CN106203721B - 自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统及方法，它包括海图环境模型，用于量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图；冰图环境模型，用于量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图；叠加环境模型，用于以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型，用于在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类；航线设计模块，用于在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上设计并优化航线。
Description
技术领域
本发明属于极地航运系统船舶航线规划设计技术领域，具体设计一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统及方法。
背景技术
北极航线作为最后一个被开发的航线，极地水域船舶航行的安全问题一直备受关注。一方面，极地水域船舶稀少、通航保障设施严重不足，船舶在极地水域航行需要独立面对海冰环绕、低温、极昼极夜、电磁干扰等复杂环境条件；另一方面，极地水域地处高敏感的极地圈，一旦发生事故，不仅会造成人员伤亡和经济损失，而且有可能对极地脆弱的生态环境造成极大的影响。2013年，俄罗斯原子能破冰引航公司派出最新的核动力破冰船“50 LetPobedy”号为中远集团“永盛轮”提供破冰引航服务，完成了东北航道首航，开创了我国商船穿越北极的历史先河。破冰船引航为极地水域船舶航行提供了便利，2014年俄罗斯取消了极地水域强制引航的制度，为极地水域船舶独立航行提供了良好的政策基础。但是容易商船在极地冰区独立航行容易导致船-冰碰撞事故，特别是在冰清恶略情况下，船舶和冰的碰撞应力增大，船舶破损事故的风险大大增加。极地水域船舶-冰碰撞事故的发生体现了船舶的破冰能力、速度及极地水域冰环境耦合关系不协调。极地水域船舶航线的设计成为了减少船舶-海冰碰撞的主要方法之一，但是现在仅仅依靠船员视觉观察寻找船舶附近的冰缝或冰间水道作为航线设计的主要依据是不完善的。
针对现有的极地冰区航线设计现状及实际的航行情况，反映以下两点不足：
(1)极地水域船舶独立航行时，短距离航线设计时还仅仅依靠船舶驾驶员视觉观察或岸上提供航线设计方案，船舶本身缺少自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法。
(2)极地水域船舶独立航行时，人员视觉观察或岸上提供的方案没有考虑船舶本身的结构、船舶航行速度及冰环境三者之间的连带关系。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统及方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统，其特征在于：它包括：
海图环境模型，用于量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
冰图环境模型，用于量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
叠加环境模型，用于以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型，用于在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在该水域安全航行，故条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
航线设计模块，用于在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及输入的航行要求来优化航线；
所述的航行代价为破冰船在冰区航行时发生事故导致的损害程度。
按上述方案，所述的海图环境模型和冰图环境模型中，每个海图栅格和冰图栅格的运动方向定义为8种：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。
一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、建立海图环境模型：量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
S2、建立冰图环境模型：量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
S3、建立叠加环境模型：以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
