受局部天氣和海況變化影響的航線網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)通達(dá)特征，遠(yuǎn)洋船舶需據(jù)此進(jìn)行計(jì)劃航線的修正。本文通過(guò)建立動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型，以船訊網(wǎng)提供的氣象信息作為數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)改進(jìn)算法，設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)航線規(guī)劃方法。

航線規(guī)劃；氣象導(dǎo)航；通達(dá)網(wǎng)絡(luò)；最優(yōu)決策

由于船舶在海上航行是一種處于海水與大氣兩種介質(zhì)中，它是一種受著多種因素影響的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。為了保證航行安全、爭(zhēng)取最大可能的經(jīng)濟(jì)效益，或某些特定的要求如節(jié)能、定時(shí)、平穩(wěn)、舒適等，需要選擇合適的航行線路。

本文研究所針對(duì)的是基于實(shí)時(shí)氣象信息的航線規(guī)劃方法，能夠在全局規(guī)劃的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化更新航路，在面對(duì)多變的航洋環(huán)境中顯然具有更加有效和深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)，對(duì)于提高船舶的安全性以及經(jīng)濟(jì)性也有很大的改觀。

1 動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)定義

動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)G（V，E）的要素定義如下：

（1）節(jié)點(diǎn)集合V。V中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Vi是港口集H[港口編號(hào)]、航線集L自身的交點(diǎn)集K[航線編號(hào)1，航線編號(hào)2]、航線集L與有障礙區(qū)域O的交點(diǎn)集B[有障礙區(qū)域編號(hào)]等三類點(diǎn)集的并集，其屬性項(xiàng)定義為Vi[節(jié)點(diǎn)編號(hào)，類型編碼，港口編號(hào)，航線編號(hào)1，航線編號(hào)2，有障礙區(qū)域編號(hào)，影響有障礙區(qū)域序列]。其中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)來(lái)源，類型編碼分別用“H”、“K”、“B”區(qū)分，影響有障礙區(qū)域序列則以“，”為分隔符存儲(chǔ)多個(gè)包含節(jié)點(diǎn)的有障礙區(qū)域編號(hào)，其他屬性項(xiàng)內(nèi)容則分別與3類點(diǎn)集的對(duì)應(yīng)屬性項(xiàng)內(nèi)容一致。

（2）網(wǎng)絡(luò)弧段集E。E中的網(wǎng)絡(luò)弧段ei是航線集L[航線編號(hào)]中航線被節(jié)點(diǎn)集合K、B分割后生成的航線段，其屬性項(xiàng)定義為ei[弧段編號(hào)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)1，節(jié)點(diǎn)編號(hào)2，航線編號(hào)，弧段長(zhǎng)度，禁航時(shí)段序列]。其中，節(jié)點(diǎn)編號(hào)1和節(jié)點(diǎn)編號(hào)2分別存儲(chǔ)弧段端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；航線編號(hào)則與弧段所在航線的對(duì)應(yīng)屬性一致；禁航時(shí)段序列采用分隔符“；”將多個(gè)有障礙區(qū)域的分段影響時(shí)間信息連接成一維序列化字符串存儲(chǔ)，而單個(gè)禁航時(shí)段的具體格式為“（序號(hào)，有障礙區(qū)域編號(hào)，禁航開始時(shí)間，禁航結(jié)束時(shí)間）”。

1.2 有障礙區(qū)域多邊形提取

（1）靜障礙區(qū)域。根據(jù)出現(xiàn)時(shí)間的持續(xù)性，靜比有障礙區(qū)域分為臨時(shí)性和永久性兩類。提取這些區(qū)域邊界的特征點(diǎn)地理坐標(biāo)，生成靜有障礙區(qū)域多邊形集合Os={osi，1≤i≤m}。m為靜有障礙區(qū)域個(gè)數(shù)，osi的生存周期為[tsk，tek]。

（2）動(dòng)障礙區(qū)域。臺(tái)風(fēng)等極端天氣在空間上沿可預(yù)測(cè)方向以一定的作用半徑移動(dòng)，進(jìn)而形成移動(dòng)有障礙區(qū)域OD=｛okD，1≤k≤n｝（n為有障礙區(qū)域中心個(gè)數(shù)）。移動(dòng)有障礙區(qū)域的描述參數(shù)包括初始時(shí)刻中心坐標(biāo)影響半徑 rk、移向 Ck、移速 vk，其在時(shí)段[tks，tke]的空間影響范圍可以通過(guò)移動(dòng)軌跡緩沖帶計(jì)算得到的多邊形來(lái)表示。

1.3 動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型建立

動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)構(gòu)建是快速、有效整合航線規(guī)劃所需信息的基礎(chǔ)算法，是將有障礙區(qū)域與靜態(tài)航線網(wǎng)絡(luò)疊加，確定航行時(shí)間段的過(guò)程，具體如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)的建立流程圖

2 最優(yōu)航線規(guī)劃算法

2.1 續(xù)航判斷算法

航線通達(dá)性判斷是確定船舶經(jīng)過(guò)航線上任一弧段時(shí)，航行是否受到有障礙區(qū)域影響的過(guò)程，這是決定后續(xù)航線是否需要調(diào)整的重要依據(jù)。具體方法如下：

（1）設(shè)擬航行航線的航線段序列為 Ek{e1，e2，…，ek}，初始化。通達(dá)性指示變量flagi=0；

（2）設(shè)當(dāng)前船位為P0，航速為V，決策轉(zhuǎn)向時(shí)間為t0，計(jì)算當(dāng)前船位P0沿航線到航線段ei起點(diǎn)的累計(jì)距離Di，則船舶到達(dá)時(shí)間為t1=t0＋Di/V；

