CN110220514B - 一种基于海图数据的动态航线生成方法 - Google Patents

一种基于海图数据的动态航线生成方法 Download PDF

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Abstract

一种基于海图数据的动态航线生成方法。本发明的步骤包括提取和处理碍航区、生成缓冲区、利用双向扩展随机树生成航线、路径优化及航线动态更新。本发明能够根据用户输入或从海图中获取的起点、终点自动计算出较优的安全航线，能够在航行偏离计划航线时给出警告和提示，并根据船舶位置和环境的变化实时地动态更新航线，保障人员、船舶的安全，提高航线效率和经济性。另外本发明的效果已在XX海警系统的研制中得到了验证。

Description

一种基于海图数据的动态航线生成方法
技术领域
本发明属于船舶航线设计领域，具体地是一种基于提取的海图碍航区数据，动态实时地自动更新船舶航线设计的方法。
背景技术
船舶航行安全一直是海上航行人员最主要关注的话题，特别是在执行诸如海上避难、救援、执法维权等特殊行动时，更是对航线设计的准确性和实时性提出更高的需求。现有的船舶航线设计基本都是依靠人工分析纸质海图，凭借个人的经验知识，在执行任务前完成计划航线的拟定。这种人工方法效率低，且设计的航线质量受限于作业人员的专业水平以及航线经验。
船舶在海上航行时亟需一种高效、快捷、准确地航线设计自动生成方法，来提高船舶导航的自动化水平，保障人员、船舶的安全，提高航线效率和经济性。随着电子海图的不断发展，数据不断完善，这也为航线设计自动生成带来了可能性以及准确性。同时考虑到船舶位置的变化以及实际环境的突变，航线设计的动态更新也将是研究的重点。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种可以利用电子航道图中的环境信息，高效、快捷地实现计划航线的自动生成；二是根据船舶的实时位置动态地更新航线。
本发明的技术方案是：1、一种基于海图数据的动态航线生成方法，包括地图中碍航区数据的处理：从地图数据中提取和处理碍航区：
通过地图数据访问接口，获取各个区域的属性信息；碍航区根据其形状，可划分为点、面状碍航区；
1.1、点状碍航区处理：
把地图中暗礁、沉船、适淹礁形成的碍航区当成点状碍航区进行处理，点与点之间距离大于500米时，实际情况中可根据安全距离进行调整，直接作为单独的点状碍航区进行处理；对于距离小于500米的点集合，通过Graham算法求得最小凸多边形后存储边界点，具体步骤如下，
(1)、找出{P1,P2,...,P5}点集中纵坐标最小的点，若纵坐标相同，则找横坐标最小的点，图例中P1纵坐标最小；以P1为参考点，和点集中其他各点用直线段连接，并计算这些线段与水平线的夹角，方向取逆时针为正，按夹角从小到大对点集进行排序，如果夹角相同，则只保留距离最大的点；
(2)、排序后点集为{P1,P3,P4,P2,P5}，依次连接所有点，得到一个多边形；
(3)、以逆时针方向，根据右手法则确定相邻两向量
Figure GDA0002887076330000021
的外积的方向，垂直
Figure GDA0002887076330000022
确定的平面向上，故保留P3；同样根据判断
Figure GDA0002887076330000023
外积的方向也垂直
Figure GDA0002887076330000024
确定的平面向上，故保留P4；判断
Figure GDA0002887076330000025
外积的方向垂直
Figure GDA0002887076330000026
确定的平面向下，故删除P2；判断
Figure GDA0002887076330000027
外积的方向垂直
Figure GDA0002887076330000028
确定的平面向上，故保留P5；最后形成凸包点集：{P1,P3,P4,P5}；
1.2、面状碍航区处理：
