CN105775054A - 蚁群式动态溢油回收无人艇系统及其溢油回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蚁群式动态溢油回收无人艇系统，包括子母船和多个无人艇组。子母船上设置有无人艇调控系统、无人艇升降平台、溢油监测系统等。各无人艇组分别由一艘主艇和多艘从艇组成，主艇和从艇上分别设置有航迹规划系统、无线通信装置、溢油回收装置和储油装置，主艇上还设置有溢油监测装置和导航定位装置等。本发明还公开了一种蚁群式动态溢油回收方法，包括如下步骤：1)前往溢油区域；2)对溢油区域进行分区；3)按分区对无人艇进行分组并分配任务；4)各无人艇组前往任务区；5)各无人艇组对溢油进行回收；6)主从艇协同收油直至完成任务；7)返航。本发明基于蚁群式协同工作的思想，实现了多艘无人艇的协同工作。

Description

蚁群式动态溢油回收无人艇系统及其溢油回收方法

技术领域

本发明涉及一种溢油回收技术，特别是指一种蚁群式动态溢油回收无人艇系统及其溢油回收方法。

背景技术

随着世界各国对海底石油资源开发的逐步深入，海上石油泄漏事故时有发生。而每一次溢油事故的发生都带来了巨大的经济损失，并且对海洋生态环境造成了不可估量的破坏。因此，海上溢油回收逐渐成为全世界越来越不可忽视的话题。

目前国内外采用的溢油回收方法主要有两种：一种是在溢油事故发生后及时应用围油栏将溢油围控，阻止其进一步的扩散和漂移，然后将撇油器放入围油栏形成的围控区域内进行溢油回收。另一种方法是在溢油事故发生后，由于未能及时将溢油围控，溢油已经扩散和漂移时，利用大型的溢油回收船进行回收。第一种回收方法的缺陷在于撇油器在较大的围控区域内工作，致使其工作时的油膜厚度不足，难以充分发挥撇油器的性能，导致其收油效率不高。第二种回收方法的缺陷是由于溢油回收船的外伸围油栏的结构限制，其溢油回收的宽度有限，需要较长时间才能完成收油工作。

中国专利申请“一种无人水上收油艇”，申请号：201310695162.7，提供了一种无人水上收油艇，包括岸基控制平台以及无人艇，所述无人艇上装载有智能控制装置、电源装置、检测装置、动力装置、GPS自动导航装置、通信装置以及自动避障装置，所述无人艇上设有收油装置以及塔式集油舱，所述无人艇的下部设有浮箱、后部设有螺旋推进装置。该无人艇除了具有传统回收艇的功能以外，还可以实现人工远程遥控作业、半自动以及全自动回收作业，可以有效减轻劳动强度，提高作业效率。该专利的不足之处在于：仅涉及单个的无人艇，无法进行多个无人艇的协同收油作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多个无人艇协同作业的蚁群式动态溢油回收无人艇系统及其溢油回收方法。

为实现上述目的，本发明所设计的蚁群式动态溢油回收方法，包括如下步骤：

1)溢油事故发生后，子母船携带无人艇前往溢油区域。

2)子母船通过其上的溢油监测系统对溢油情况进行总体监测，并根据溢油分布情况对溢油区域进行分区。

3)子母船按分区对无人艇进行分组并将各分区的溢油回收任务分配给各无人艇组；每个无人艇组由多艘无人艇组成，其中一艘作为主艇，其余作为从艇，主艇受子母船控制，从艇受主艇控制。

4)子母船利用其上的无人艇升降平台放下无人艇使无人艇顺利下水，各无人艇组在其主艇带领下，沿航迹规划系统规划的路径前往任务区。

5)各无人艇组按照各自的分区任务进行收油工作，只负责完成本区域的溢油回收，不同无人艇组间互不干扰；相邻分区的无人艇组间的协调由子母船向主艇发送命令来控制。各分区的协调主要根据溢油回收时间大致相同以及相邻分区的无人艇不会越界相撞两个原则来实现。溢油回收时间大致相同则涉及到各分区无人艇数量的分配，而无人艇互不相撞则属于在限制边界条件下的无人艇航迹规划问题。