S4、建立船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型：在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在该水域安全航行，故条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
S5、航线设计：在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及航行要求来优化航线；
所述的航行代价为破冰船在冰区航行时发生事故导致的损害程度。
按上述方法，所述的海图环境模型和冰图环境模型中，每个海图栅格和冰图栅格的运动方向定义为8种：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。
按上述方法，所述的S4中，根据加拿大交通部门构建的北极冰情运输系统，将海冰情况用蛋形图进行表示，其中，
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…(CnIMn)
式中：IN为冰值，Ca、Cb、……、Cn为第a、b、……、n种类型冰以十进制表示的冰密集度；IMa、IMb、……、IMn为第a、b、……、n种类型冰倍数值，表征不同类型冰的特性；
根据冰情情况及船舶的破冰能力建立冰情与船舶破冰能力的映射关系，在此基础上，根据蛋形规则中冰值与速度V的关系式：
V＝0.0027(IN)3+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385
计算出不同冰情下的船舶既能破冰而不损害船体、又不会因为速度过小而冰困的速度，建立速度和冰情之间的联系，进而实现船舶的破冰能力、速度及冰情之间的耦合关系。
按上述方法，所述的S5优化航线的原则为：设生成的航线路径包含m个路径点，每个路径点都由对应的栅格序号表示，第一个路径点是起点，第m个路径点是终点；把第一个路径点作为一条直线的第一个端点，第t个路径点作为直线的第二个端点，做一条直线，计算所有不可航栅格和这条直线的距离，若没有障碍物到这条直线的距离小于安全距离，则把第t+1个路径点作为直线的第二个端点，继续判断，直到有障碍物到这条直线的距离小于安全距离，保存第二个端点的上一个路径点的栅格序号并将其作为新直线的第一个端点；重复上述操作，直到终点为止；
所述的t的初始值为3，所述的安全距离根据船舶的尺寸自定义大小。
本发明的有益效果为：本发明通过建立船舶破冰能力、船舶速度及极地冰区冰情的耦合关系，采用极地冰区冰图和海图信息提取及栅格化处理方法，最终利用A-Star算法实现极地冰区船舶的航线设计与规划方法，从而使极地冰区船舶独立航行时的航线一方面实现了船舶与冰碰撞事故的预防，另一方面实现了船舶破冰能力和航行速度及冰环境的耦合关系的建立，减少了因船舶破冰能力不足而导致的事故和因速度过小而导致的船舶冰困事故。
附图说明
图1为本发明一实施例的方法流程图。
图2为栅格化环境模型。
图3为船舶航行路径图。
图4为海图的栅格化环境模型图。
图5为冰图的栅格化环境模型图。
图6为叠加后的栅格化环境模型图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统，包括：
海图环境模型，用于量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
冰图环境模型，用于量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
叠加环境模型，用于以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型，用于在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，对于条件可航栅格而言，由于破冰能力有限，在较高的速度下不能安全通航，故可以通过减低该水域的航行速度，从而实现在条件栅格的安全航行。相反，如果不降低航速，该船舶不能在条件栅格内航行。即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在该水域安全航行，故条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
航线设计模块，用于在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及输入的航行要求来优化航线；
所述的航行代价为破冰船在冰区航行时发生事故导致的损害程度，因为船舶在冰区航行时可能发生碰撞、搁浅等事故，或者破冰航行期间船舶与冰碰撞，造成损害，航行代价即对这种损害程度进行量化。
所述的海图环境模型和冰图环境模型中，每个海图栅格和冰图栅格的运动方向定义为8种：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。
