CN110986943B - 一种船舶航行路径智能优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种船舶航行路径智能优化方法，包括：S1、获取船舶的参考路径；S2、从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点；S3、对S2中四个目标点进行自动分析及整合，包括删除不必要的拐点和对多个相邻拐点进行有条件合并；S4、若初始路径点满足输出条件，输出船舶的优化路径，否则令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，重复步骤S2。减少航路长度及船舶转向次数，提高航行经济性。

Description

一种船舶航行路径智能优化方法及装置

技术领域

本发明涉及航行路径规划技术领域，尤其涉及一种船舶航行路径智能优化方法及装置。

背景技术

航路规划是海上船舶航行的前提条件之一。随着技术的不断进步，目前有两种航路规划方法，分别是船长经验手动规划以及通过相关算法自动生成航路。然而由于手动误差、算法规则与船只工艺间的差异，规划的航路可能存在拐点及航迹段过多、不是最优航路等问题，从而引起船舶能耗不必要的浪费，因此有必要对已有航路上的拐点进行自动整合，通过减少航路拐点及航迹段个数来降低航路长度，从而保证船舶航行经济性。

故亟需一种船舶航行路径智能优化方法及装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种船舶航行路径智能优化方法及装置。解决原航路存在的航路拐点过多、转向次数过多、航路过长、转向角度过大等问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种船舶航行路径智能优化方法，包括以下步骤：

S1、获取船舶的参考路径，参考路径的路径点包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点。

S2、从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点。

S3、判断船舶在第一目标点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件，若满足，删除路径点中第二目标点对应的拐点，并重复步骤S2；若不满足且存在第四目标点，进行步骤S4，否则进行步骤S5。

S4、判断第一目标点向第二目标点发出的射线与第三目标点和第四目标点确定的路径直线是否存在交点。

若存在，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段上，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件，若均满足，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，并向路径点集合中插入交点，重复步骤S2，否则进行步骤S5。

若存在，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段外，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件，若均满足，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，并向路径点集合中插入交点，重复步骤S2，否则进行步骤S5。

若不存在，进行步骤S5。

S5、若初始路径点满足输出条件，输出船舶的优化路径；否则令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，重复步骤S2。

作为本发明方法的一种改进，安全条件包括：船舶距不可通行区域的最小距离大于10倍船长。

作为本发明方法的一种改进，不可通行区域包括海上岛屿区域、海上恶劣天气影响区域和因交通管制的临时限航区域。

作为本发明方法的一种改进，第一转向条件包括：交点和第四目标点确定的路径段长度大于10倍船长。

作为本发明方法的一种改进，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件后，还包括：判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足第二转向条件。

作为本发明方法的一种改进，第二转向条件包括：在第二目标点、第三目标点和交点组成的三角形中以交点为顶点的角度小于45°。

作为本发明方法的一种改进，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件后，还包括：判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足第三转向条件。

作为本发明方法的一种改进，第三转向条件包括：在第二目标点、第三目标点和交点组成的三角形中以交点为顶点的角度大于135°。

一种船舶航行路径智能优化装置，包括

获取单元，用于获取船舶的参考路径，参考路径的路径点集合包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点。

设置单元，用于从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点。

第一判断单元，用于判断船舶在第一目标点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件。

第一确定单元，用于当满足安全条件时，删除路径点中第二目标点对应的拐点，并指示设置单元重复工作。

第二判断单元，用于当不满足安全条件时，判断第一目标点向第二目标点发出的射线与第三目标点和第四目标点确定的路径直线是否存在交点。

第三判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段上，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件。

第二确定单元，用于当满足第三判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作。

第四判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段外，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件。

第三确定单元，用于当满足第四判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作。

第五判断单元，用于当不满足第三判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不满足第四判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不存在交点时，判断初始路径点是否满足输出条件。

第四确定单元，用于当满足输出条件时，输出船舶的优化路径；用于当不满足输出条件时，令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，并指示设置单元重复工作。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明能够对已有航路拐点集合进行自动分析及整合，通过后台计算删除不必要的拐点以及对多个相邻拐点进行有条件合并，减少航路长度及船舶转向次数，提高航行经济性。