把地图中岛礁、浅滩、低于本船吃水的浅水区域、流向和流速比较复杂的影响船舶正常行驶的区域当成面状碍航区进行处理，所记录的数据点集采用垂距法进行压缩存储，具体方法为：按顶点顺序依次将相邻的三个顶点组成一个三元组，计算中间点到前后两点连线的距离，当计算的距离大于门限时，保留该顶点；否则删除该顶点；直至所有组合处理完毕。
2、根据碍航区数据和安全航行距离生成缓冲区来用于计划航线生成：
所述点状碍航区，以位置点为圆心，安全距离500米为半径的圆作为缓冲区；面状碍航区，采用角平分线法建立缓冲区，具体步骤如下：
2.1、以顺时针方向，计算多边形相邻两顶点连线的角平分线；
2.2、在各点的角平分线的延长线上，以缓冲区半径确定其在前进方向的左侧缓冲区点的位置；设相邻P1、P2两点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)，缓冲区点P'1坐标为(x'1,y'1)，则左侧缓冲点满足：
(x'1-x1)(y2-y1)-(y'1-y1)(x2-x1)＜0 (1)，2.3、将产生的左侧缓冲点依次相连，即产生缓冲区。
另外，基于已提取的地图碍航区数据，能够根据改进的扩展随机树方法快速且准确地生成计划航线：
3、用户输入目的地位置，系统从起点开始向目的点进行随机扩展，当扩展节点与目的节点的欧式距离是否小于门限时，两节点相连，路径生成；否则继续扩展；门限与扩展的步长有关，都取为起点与终点距离的一百分之一，在起点距离终点100km时，门限与步长取为1km；
3.1、定义Xint为初始点，Xgoal为目的点，首先通过均匀分布随机函数从状态空间中随机选择一个采样点Xrand；状态空间即为路径搜索范围，为了保证路径的搜索效率，搜索范围取由起点、终点确定的范围的1.5倍；
3.2、通过最近搜索函数从当前随机树G中选择一个距离采样点最近的节点Xnear；
3.3、定义搜索步长ρ，目的点的引力系数为k；最近点Xnear分别以步长ρ、kρ向随机点Xrand和目的点Xgoal扩展，再通过公式(2)结合生成一个新节点Xnew；如果Xnear到Xnew的路径未穿过碍航区，则将Xnew添加到扩展随机树G上；否则返回步骤(1)；
Figure GDA0002887076330000031
3.4、当新节点Xnew与目的点Xgoal的距离小于门限时，则扩展停止，连通路径点；否则返回步骤(1)。
4、步骤3中生成的计划航线进行路径优化：
由于初步规划处的路径有可能会出现冗余点，需进行冗余删除；根据步骤3初步生成的计划航线为T1→T2→T3→T4→T5→T6，具体步骤如下：
4.1、判断第1个节点T1到第3个节点T3的路径是否与碍航区发生碰撞，若未发送碰撞，则删除第2个节点T2，下一时刻判断第1个节点T1与第4个节点T4；若发生碰撞，则保留该第2个节点T2，下一时刻判断第2个节点T2与第4个节点T4；
4.2、根据步骤4.1依次向前检查，直到末尾节点，最后得到优化的航线：T1→T4→T6。
5、在船舶航行偏离设定的规划航线时，系统能够给出告警和提示，并实时地动态更新规划航线，保证船舶当前位置到目的地的最优航线生成：
考虑效率和实时性，不能以新的起点和终点重新计算航线生成；具体步骤如下：
5.1、假设船舶当前位置为T0，寻找距离T0最近的航线段T1T2；
5.2、计算T0到T1T2的投影点T；
5.3、如果TT0不经过碍航区，则初始新航线为TT0T2…；如果经过，则利用步骤3重新计算T→T0的航线，由于TT0两点间距离很近，计算时间可忽略，从而生成新航线T…T0T2…；
5.4、利用步骤4进行路径优化得到最终的更新航线。
本发明的有益效果是：本发明能够根据用户输入或从海图中获取的起点、终点自动计算出较优的安全航线，能够在航行偏离计划航线时给出警告和提示，并根据船舶位置和环境的变化实时地动态更新航线，保障人员、船舶的安全，提高航线效率和经济性。另外本发明的效果已在XX海警系统的研制中得到了验证。
附图说明
图1是本发明中基于海图数据的动态航线生成流程图；
图2是本发明中点状碍航区压缩处理示意图；
图3是本发明中线、面状碍航区压缩处理示意图；
图4是本发明中缓冲区生成示意图；