一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，如图1所示，它包括以下步骤：
S1、建立海图环境模型：量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
S2、建立冰图环境模型：量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
S3、建立叠加环境模型：以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
S4、建立船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型：在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，对于条件可航栅格而言，由于破冰能力有限，在较高的速度下不能安全通航，故可以通过减低该水域的航行速度，从而实现在条件栅格的安全航行。相反，如果不降低航速，该船舶不能在条件栅格内航行。即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在该水域安全航行，故条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
S5、航线设计：在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及航行要求来优化航线；
所述的航行代价为破冰船在冰区航行时发生碰撞、搁浅等事故的风险或是破冰船破冰航行期间船舶与冰碰撞的损害程度。
环境模型的建立
在进行航线设计前必须要在极地冰区船舶周围的环境模型中建立一个对环境主要是对障碍物、浅水区、高强度冰区的表示方法，在本发明专利中有效描述称为环境模型。极地冰区船舶的航线设计首先就是要针对冰区船舶周围的环境进行描述，并通过信息的处理和采集把真是的环境信息(障碍物、浅水区、高强度冰等)量化为适合进行航线设计的可读数据，这个过程称为环境建模。环境建模中主要的是障碍物、浅水区、高强度冰等的表示方法。合理的环境建模才能有利于航线设计中搜索量的减少，才能根据船舶的特性寻找合适的航行路线。不同的航路设计方法法正是基于不同的环境建模。本文对海图信息的量化和提取及冰图信息的量化和提取都是基于栅格化进行的。
栅格法是由W.E.Howden在1968年提出的，其基本原理是将极地冰区航行船舶附近的冰区划分为许多小栅格，每个小栅格与周围的四个或八个小栅格相邻，形成了一幅栅格地图。栅格地图信息直接与工作空间环境信息对应，容易创建和维护，方便进行自定位。由于基于A-star算法的航线规划方法是一种基于图搜索的路径规划算法，所以本发明专利采用栅格法来建立环境模型。
栅格的表示方法：在栅格阵中按从左到右，从上到下的顺序，从栅格阵左上角第一个栅格开始，给每一个栅格一个序号N(N＝0,1,2…)，序号N与栅格块一一对应。地图中任意一点(x，y)与栅格编号的映射关系为：
N＝x+inland×y
式中，mod表示取余数，int表示取整数。栅格法的环境模型建立起来之后，就要对环境模型进行量化。可采用行列划分的矩阵来量化上述栅格，该方法建立栅格与数组元素一一对应的关系。该方法了根据行列矩阵上的栅格位置为索引，包含了每一个栅格的详细信息，N表示当前栅格的栅格序号；根据每一个栅格的情况可量化是否可以让船舶航行，加入可以通航可表示为0，标注为白色；不可以通航表示为1，表示为黑色，当障碍物、浅水区、高强度冰等不满一个格子时为了航行安全按照一个格子表示。环境模型的表示如图2所示：
考虑到建模的复杂性，发明将极地冰区船舶在每个栅格上的运动方向定义了八种，分别是：北，东北，东，东南，南，西南，西，西北。假设船舶的位置为正中间栅格，其在下一时刻的运动方向如图3所示。
海图信息的量化和提取
海图是地图的一种，是以表示海洋区域制图现象的一种地图，主要内容包括：岸形、岛屿、礁石、水深、航标和无线电导航台等，有了海图，船只便不易搁浅了，所以它是航海必不可少的参考数据。本发明专利在建立环境模型时，首先通过海图信息获取极地冰区船舶的的全局环境信息(包括障碍物信息、沉船信息、浅水区域等)，再用尺寸相同的栅格对该船航行区域进行划分，将工作空间划分为land×land等份，进而建立极地水域海图的栅格地图，最后将上述船舶的运动轨迹和环境中的障碍物等相关信息标注在栅格地图中。所得海图栅格可分三种：第一种是完全可航栅格，即栅格内所有区域都是安全可行的；第二种是完全不可航栅格，例如小岛、浅滩等，即栅格内的所有区域都不是安全可行的；第三种是不完全可航栅格，即栅格内的一部分区域是安全可行的，另一部分区域是不安全可行的。本专利的处理原则是先将不完全可航栅格归于完全不可航栅格，再将安全可航栅格称为自由栅格并用空白方格表示，将完全不可航栅格称为障碍栅格并用涂黑方格表示，规定极地冰区船舶的起始位置所在的栅格为起始栅格以及极地冰区船舶的目标位置所在的栅格为目标栅格，最后对栅格划分好的整个环境进行编号，进而实现极地冰区海图的栅格化处理，以某极地海域为例，根据海域海图的信息按照栅格化处理的方式进行处理，得到结果如图4所示。