6)各无人艇组内，主艇上的溢油监测装置对任务分区内的溢油情况进行监测，并将收油任务分配给组内的从艇；从艇在主艇的协调控制下协同展开收油工作，并定期向主艇发送状态信息，直至完成本区域的溢油回收任务。

7)当各无人艇组的收油工作完成后，从艇在其主艇的带领下沿航迹规划系统规划的路径有序地返回子母船，所有的无人艇均返回子母船后，子母船返航。

优选地，步骤2)中，子母船根据溢油区域长宽比的不同进行分区，溢油区域长宽比大于3时采取带状分区，长宽小于等于3时采取块状分区。

优选地，所述航迹规划系统通过弹性栅格法进行环境建模，并利用dijkstra算法实现最优路径的选取，以此实现无人艇的航迹规划。弹性栅格法的划分思想：对于存在障碍物的区域，将该区域的网格进行细分，这样可以把区域内的障碍物描述得更加清晰；而对于大片的无障碍物的区域，则可以将其忽略，这样就可以提高环境建模的效率。

优选地，步骤3)中，子母船根据各溢油分区的油层厚度分配前往对应分区的无人艇组所包含的无人艇数量；目标分区油层越厚，前往该分区的无人艇组所包含的无人艇数量越大。由于子母船携带的无人艇数量一定，而溢油区域的情况并不完全清楚，因此需要先对分区后各区域的浮油体积进行估算，估算方法是通过电子海图获得各分区的面积，由溢油监测系统获得各分区的浮油厚度，由此即可得浮油体积。各区域的浮油体积除以无人艇能够储油的体积，得到单个无人艇需要往返的趟数，最后根据各分区溢油回收工作完成的时间大致相等的原则确定各分区的无人艇数量。

优选地，步骤6)中，主从艇协同收油过程中，从艇按设定的时间频率向主艇发送测距请求信号，主艇接收到测距请求信号后计算出相对距离，并通过水声调制解调器以广播的形式向从艇发送主艇的位置信息以及相互之间的距离信息；从艇则根据主艇反馈的信息来校正自身的运动偏航角与行进速度。

本发明同时提供了一种为实现上述溢油回收方法而设计的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，包括子母船和搭载在子母船上的多个无人艇组。所述子母船上设置有无人艇调控系统、无人艇升降平台、溢油监测系统、障碍物探测装置和无线通信装置。每个无人艇组由一艘主艇和多艘从艇组成，所述主艇和从艇上均设置有航迹规划系统、无线通信装置、溢油回收装置和储油装置，所述主艇上还设置有溢油监测装置、测距装置和导航定位装置。所述无人艇调控系统通过溢油监测系统对各分区溢油情况的监测分析，大致确定各分区的浮油体积，然后根据单个无人艇的储油体积对各分区需要无人艇的往返次数进行估算，以确定各分区需要的无人艇数量。所述无人艇升降平台用于实现无人艇的下水与回收。所述溢油监测系统通过红外传感器、紫外传感器、辐射计、孔径雷达或卫星遥感监测等中的一种或多种方式对溢油区域进行溢油监测。所述障碍物探测装置用于探测溢油回收区域内的障碍物，优选采用雷达。所述航迹规划系统通过设计的航迹规划算法，对溢油区域进行基于弹性栅格的环境建模，并利用dijkstra算法实现最优路径的选取，以此实现无人艇的航迹规划。所述溢油监测装置通过红外传感器、紫外传感器等对所在分区的溢油进行监测。所述测距装置用于测量从艇与主艇之间的距离和方位，优选采用激光测距仪。所述导航定位装置可采用惯性导航设备、GPS等，用于无人艇的航行控制与定位。所述无线通信装置通过WiFi、蓝牙、水声通信装置等，实现主艇、从艇、子母船之间的信息传输。此外，子母船和无人艇上还设置有动力推进系统、电力系统等，均为成熟的现有技术，本发明中不作赘述。