（3）設(shè)航線弧段ei的長(zhǎng)度為di，則船舶離開航線段終點(diǎn)的時(shí)間t2=t1=di/V，確定航線段 ei的擬通行時(shí)段 Ti[t1，t2]；

（4）提取航線段ei的[禁航時(shí)段序列]，分段解析獲取禁航時(shí)間段序列F{F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)t}，循環(huán)判斷 Ti與 Fi，的時(shí)間區(qū)間是否相交，如果相交，則令flagi=1；

（5）對(duì)航線所有航線段進(jìn)行步驟（2）～（4）的計(jì)算判斷，并對(duì)所有flagi值（1≤i）求并，若結(jié)果為 1，航線不通達(dá)，反之，通達(dá)。

2.2 改航判斷算法

改航算法是要避開有障礙區(qū)域O的情況下，獲取船舶位置P0附近的其他多條航線并確定由在這些航線上距離P0最近的點(diǎn)所構(gòu)成的所有轉(zhuǎn)向點(diǎn)的集合S。其設(shè)計(jì)算法如下：

（1）以當(dāng)前位置P0為中心，選取一個(gè)較小的半徑做緩沖區(qū)，獲取鄰近航線段集合 Lk{li，l2，…，lk}；

（2）在鄰近航線段li上取P0的最近點(diǎn)P1，以連線P0P1作為可航渡的測(cè)試線；

（3）如果連線P0P1與O中有障礙區(qū)域均不相交，則船舶可以直接通過(guò)P0P1繞行到航線段li上；否則，在距P0最近的有障礙區(qū)域Om的邊界上尋找一個(gè)點(diǎn)Pt，使P0P1與P0Pt之間的方位差最大，由Pt替代P0，遞歸進(jìn)行步驟（3），直到P0P1之間不存在有障礙區(qū)域；

（4）記錄所有鄰近航線上距離P0最近的點(diǎn)Pli到S中，為最短繞行航線搜索算法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 場(chǎng)景模擬

（1）靜態(tài)航線網(wǎng)絡(luò)。本文以東南亞海域?yàn)槔鶕?jù)大洋航路圖、航路設(shè)計(jì)圖等資料選取香港（h1）、馬尼拉（h）2、胡志明（h）3、哥打基納巴盧（h4）、文萊（h5）、詩(shī)巫（h6）、古晉（h7）、新加坡（h8）8 個(gè)主要港口和連接港口的15條己知經(jīng)驗(yàn)航線。

（2）有障礙區(qū)域域數(shù)據(jù)。以2013年菲律賓西部海域蘇祿海海而生成的臺(tái)風(fēng)“清松”為例，參數(shù)為：1月3日20時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心位置（9.1°N，119.5°E）；預(yù)計(jì) 1 月 7日 20時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心位置（6.2°N，108.1°E），根據(jù)航跡計(jì)算公式推算得到臺(tái)風(fēng)未來(lái)96h的移動(dòng)方向C為75°SW、平均移速v為18.8km/h，7 級(jí)風(fēng)圈半徑約為 120km[見圖 2（b）]。

（3）動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)。按§1所述方法將臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡帶與靜態(tài)航線網(wǎng)絡(luò)疊加，得到包含20個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（H類8個(gè)、K類4個(gè)、B類8個(gè)），31條網(wǎng)絡(luò)弧段（4條受有障礙區(qū)域影響）的動(dòng)態(tài)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)[見圖2（b）]。

（4）艦船計(jì)劃航線。某船從新加坡至香港，航速35km/h，單位油耗2.4917t/h，續(xù)航能力 A 為 2500km[見圖 2（a）]。

（5）決策時(shí)點(diǎn)與需求。以船舶接收到臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息的時(shí)間1月3日08：00為決策時(shí)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的決船舶位置為P0[見圖2（b）]，現(xiàn)需要基于前述數(shù)據(jù)信息對(duì)船舶未來(lái)航線進(jìn)行規(guī)劃。

圖2 船舶航線規(guī)劃的場(chǎng)景數(shù)據(jù)及規(guī)劃結(jié)果

3.2 規(guī)劃結(jié)果

（1）續(xù)航性判斷。據(jù)§2.2.1算法知該計(jì)劃航線受臺(tái)風(fēng)影響不可通行。

（2）改航算法搜索。按照§2.2.2 算法，結(jié)果見圖 2（c）和圖 2（d）。將兩條最短航線加入最短繞行航線集，比較長(zhǎng)度得到最佳繞行航線。

4 結(jié)論

本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)航線安全性、可達(dá)性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合，實(shí)驗(yàn)算法也驗(yàn)證了規(guī)劃技術(shù)路線的可操作性。后續(xù)研究中，將綜合考慮有障礙區(qū)域動(dòng)態(tài)變化、大風(fēng)浪中船舶失速、船舶停靠等候避讓決策等多種要素的綜合影響，使航線規(guī)劃方法更加科學(xué)、合理。

Design of Dynamic Route Planning Method Based on Live Weather

Chen Guo An
（Navy 92730 572016）

Ocean transportation is a most important form of transportation in international commodity exchange.The bad weather on the ocean always causes damage to the ships.As a result,ship weather routing is necessary.Routes of ships on voyage should be adjusted or replanned because of the influences of heavy weather or had situation in local sea area.In this paper we present an optimal route planning approach based om a dynamic access network model,the meteorological information provided to the shipping news network as a data source,and using improved algorithm.

route planning；weather routing；dynamic access network；optimal decision

U692.3+1

A

1004-7344（2016）31-0256-02

2016-10-21