冰图信息的量化和提取
极地航行的船舶不但需要海图作为必须的航行资料外，还需要冰图作为航行指导。冰图上实时表征了该海域的冰覆盖情况，并把开阔水域和冰覆盖水域进行区分，同时对并覆盖水域用不同的颜色表示冰的种类，体现出冰的强度，还用数字表述出冰的厚度，可为极地冰区航行船舶能否通过该水域提供参考。本发明专利在建立环境模型时，先通过冰图信息获取极地冰区船舶的全局环境信息(包括冰覆盖区域、冰的厚度、冰的种类等)，再用尺寸相同的栅格对该船航行区域进行划分，将工作空间划分为land1×land1等份，进而建立极地水域冰图的栅格地图，最后将上述船舶的运动轨迹和环境中的冰情特征等相关信息标注在栅格地图中。为了实现自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，在对栅格化后的冰图进行处理时应根据船舶的速度、船舶的破冰能力等船舶特性来划分。所得冰图栅格可分四种：第一种是完全可航栅格，即栅格内所有区域都是安全可行的，表示船舶的破冰能力可以破此时该水域的冰，在任何航速下船舶均能安全通过；第二种是完全不可航栅格，即栅格内的所有区域都不是安全可行的，表示为船舶的破冰能力不能破该水域的冰，当船舶以较快的熟读破冰时会导致船舶破损，当船舶以较慢的速度破冰时船舶会被困在冰缝中；第三种是不完全可航栅格，即栅格内一部分是不可航行的，一部分是可航行的；第四种是条件可航栅格，即栅格内的一部分区域在一定条件下式可行的。表示为由于船舶的破冰结构强度有限，当速度太慢时，船舶会被冰困住，形成冰困事故；当速度太快时，船舶可以破冰航行，但船体容易受损，导致船舶破损事故；只有当船舶速度适当时候才能安全航行。本专利的处理原则是先将不完全可航栅格归于完全不可航栅格冰用黑色表示，条件可航栅格用灰色方格表示，再将安全可航栅格称为自由栅格并用空白方格表示，将完全不可航栅格称为障碍栅格并用涂黑方格表示，规定极地冰区船舶的起始位置所在的栅格为起始栅格以及极地冰区船舶的目标位置所在的栅格为目标栅格，最后对栅格划分好的整个环境进行编号，进而实现极地冰区冰图的栅格化处理，以上述极地海域为例，根据海域冰图的信息按照栅格化处理的方式进行处理，得到结果如图5所示。
在海图量化和提取及冰图的量化和提取的基础之上，分别建立了基于海图的航线设计环境和基于冰图的航线设计环境，由于在真的极地冰区航行过程中不仅仅要考虑图上的环境信息，在极地的环境下还要着重考虑冰图上的信息。为了实现冰图和海图信息的提取，可以通过冰图和海图的信息叠加来实现。故需要把海图中的完全不可航栅格、不完全可航栅格和冰图中的完全不可航栅格、不完全可航栅格、条件可航栅格表示在同一个栅格地图中，得到结果如图6所示。
船舶破冰能力、船速及冰情的耦合模型建立
冰图和海图的信息叠加而成的栅格地图上，对于条件可航栅格是否可航会因为船舶的速度的改变而变化，所以在对极地冰区船舶航线设计时需要量化船舶的破冰能力、船速及冰情并建立之间的耦合关系。根据加拿大交通部门构建了北极冰情运输系统，将海冰情况用蛋形图进行表示，并提出了海冰密度与船舶航行速度之间的计算公式。其中，
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…(CnIMn)
式中：IN为冰值；Ca、Cb、……、Cn为第a、b、……、n种类型冰以十进制表示的冰密集度；IMa、IMb、……、IMn为第a、b、……、n种类型冰倍数值，表征不同类型冰的特性。
由于对于相同的冰情，不同的船舶的冰倍数值不同，根据冰情情况及船舶的破冰能力建立冰情与船舶破冰能力的映射关系，如下表所示：
根据上表内容可见，建立了冰情和不同破冰能力船舶之间的量化关系。另外再此基础之上，根据蛋形规则中冰值与速度V的关系式:
V＝0.0027(IN)3+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385
根据上述公式，计算出不同冰环境下的船舶即能破冰而不损害船体又不会因为速度过小而冰困的速度，建立起了速度和冰情之间的联系。进而实现了船舶的破冰能力、航行速度及冰情之间的耦合关系。
最后，运用A-Star算法进行航线设计，得到自适应出船舶破冰能力的航线，再根据船舶的驾驶性能来及其他航行要求来优化航线，进而得到自适应船舶破冰能力的极地冰区船舶航行经济航线。
启发式A-star算法
A-star算法的基本技术
通过估价函数计算与当前节点相邻的所有节点的代价，从中选取代价最小的节点放入扩展节点集合中。再从扩展节点集合中找出最小代价点，同样以最小代价标准进行节点扩展。这中间涉及到代价值的更新操作，节点代价值更新后，继续下一轮节点扩展，直到找到最优代价的节点序列为止。在A-star算法中，一般在搜索过程中构造两个表：OPEN表和CLOSE表。OPEN表用于记录已经被计算但没有被扩展的节点，CLOSE表用于存放已经被扩展的节点。在每一步搜索过程中，首先从OPEN表中找出代价值最小的节点，将其加入CLOSE表进行扩展，对扩展后的节点进行分析，根据分析结果对OPEN表和CLOSE表进行修改，选择合适的扩展节点加入CLOSE表。