优选地，所述无人艇(包括主艇和从艇)的左右舷均搭载有所述溢油回收装置。

优选地，所述溢油回收装置为动态斜面式溢油回收装置。

优选地，所述储油装置为圆柱式储油浮筒。

优选地，所述无线通信装置为水声通信设备，如水声调制解调器。与WIFI、蓝牙等常规无线通信方式相比，水声通信设备能够更好的适应水面上的通信环境，传输距离远，以实现主从艇间精确的信息传输。

优选地，所述无人艇为双体无人艇，双体无人艇具有良好的稳定性，可适应更恶劣的海况。

本发明的有益效果是：本发明基于蚁群式协同工作的思想，主艇负责本区域的信息收集和任务分配工作，并且同子母船联系。而从艇主要负责溢油回收工作，并与主艇进行信息交换。各无人艇组互不干扰，各自完成本区域的收油工作，从而构建起层次清晰的无人艇网络，以提高任务执行过程中的容错性，并且提高了收油效率。使用无人艇进行溢油回收，充分利用了其自主性，自动化程度高，无需较多人员参与，节省了劳动力。

附图说明

图1所示为实施例中溢油回收无人艇的俯视示意图；

图2所示为蚁群式动态溢油回收方法的总体工作流程示意图；

图3所示为主从艇协同收油的工作流程示意图；

图4所示为子母船返航流程示意图。

其中：动力推进系统1、航迹规划系统2、无线通信装置3、溢油回收装置4、储油装置5

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所设计的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，包括子母船和搭载在子母船上的多个无人艇组；所述子母船上设置有无人艇调控系统、无人艇升降平台、溢油监测系统、障碍物探测装置和无线通信装置；各无人艇组分别由一艘主艇和多艘从艇组成，所述主艇和从艇上分别设置有动力推进系统1、航迹规划系统2、无线通信装置3、溢油回收装置4和储油装置5；所述主艇上还设置有溢油监测装置、导航定位装置和多普勒速度仪。所述无人艇升降平台是位于子母船船尾的一层活动甲板，通过船舷两侧的垂直导轨实现上下运动，以此实现无人艇的下水与回收。所述障碍物探测装置采用雷达对当前海域进行扫描，以确定障碍物信息，然后将其反馈给主艇。所述主艇和从艇均采用双体式无人艇。无线通信装置3采用水声调制解调器。溢油回收装置4为动态斜面式溢油回收装置，安装于无人艇的左右舷。储油装置5为圆柱式储油浮筒，搭载在无人艇两舷，以实现溢油的存储。所述测距装置采用激光测距仪。所述导航定位装置采用高精度惯性导航设备和差分GPS。

如图2所示，采用该系统进行溢油回收的工作流程如下：当海事部门获知溢油事故信息后，派出子母船，子母船上携带一定数量的双体无人艇前往溢油海域进行溢油回收工作。当子母船到达目标区域后，子母船上配置的溢油监测系统将根据溢油区域的形状对其进行合理分区，然后根据分区的情况对溢油回收无人艇进行分组，指定各组的收油任务。子母船利用无人艇升降平台放下无人艇，使其能够顺利下水。随后，各组无人艇由其主艇带领，通过自身的航迹规划系统规划行进路径，前往任务区。到达任务区后，主艇上的溢油监测装置将对任务区的溢油情况进行监测，并将收油任务分配给组内的从艇。从艇在主艇的协调控制下协同展开收油工作，并定期向主艇发送状态信息，直至完成本区域的溢油回收任务。当各无人艇组的收油工作完成后，各组无人艇在其主艇的带领下有序返回子母船。所有的无人艇均返回子母船后，子母船返航。