图5是本发明中基于扩展随机树的航线生成流程图；
图6是本发明中路径优化示意图；
图7是本发明中航线动态更新流程图。
具体实施方式
下面结合实例说明一种基于海图数据的动态航线生成方法，参见图1；
本发明中，1、一种基于海图数据的动态航线生成方法，包括地图中碍航区数据的处理：从地图数据中提取和处理碍航区：
通过地图数据访问接口，获取各个区域的属性信息；碍航区根据其形状，可划分为点、面状碍航区；
1.1、点状碍航区处理：
把地图中暗礁、沉船、适淹礁形成的碍航区当成点状碍航区进行处理，点与点之间距离大于500米时，实际情况中可根据安全距离进行调整，直接作为单独的点状碍航区进行处理；对于距离小于500米的点集合，通过Graham算法求得最小凸多边形后存储边界点，具体步骤如下，参见图2：
(1)、找出{P1,P2,...,P5}点集中纵坐标最小的点，若纵坐标相同，则找横坐标最小的点，图例中P1纵坐标最小；以P1为参考点，和点集中其他各点用直线段连接，并计算这些线段与水平线的夹角，方向取逆时针为正，按夹角从小到大对点集进行排序，如果夹角相同，则只保留距离最大的点；
(2)、排序后点集为{P1,P3,P4,P2,P5}，依次连接所有点，得到一个多边形；
(3)、以逆时针方向，根据右手法则确定相邻两向量
Figure GDA0002887076330000051
的外积的方向，垂直
Figure GDA0002887076330000052
确定的平面向上，故保留P3；同样根据判断
Figure GDA0002887076330000053
外积的方向也垂直
Figure GDA0002887076330000054
确定的平面向上，故保留P4；判断
Figure GDA0002887076330000055
外积的方向垂直
Figure GDA0002887076330000056
确定的平面向下，故删除P2；判断
Figure GDA0002887076330000057
外积的方向垂直
Figure GDA0002887076330000058
确定的平面向上，故保留P5；最后形成凸包点集：{P1,P3,P4,P5}；
1.2、面状碍航区处理：
把地图中岛礁、浅滩、低于本船吃水的浅水区域、流向和流速比较复杂的影响船舶正常行驶的区域当成面状碍航区进行处理，所记录的数据点集采用垂距法进行压缩存储，具体方法为：按顶点顺序依次将相邻的三个顶点组成一个三元组，计算中间点到前后两点连线的距离，当计算的距离大于门限时，保留该顶点；否则删除该顶点；直至所有组合处理完毕；所述门限与区域大小有关，设定为300米，参见图3。
2、根据碍航区数据和安全航行距离生成缓冲区来用于计划航线生成：
图4中，所述点状碍航区，以位置点为圆心，安全距离500米为半径的圆作为缓冲区；面状碍航区，采用角平分线法建立缓冲区，具体步骤如下：
2.1、以顺时针方向，计算多边形相邻两顶点连线的角平分线；
2.2、在各点的角平分线的延长线上，以缓冲区半径确定其在前进方向的左侧缓冲区点的位置；设相邻P1、P2两点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)，缓冲区点P'1坐标为(x'1,y'1)，则左侧缓冲点满足：
(x'1-x1)(y2-y1)-(y'1-y1)(x2-x1)＜0 (1)，
2.3、将产生的左侧缓冲点依次相连，即产生缓冲区。
另外，所述系统基于已提取的地图碍航区数据，能够根据改进的扩展随机树方法快速且准确地生成计划航线：
3、用户输入目的地位置，系统从起点开始向目的点进行随机扩展，当扩展节点与目的节点的欧式距离是否小于门限时，两节点相连，路径生成；否则继续扩展；门限与扩展的步长有关，都取为起点与终点距离的一百分之一，在起点距离终点100km时，门限与步长取为1km；参见图5；
3.1、定义Xint为初始点，Xgoal为目的点，首先通过均匀分布随机函数从状态空间中随机选择一个采样点Xrand；状态空间即为路径搜索范围，为了保证路径的搜索效率，搜索范围取由起点、终点确定的范围的1.5倍；