2、本发明充分考虑了船舶安全性及船舶操纵性能，使优化后的航路更加适合船舶的海上航行。

3、本发明将海上恶劣天气影响区域及因交通管制的临时限航区域均考虑为船舶不可通行区域，海上航行场景考虑的更为全面。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1为本发明具体实施方式中船舶航行路径智能优化方法流程图；

图2为本发明具体实施方式中删除不必要拐点的示意图；

图3为本发明具体实施方式中第一种相邻拐点进行有条件合并的示意图；

图4为本发明具体实施方式中第二种相邻拐点进行有条件合并的示意图。

图5为本发明具体实施方式中船舶航行路径智能优化装置的示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明的是，本发明方法适用的船舶的参考路径包括整体路径及特定局部路径。

本发明提供一种船舶航行路径智能优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、获取船舶的参考路径，参考路径的路径点集合包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点。

具体地，参考路径的路径点个数为n，令初始路径点i＝1,1≤i≤n-3。

步骤S2、从初始路径点i开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点。

具体地，令第一目标点A为i，第二目标点B为i+1，第三目标点C为i+2，第四目标点D为i+3。

步骤S3、判断船舶在第一目标点A和第三目标点C确定的路径段上航行是否满足安全条件，若满足，删除路径点中第二目标点B对应的拐点，如图2所示，并重复步骤S2；若不满足且存在第四目标点，进行步骤S4，否则进行步骤S5。

优选地，安全条件包括：船舶距不可通行区域的最小距离大于10倍船长；防止船舶与海上不可通行区域距离过近，保证船舶航行安全性。不可通行区域包括海上岛屿区域、海上恶劣天气影响区域和因交通管制的临时限航区域。

具体地，判断A点与C点间的线段距不可通行区域的最小距离是否大于10倍船长如下：

d-r≥10length

其中，U为不可通行区域的中心点，d为线段AC与U点的最短距离，a、b、c分别为直线AC方程参数，U_x为U点横坐标，U_y为U点纵坐标，length为船长，r为不可通行区域半径。

步骤S4、判断第一目标点A向第二目标点B发出的射线与第三目标点C和第四目标点D确定的路径直线是否存在交点。

若存在交点P₁，交点P₁在第三目标点C和第四目标点D确定的路径段上，判断船舶在第二目标点B和交点P₁确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点P₁和第四目标点D确定的路径段上航行是否满足第一转向条件，若均满足，删除路径点中第二目标点B和第三目标点C对应的拐点，并向路径点集合中插入交点P₁，如图3所示，重复步骤S2，否则进行步骤S5。

优选地，判断船舶在第二目标点B和交点P₁确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点P₁和第四目标点D确定的路径段上航行是否满足第一转向条件后，还包括：判断船舶在第二目标点B和交点P₁确定的路径段上航行是否满足第二转向条件。

进一步优选地，第一转向条件包括：交点P₁和第四目标点D确定的路径段长度大于10倍船长，防止两个相邻拐点间距离过近，保证每个航迹段上船舶均可实现完全转向；第二转向条件包括：在第二目标点B、第三目标点C和交点P₁组成的三角形中以交点P₁为顶点的角度小于45°，即arccos[(BP² ₁+CP² ₁-BC²)/(2BP₁*CP₁)]<45°，防止船舶转向角度过大，保证船舶转向的平滑性及稳定性。

若存在交点P₂，交点P₂在第三目标点C和第四目标点D确定的路径段外，判断船舶在第二目标点B和交点P₂确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点P₂和第三目标点C确定的路径段上航行是否满足安全条件，若均满足，删除路径点中第二目标点B和第三目标点C对应的拐点，并向路径点集合中插入交点P₂，如图4所示，重复步骤S2，否则进行步骤S5；

优选地，判断船舶在第二目标点B和交点P₂确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点P₂和第三目标点C确定的路径段上航行是否满足安全条件后，还包括：判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足第三转向条件，第三转向条件包括：在第二目标点、第三目标点和交点组成的三角形中以交点为顶点的角度大于135°，防止船舶转向角度过大，保证船舶转向的平滑性及稳定性。