子母船上装载有溢油监测系统，能够对当前海域的溢油分布情况进行监测，并根据不同的溢油分布情况对溢油区域进行合理分区，然后将各分区的溢油回收任务分配给各无人艇组。子母船对溢油区域进行分区的原理是根据溢油区域长宽比进行不同分区。具体分区方式为：对溢油区域长宽比大于3的情形，采取带状分区，即沿长边将溢油带截成多段，无人艇将被分配到每一段中进行溢油回收；对溢油区域长宽小于等于3的情形，采取块状分区，即沿油带长边和宽边分别进行划分。

各无人艇组均由一艘主艇和多艘从艇组成。主艇负责直接与子母船进行信息交互，并对本溢油区的收油任务进行分配并协调控制从艇展开收油工作。主艇与子母船交互的信息主要是无人艇组内各无人艇的储油信息(以此来确定无人艇是否需要返航卸油)、无人艇自身的航行状态信息(保证无人艇的正常工作)以及各分区溢油是否回收完毕。从艇只负责收油工作，并定期向主艇发送自身状态信息，请求并接收主艇的指令。

各无人艇组按照各自的分区任务进行收油工作，组间互不干扰，只负责完成本区域的溢油回收。相邻分区的无人艇组间的协调由子母船向主艇发送命令来控制。

各无人艇组内，主从艇之间协同收油。主艇负责对本区域内的溢油回收工作进行监控，并与从艇进行实时的信息交互，指定从艇的回收任务；从艇接收主艇所分配的任务，进行收油作业。主艇本身也进行收油作业。

如图3所示，主从艇协同收油工作流程为：从艇按设定的时间频率向主艇发送测距请求信号，主艇接收到测距请求信号后，通过水声传播发出与到达的时间差计算出相对距离，并通过水声调制解调器以广播的形式向从艇发送主艇的位置信息以及相互之间的距离信息；从艇则根据主艇反馈的信息来校正自身的运动偏航角与行进速度；各从艇均在主艇的指令下进行收油工作，相互协同而又互不干扰；当从艇的储油浮筒装满回收的溢油时，从艇向主艇发送返航请求，主艇则向从艇发送返航指令，从艇通过自身航迹规划返回子母船卸油。卸油完毕后，从艇则返回任务区继续收油。

如图4所示，子母船返航流程为：当所有收油工作结束，主艇即向子母船发送返航请求；子母船接收到请求，则向主艇发送返航指令；主艇则向组内各从艇发送返航指令；各无人艇组在主艇的带领下，通过自身航迹规划返回子母船；各无人艇组均已返回子母船后，子母船即返航。

搭载在主艇和从艇上的航迹规划系统2采用航迹规划算法进行航迹规划，该算法通过弹性栅格法进行环境建模，并利用dijkstra算法实现最优路径的选取。以下为本实施例所采用的航迹规划算法的执行步骤。

步骤一：对无人艇路径问题进行环境建模

(1.1)将整个作业区域划分成正方形栅格，各栅格顶点为节点，依次编号。设共把区域边长划分成m个正方形栅格，则此区域每边有n＝m+1个节点，区域内共有num_nodes＝gz^2(gz＝n)个节点。在matlab中，从左下角开始由下往上按照1到gz^2的顺序依次给各节点编号。给定路径规划的起点和终点，分别设为start_id和finish_id。

(1.2)按照(1.1)中建好的模型，建立区域内节点之间的连通性，当存在障碍物时，以相邻节点的间距为最小长度，选取能包含障碍物的最小的矩形区域，并将矩形区域的四个顶点节点从左下顺时针依次编号Xa，Xb，Xc，Xd。

步骤二：利用dijkstra算法，根据已知无人艇作业区域障碍物，行进目标在已建模栅格区域进行全局路径规划

(2.1)算法思想：设G＝(V,E)是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合，用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条从源点到其他任一顶点的最短路径，就将此顶点加到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法结束。第二组为其余未确定最短路径的顶点集合(用U表示)，按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入到S中；在加入的过程中，保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外，每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度；U中的顶点的距离，是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。