3.2、通过最近搜索函数从当前随机树G中选择一个距离采样点最近的节点Xnear；
3.3、定义搜索步长ρ，目的点的引力系数为k；最近点Xnear分别以步长ρ、kρ向随机点Xrand和目的点Xgoal扩展，再通过公式(2)结合生成一个新节点Xnew；如果Xnear到Xnew的路径未穿过碍航区，则将Xnew添加到扩展随机树G上；否则返回步骤(1)；
Figure GDA0002887076330000061
3.4、当新节点Xnew与目的点Xgoal的距离小于门限时，则扩展停止，连通路径点；否则返回步骤(1)。
4、步骤3中生成的计划航线进行路径优化：
由于初步规划处的路径有可能会出现冗余点，需进行冗余删除；根据步骤3初步生成的计划航线为T1→T2→T3→T4→T5→T6，如图6所述，其具体步骤如下：
4.1、判断第1个节点T1到第3个节点T3的路径是否与碍航区发生碰撞，若未发送碰撞，则删除第2个节点T2，下一时刻判断第1个节点T1与第4个节点T4；若发生碰撞，则保留该第2个节点T2，下一时刻判断第2个节点T2与第4个节点T4；图6示例中为删除第2个节点T2；
4.2、根据步骤4.1依次向前检查，直到末尾节点，最后得到优化的航线：T1→T4→T6。
5、在船舶航行偏离设定的规划航线时，系统能够给出告警和提示，并实时地动态更新规划航线，保证船舶当前位置到目的地的最优航线生成，如图7所示：
考虑效率和实时性，不能以新的起点和终点重新计算航线生成；具体步骤如下：
5.1、假设船舶当前位置为T0，寻找距离T0最近的航线段T1T2；
5.2、计算T0到T1T2的投影点T；
5.3、如果TT0不经过碍航区，则初始新航线为TT0T2…；如果经过，则利用步骤3重新计算T→T0的航线，由于TT0两点间距离很近，计算时间可忽略，从而生成新航线T…T0T2…；
5.4、利用步骤4进行路径优化得到最终的更新航线。
本发明能够根据用户输入或从海图中获取的起点、终点自动计算出较优的安全航线，能够在航行偏离计划航线时给出警告和提示，并根据船舶位置和环境的变化实时地动态更新航线，保障人员、船舶的安全，提高航线效率和经济性。另外本发明的效果已在XX海警系统的研制中得到了验证。

Claims (3)

1.一种基于海图数据的动态航线生成方法，其特征在于，包括地图中碍航区数据的处理，从地图数据中提取和处理碍航区：
通过地图数据访问接口，获取各个区域的属性信息；碍航区根据其形状，划分为点、面状碍航区；
1.1、点状碍航区处理：
把地图中暗礁、沉船、适淹礁形成的碍航区当成点状碍航区进行处理，点与点之间距离大于500米时，实际情况中根据安全距离进行调整，直接作为单独的点状碍航区进行处理；对于距离小于500米的点集合，通过Graham算法求得最小凸多边形后存储边界点，具体步骤如下，
(1)、找出{P1,P2,...,P5}点集中纵坐标最小的点，若纵坐标相同，则找横坐标最小的点，图例中P1纵坐标最小；以P1为参考点，和点集中其他各点用直线段连接，并计算这些线段与水平线的夹角，方向取逆时针为正，按夹角从小到大对点集进行排序，如果夹角相同，则只保留距离最大的点；
(2)、排序后点集为{P1,P3,P4,P2,P5}，依次连接所有点，得到一个多边形；
(3)、以逆时针方向，根据右手法则确定相邻两向量
Figure FDA0002887076320000011
的外积的方向，垂直
Figure FDA0002887076320000012
确定的平面向上，故保留P3；同样根据判断
Figure FDA0002887076320000013
外积的方向也垂直
Figure FDA0002887076320000014
确定的平面向上，故保留P4；判断
Figure FDA0002887076320000015
外积的方向垂直
Figure FDA0002887076320000016
确定的平面向下，故删除P2；判断
Figure FDA0002887076320000017
外积的方向垂直
Figure FDA0002887076320000018