在A-star算法中，评估各扩展搜索节点的代价值时需要用到估价函数，估价函数的一般形式为：
f(n)＝g(n)+h(n)
其中，n表示待扩展的节点，f(n)为从起始点经过节点n到达目标点的最小代价路径的估计值，g(n)为从起始点到当前节点n的航行代价，h(n)为从当前节点n到目标点的估计代价，因为h(n)代表了A-star算法中的启发信息，故称之为启发函数。在二维搜索中，启发函数h(n)通常是两点之间的欧氏距离。为了保证A-star算法计算结果的最优性，启发函数必须满足容许性条件，即对所有的节点n都有：
h(n)<＝h*(n)
h*(n)是节点n到目标节点的真实最小代价。A-star算法就是每次选择候选节点中f值最小的节点进行扩展，当h＝0时，退化为广度优先搜索算法，当g＝0时，退化为深度优化算法。A-star算法具有两点独特的性质，其一是可采纳性，即A-star算法能在有限时间内终止并找到最优解；其二是单调性，即指在A-star算法中，如果对其估价函数中的h(n)部分即启发性函数，加以适当的单调性限制条件，就可以使A-star算法对所扩展的一系列节点的估价函数值单调递增(或非递减)，从而减少对OPEN表或CLOSED表的检查和调整，提高搜索效率。代价函数f(n)的作用是估价OPEN表中各节点的重要性程度，需要综合考虑已付出的代价和将要付出的代价两方面的因素，以此来决定它们在OPEN表中的次序。g(n)指出了搜索的横向趋势，有利于搜索的完备性，但影响搜索的效率。在确定f(n)时，需要权衡各种利弊得失，使g(n)和h(n)各占一定的比重。在对条件栅格节点进行选择时，当速度条件不发生变化时，条件栅格节点看作完全不可航行栅格节点，当速度可减低时，根据速度、船舶破冰能力及冰情之间的耦合关系，速度降低到许可范围内时，条件栅格节点可被视为完全可航栅格节点，所以代价函数f(n)是具有可选择性条件的。
根据上述分析，在建立海图和冰图叠加的栅格时要同时满足：1)栅格地图中的每个栅格的后继栅格的数目是有限的；2)栅格地图中所有航线转向的代价都大于某个正数；3)栅格地图中的所有节点n估价值不会超出实际值，就能保证A-star算法总能找到最小代价路径。
A-star算法的实现
A-star算法的过程可用下列伪代码表示：
如果找到目标节点，则从目标节点开始，根据父节点指针回溯得到路径。
f(n)定义为从初始节点经过n节点到达目标节点的最小代价路径的代价估计函数，其定义如下：
f(n)＝g(n)+h(n)
g(n)＝g(n-1)+m(n)
h(n)＝|xn-xgoal|+|yn-ygoal|
g(n)为前一节点的实际花费代价与运动到当前节点所需代价之和。h(n)为实际环境中节点n到目标节点的曼哈顿距离。m(n)为从前一节点运动到当前节点所花费的实际代价值，定义环境栅格为尺寸单位长度，根据不同情况自主设定，则极地冰区独立航行船舶沿着东、西、南、北方向运动时定义其代价值m(n)＝1，当极地冰区独立航行船舶沿着西北、西南、东北、东南方向运动时定义其代价值m(n)＝1.5，在起始节点处g(n)＝0。(xn,yn)为n阶矩阵的值，(xgoal,ygoal)为n阶矩阵的值。
航线的优化原则
本发明在进行路径规划时采用的优化方法原则如下：假设一条航线路径包含m个路径点(1,2,…,m)，每个路径点都由对应的栅格序号表示，第一个路径点是起点，第m个路径点是终点。把第一个路径点作为一条直线的第一个端点，第t个(初始值为3)作为直线的第二个端点，做一条直线，计算所有障碍物和这条直线的距离，若没有障碍物到这条直线的距离小于安全距离(根据船舶的尺寸自定义大小)，则把第t+1个路径点作为直线的第二个端点，继续判断，直到有障碍物到直线的距离小于安全距离，保存上一个路径点的序号并作为新直线的第一个端点。重复上述操作，直到终点为止。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统，其特征在于：所述系统包括：
海图环境模型，用于量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
冰图环境模型，用于量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
叠加环境模型，用于以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型，用于在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在条件栅格内安全航行，此时将条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