(2.2)算法步骤：

a、初始时，S只包含源点，即S＝{v}，v的距离为0。U包含除v外的其他顶点，即U＝{其余顶点}，若v与U中顶点u有边，则<u,v>正常有权值，若u不是v的出边邻接点，则<u,v>权值为∞。

b、从U中选取一个距离v最小的顶点k，把k加入S中(该选定的距离就是v到k的最短路径长度)。

c、以k为新考虑的中间点，修改U中各顶点的距离；若从源点v到顶点u的距离(经过顶点k)比原来距离(不经过顶点k)短，则修改顶点u的距离值，修改后的距离值为顶点k的距离加上k到u的距离。

d、重复步骤b和c直到所有顶点都包含在S中。

(2.3)给定路径规划的起点和终点，分别设为start_id和finish_id，根据步骤一中所建好的模型，利用dijkstra算法计算出一条最短路径(1)，计算公式如下：

[distance,path]＝dijkstra(nodes,segments,start_id,finish_id)；distance即为所得最短路径的总距离，path为最短路径所遍历的节点。由此便可得到初步的避障最短路径。

(2.4)利用弹性栅格划分的思想对经过障碍物区域的路径进行更进一步的优化：

弹性栅格划分思想：对于存在障碍物的区域，将该区域的网格进行细分，这样可以把区域内的障碍物描述得更加清晰；而对于大片的无障碍物的区域，则可以将其忽略，这样就可以提高环境建模的效率。网格细分即把原本间距为一个单位长度的网格根据需求细分为1/2个单位长度、1/4个单位长度或者更密，以实现更高精度需求。

(2.4.1)单障碍物情形：

a.设包含障碍物的最小的矩形区域的四个顶点节点坐标为(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)，(xd,yd)。则其对应节点的编号为ka＝gz*xa+ya+1；kb＝gz*xb+yb+1；kc＝gz*xc+yc+1；kd＝gz*xd+yd+1。

b.以将单位长度网格划分为1/2个单位长度为例，建立间距为0.5的坐标轴数组：x＝[xa:0.5:xc]；y＝[ya:0.5:yb]。

c.考虑到以xa、xc、ya、yb作为边界时生成路径只通过矩形区域一条边的情况，需重新建立坐标轴数组：x＝[xa-1:0.5:xc+1]；y＝[ya-1:0.5:yb+1]。

d.建立新的坐标矩阵r。r的第一列为弹性栅格中每个节点的x轴坐标，第二列为y轴坐标。

e.将矩形区域内的节点重新编号，编号方法如下：n＝[num_nodes+1:num_nodes+length(x)*length(y)]'，即从全局路径规划下的最后一个栅格编号开始，依次往后增加length(x)*length(y)个栅格点，即增加的栅格节点数。

f.定义新的节点数目num_nodes，节点矩阵nodes＝[nodes；nr]。

g.确定重新划分栅格的区域的起点和终点。将步骤(2.3)中所得的路径经过的节点矩阵path和细化的栅格上各节点组成的节点矩阵的交集中的第一个节点即为细化的栅格内的起点fi，交集中的最后一个节点即为细化的栅格内的终点e。

h.利用Dijkstra算法根据已知的细化的栅格区域的起点fi和终点e，即可得到一条绕过障碍物的最短路径path，这就实现了在全局路径规划下障碍物周围的局部路径规划。

(2.4.2)双障碍物情形：

a.同单障碍物一样，设第二个包含障碍物的最小的矩形区域的四个顶点节点坐标为(xa3,ya3)，(xb3,yb3)，(xc3,yc3)，(xd3,yd3)。则其节点的对应编号为ka3＝gz*xa3+ya3+1；kb＝gz*xb3+yb3+1；kc＝gz*xc3+yc3+1；kd＝gz*xd3+yd3+1。

b.以将单位长度网格划分为1/2个单位长度为例，建立间距为0.5的坐标轴数组，同以上单障碍物划分弹性栅格步骤一样，可获得两个障碍物存在时新的节点数目num_nodes，节点矩阵nodes。

c.确定两个重新划分栅格的区域的起点和终点。将步骤(2.3)中所得的路径经过的节点矩阵path和细化的栅格上各节点组成的节点矩阵的交集中的第一个节点即为细化的栅格内的起点fi，交集中的最后一个节点即为细化的栅格内的终点e。同理得到第二个障碍物区域的起点和终点。

d.利用Dijkstra算法根据已知的两个细化的栅格区域的起点fi和终点e，即可分别得到一条绕过障碍物的最短路径，这就实现了在全局路径规划下障碍物周围的局部路径规划。