确定的平面向上，故保留P5；最后形成凸包点集：{P1,P3,P4,P5}；
1.2、面状碍航区处理：
把地图中岛礁、浅滩、低于本船吃水的浅水区域、流向和流速比较复杂的影响船舶正常行驶的区域当成面状碍航区进行处理，所记录的数据点集采用垂距法进行压缩存储，具体方法为：按顶点顺序依次将相邻的三个顶点组成一个三元组，计算中间点到前后两点连线的距离，当计算的距离大于门限时，保留该顶点；否则删除该顶点；直至所有组合处理完毕；
具体的；一、根据碍航区数据和安全航行距离生成缓冲区来用于计划航线生成：
所述点状碍航区，以位置点为圆心，安全距离500米为半径的圆作为缓冲区；面状碍航区，采用角平分线法建立缓冲区，具体步骤如下：
2.1、以顺时针方向，计算多边形相邻两顶点连线的角平分线；
2.2、在各点的角平分线的延长线上，以缓冲区半径确定其在前进方向的左侧缓冲区点的位置；设相邻P1、P2两点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)，缓冲区点P1'坐标为(x′1,y′1)，则左侧缓冲点满足：
(x′1-x1)(y2-y1)-(y′1-y1)(x2-x1)＜0 (1)，
2.3、将产生的左侧缓冲点依次相连，即产生缓冲区；
二、基于已提取的地图碍航区数据，能够根据改进的扩展随机树方法快速且准确地生成计划航线：
用户输入目的地位置，系统从起点开始向目的点进行随机扩展，当扩展节点与目的节点的欧式距离小于门限时，两节点相连，路径生成；否则继续扩展；门限与扩展的步长有关，都取为起点与终点距离的一百分之一，在起点距离终点100km时，门限与步长取为1km；
3.1、定义Xint为初始点，Xgoal为目的点，首先通过均匀分布随机函数从状态空间中随机选择一个采样点Xrand；状态空间即为路径搜索范围，为了保证路径的搜索效率，搜索范围取由起点、终点确定的范围的1.5倍；
3.2、通过最近搜索函数从当前随机树G中选择一个距离采样点最近的节点Xnear；
3.3、定义搜索步长ρ，目的点的引力系数为k；最近点Xnear分别以步长ρ、kρ向随机点Xrand和目的点Xgoal扩展，再通过公式(2)结合生成一个新节点Xnew；如果Xnear到Xnew的路径未穿过碍航区，则将Xnew添加到扩展随机树G上；否则返回步骤(1)；
Figure FDA0002887076320000021
3.4、当新节点Xnew与目的点Xgoal的距离小于门限时，则扩展停止，连通路径点；否则返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于海图数据的动态航线生成方法，其特征在于，对步骤3中生成的计划航线进行路径优化：
由于初步规划处的路径有可能会出现冗余点，需进行冗余删除；根据步骤3初步生成的计划航线为T1→T2→T3→T4→T5→T6，具体步骤如下：
4.1、判断第1个节点T1到第3个节点T3的路径是否与碍航区发生碰撞，若未发送碰撞，则删除第2个节点T2，下一时刻判断第1个节点T1与第4个节点T4；若发生碰撞，则保留该第2个节点T2，下一时刻判断第2个节点T2与第4个节点T4；
4.2、根据步骤4.1依次向前检查，直到末尾节点，最后得到优化的航线：T1→T4→T6。
3.根据权利要求1所述的一种基于海图数据的动态航线生成方法，其特征在于，在船舶航行偏离设定的规划航线时，系统能够给出告警和提示，并实时地动态更新规划航线，保证船舶当前位置到目的地的最优航线生成：
考虑效率和实时性，不能以新的起点和终点重新计算航线生成；具体步骤如下：
5.1、假设船舶当前位置为T0，寻找距离T0最近的航线段T1T2；
5.2、计算T0到T1T2的投影点T；
5.3、如果TT0不经过碍航区，则初始新航线为TT0T2…；如果经过，则利用步骤3重新计算T→T0的航线，由于TT0两点间距离很近，忽略计算时间，从而生成新航线T…T0T2…；
5.4、利用步骤4进行路径优化得到最终的更新航线。
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