航线设计模块，用于在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及输入的航行要求来优化航线，通过估价函数计算与当前节点相邻的所有节点的代价，从中选取代价最小的节点放入扩展节点集合中，再从扩展节点集合中找出最小代价点，同样以最小代价标准进行节点扩展，其中进行节点代价值更新，在节点代价值更新后继续下一轮节点扩展，直到找到最优代价的节点序列为止；
所述的航行代价为船舶在冰区航行时发生事故导致的损害程度。
2.根据权利要求1所述的自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计系统，其特征在于：所述的海图环境模型和冰图环境模型中，每个海图栅格和冰图栅格的运动方向定义为8种：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。
3.一种自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、建立海图环境模型：量化和提取海图信息，并进行栅格化处理，建立海图栅格地图，根据海图信息对海图栅格进行划分和标注，海图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格和不完全可航栅格，其中完全可航栅格内的所有区域都是安全可航的栅格，完全不可航栅格内的所有区域都是不安全可航的栅格，不完全可航栅格内的一部分区域是安全可航的、另一部分区域是不安全可航的；
S2、建立冰图环境模型：量化和提取冰图信息，并进行栅格化处理，建立冰图栅格地图，根据冰图信息对冰图栅格进行划分和标注，冰图栅格大小与海图栅格一致；冰图栅格被划分为完全可航栅格、完全不可航栅格、不完全可航栅格和条件可航栅格；其中条件可航栅格内所有区域船舶在一定条件下能够安全通过；
S3、建立叠加环境模型：以航行代价最小化为原则，选择海图栅格地图和冰图栅格地图每一栅格中航行代价最高的栅格作为叠加后栅格地图的栅格，实现海图栅格地图和冰图栅格地图的叠加；
S4、建立船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型：在叠加环境模型的基础上，由船舶的破冰能力和速度来定义条件可航栅格，对条件可航栅格进行二次分类，即通过降低破冰的速度，实现在条件栅格内的安全航行，进而对条件可航栅格二次定义条为完全可航栅格；相反，如果船舶不降低航行速度，则不能在条件栅格内安全航行，此时将条件可航栅格二次定义为完全不可航栅格；
S5、航线设计：在船舶的破冰能力、速度及冰情的耦合模型基础上，利用A-star算法设计航线，并根据船舶的驾驶性能及航行要求来优化航线，通过估价函数计算与当前节点相邻的所有节点的代价，从中选取代价最小的节点放入扩展节点集合中，再从扩展节点集合中找出最小代价点，同样以最小代价标准进行节点扩展，其中进行节点代价值更新，在节点代价值更新后继续下一轮节点扩展，直到找到最优代价的节点序列为止。
4.根据权利要求3所述的自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，其特征在于：所述的海图环境模型和冰图环境模型中，每个海图栅格和冰图栅格的运动方向定义为8种：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。
5.根据权利要求3所述的自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，其特征在于：所述的S4中，将海冰情况用蛋形图进行表示，其中，
IN＝(CaIMa)+(CbIMb)+…(CnIMn)
式中：IN为冰值；Ca、Cb、……、Cn为第a、b、……、n种类型冰以十进制表示的冰密集度；IMa、IMb、……、IMn为第a、b、……、n种类型冰倍数值，表征不同类型冰的特性；
根据冰情情况及船舶的破冰能力建立冰情与船舶破冰能力的映射关系，在此基础上，根据蛋形规则中冰值与速度V的关系式：
V＝0.0027(IN)3+0.0398(IN)2+0.2489(IN)+3.8385
计算出不同冰情下的船舶既能破冰而不损害船体、又不会因为速度过小而冰困的速度，建立速度和冰情之间的联系，进而实现船舶的破冰能力、速度及冰情之间的耦合关系。
6.根据权利要求3所述的自适应船舶破冰能力的极地冰区航线设计方法，其特征在于：所述的S5优化航线的原则为：设生成的航线路径包含m个路径点，每个路径点都由对应的栅格序号表示，第一个路径点是起点，第m个路径点是终点；把第一个路径点作为一条直线的第一个端点，第t个路径点作为直线的第二个端点，做一条直线，计算所有障碍物和这条直线的距离，若没有障碍物到这条直线的距离小于安全距离，则把第t+1个路径点作为直线的第二个端点，继续判断，直到有障碍物到这条直线的距离小于安全距离，保存第二个端点的上一个路径点的栅格序号并将其作为新直线的第一个端点；重复上述操作，直到终点为止；
所述的t的初始值为3，所述的安全距离根据船舶的尺寸自定义大小。
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