Claims (10)

1.一种蚁群式动态溢油回收方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)溢油事故发生后，子母船携带无人艇前往溢油区域；

2)子母船通过其上的溢油监测系统对溢油情况进行总体监测，并根据溢油分布情况对溢油区域进行分区；

3)子母船按分区对无人艇进行分组并将各分区的溢油回收任务分配给各无人艇组；每个无人艇组由多艘无人艇组成，其中一艘作为主艇，其余作为从艇，主艇受子母船控制，从艇受主艇控制；

4)子母船利用其上的无人艇升降平台放下无人艇，使无人艇顺利下水，各无人艇组在其主艇带领下，沿航迹规划系统(2)规划的路径前往任务区；

5)各无人艇组按照各自的分区任务进行收油工作，只负责完成本区域的溢油回收，组间互不干扰；相邻分区的无人艇组间的协调由子母船向主艇发送命令来控制；

6)各无人艇组内，主艇上的溢油监测装置对任务分区内的溢油情况进行监测，并将收油任务分配给组内的从艇；从艇在主艇的协调控制下协同展开收油工作，并定期向主艇发送状态信息，直至完成本区域的溢油回收任务；

7)当各无人艇组的收油工作完成后，从艇在其主艇的带领下沿航迹规划系统(2)规划的路径有序地返回子母船，所有的无人艇均返回子母船后，子母船返航。

2.根据权利要求1所述的蚁群式动态溢油回收方法，其特征在于：步骤2)中，子母船根据溢油区域长宽比的不同进行分区，溢油区域长宽比大于3时采取带状分区，长宽小于等于3时采取块状分区。

3.根据权利要求1或2所述的蚁群式动态溢油回收方法，其特征在于：所述航迹规划系统(2)通过弹性栅格法进行环境建模，并利用dijkstra算法实现最优路径的选取，以此实现无人艇的航迹规划。

4.根据权利要求1或2所述的蚁群式动态溢油回收方法，其特征在于：步骤3)中，子母船根据各溢油分区的油层厚度，均衡各分区溢油回收完成时间，确定前往各分区的无人艇数量。

5.根据权利要求1或2所述的蚁群式动态溢油回收方法，其特征在于：步骤6)中，主从艇协同收油过程中，从艇按设定的时间频率向主艇发送测距请求信号，主艇接收到测距请求信号后计算出相对距离，并通过水声调制解调器以广播的形式向从艇发送主艇的位置信息以及相互之间的距离信息；从艇则根据主艇反馈的信息来校正自身的运动偏航角与行进速度。

6.一种为实现权利要求1中所述方法而专门设计的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，其特征在于：包括子母船和搭载在子母船上的多个无人艇组；所述子母船上设置有无人艇调控系统、无人艇升降平台、溢油监测系统、障碍物探测装置和无线通信装置；每个无人艇组由一艘主艇和多艘从艇组成，所述主艇和从艇上均设置有航迹规划系统(2)、无线通信装置(3)、溢油回收装置(4)和储油装置(5)；所述主艇上还设置有溢油监测装置、测距装置和导航定位装置。

7.根据权利要求6所述的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，其特征在于：所述主艇、从艇的左右舷均搭载有所述溢油回收装置(4)。

8.根据权利要求6或7所述的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，其特征在于：所述溢油回收装置(4)为动态斜面式溢油回收装置。

9.根据权利要求6或7所述的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，其特征在于：所述无线通信装置(3)为水声调制解调器。

10.根据权利要求6或7所述的蚁群式动态溢油回收无人艇系统，其特征在于：所述无人艇为双体无人艇。