若不存在，进行步骤S5。

步骤S5、若初始路径点满足输出条件，输出船舶的优化路径，否则令第二目标点B对应的拐点作为初始路径点，重复步骤S2。

综上所述，本发明方法使航路优化的更加精确，能够充分解决原航路可能存在的航路拐点过多、转向次数过多、航路过长、转向角度过大等问题。本发明方法充分考虑了船舶安全性及船舶操纵性能，使优化后的航路更加适合船舶的海上航行。本发明方法充分考虑了海上气象条件及临时限航等不同通行区域对船舶航行的影响因素，进一步提高优化航路的适应程度。

本发明还提供一种船舶航行路径智能优化装置，如图5所示，包括：

获取单元，用于获取船舶的参考路径，参考路径的路径点集合包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点。

设置单元，用于从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点。

第一判断单元，用于判断船舶在第一目标点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件。

第一确定单元，用于当满足安全条件时，删除路径点中第二目标点对应的拐点，并指示设置单元重复工作。

第二判断单元，用于当不满足安全条件时，判断第一目标点向第二目标点发出的射线与第三目标点和第四目标点确定的路径直线是否存在交点。

第三判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段上，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件。

第二确定单元，用于当满足第三判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作。

第四判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段外，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件。

第三确定单元，用于当满足第四判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作。

第五判断单元，用于当不满足第三判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不满足第四判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不存在交点时，判断初始路径点是否满足输出条件。

第四确定单元，用于当满足输出条件时，输出船舶的优化路径；用于当不满足输出条件时，令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，并指示设置单元重复工作。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种船舶航行路径智能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取船舶的参考路径，参考路径的路径点集合包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点；

S2、从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点；

S3、判断船舶在第一目标点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件，若满足，删除路径点中第二目标点对应的拐点，并重复步骤S2；若不满足且存在第四目标点，进行步骤S4，否则进行步骤S5；

S4、判断第一目标点向第二目标点发出的射线与第三目标点和第四目标点确定的路径直线是否存在交点；

若存在，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段上，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件，若均满足，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，并向路径点集合中插入交点，重复步骤S2，否则进行步骤S5；

若存在，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段外，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件，若均满足，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，并向路径点集合中插入交点，重复步骤S2，否则进行步骤S5；

若不存在，进行步骤S5；

S5、若初始路径点满足输出条件，输出船舶的优化路径；否则令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，重复步骤S2；

所述安全条件包括：船舶距不可通行区域的最小距离大于10倍船长；所述第一转向条件包括：交点和第四目标点确定的路径段长度大于10倍船长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不可通行区域包括海上岛屿区域、海上恶劣天气影响区域和因交通管制的临时限航区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件后，还包括：判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足第二转向条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二转向条件包括：在第二目标点、第三目标点和交点组成的三角形中以交点为顶点的角度小于45°。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件后，还包括：判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足第三转向条件。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三转向条件包括：在第二目标点、第三目标点和交点组成的三角形中以交点为顶点的角度大于135°。

7.一种船舶航行路径智能优化装置，其特征在于，包括

获取单元，用于获取船舶的参考路径，参考路径的路径点集合包括起点、拐点和终点；并将起点作为初始路径点；

设置单元，用于从初始路径点开始，按顺序将路径点依次赋值于第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点；

第一判断单元，用于判断船舶在第一目标点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件；

第一确定单元，用于当满足安全条件时，删除路径点中第二目标点对应的拐点，并指示设置单元重复工作；

第二判断单元，用于当不满足安全条件时，判断第一目标点向第二目标点发出的射线与第三目标点和第四目标点确定的路径直线是否存在交点；

第三判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段上，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第四目标点确定的路径段上航行是否满足第一转向条件；

第二确定单元，用于当满足第三判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作；

第四判断单元，用于当存在交点，且交点在第三目标点和第四目标点确定的路径段外，判断船舶在第二目标点和交点确定的路径段上航行是否满足安全条件、在交点和第三目标点确定的路径段上航行是否满足安全条件；

第三确定单元，用于当满足第四判断单元条件时，删除路径点中第二目标点和第三目标点对应的拐点，向路径点中插入交点，并指示设置单元重复工作；

第五判断单元，用于当不满足第三判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不满足第四判断单元条件时，判断初始路径点是否满足输出条件；用于当不存在交点时，判断初始路径点是否满足输出条件；

第四确定单元，用于当满足输出条件时，输出船舶的优化路径；用于当不满足输出条件时，令第二目标点对应的拐点作为初始路径点，并指示设置单元重复工作。

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