CN111061166A - 智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统，包括测试方案加载模块、航线规划测试模式选择模块、海洋环境模拟模块、船舶性能设置模块、测试起止模块、测试结果显示模块和功能评价模块；测试起止模块与测试方案加载模块通讯连接，测试起止模块与航线规划测试模式选择模块通讯连接，测试起止模块与海洋环境模拟模块通讯连接，测试起止模块与船舶设置模块通讯连接，测试结果显示模块与测试起止模块通讯连接，功能评价模块与测试结果显示模块通讯连接。本发明还提供一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法。进行仿真测试时，能够更加方便、快捷地搭建仿真测试环境，节省大量的测试时间。

Description

智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及智能船舶测试技术领域，尤其涉及一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统及方法。

背景技术

为保证智能船舶实船测试时的安全，首先应该针对智能船舶的各项功能进行计算机仿真测试，以确保各功能能够正常运行，只有当所有功能都测试合格时才能进行相应的实船测试。

智能船舶的全局路径规划功能是指智能船舶根据已知的海洋环境在保证安全的前提下规划出一条从起点到终点的最优路径，对于智能船舶的航行至关重要。现有中常利用MATLAB进行仿真来验证智能船舶全局路径规划功能的优劣，但是仿真之前需要进行一系列复杂的程序编译，并且测试环境比较单一，不能考虑全球各地区在不同季节的季风和洋流的环境变化问题。

因此，亟需一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统及方法。

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，本发明提供了一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统及方法。进行仿真测试时，能够更加方便、快捷地搭建仿真测试环境，节省大量的测试时间。

(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：

一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统，包括测试方案加载模块、航线规划测试模式选择模块、气象环境模拟模块、船舶性能设置模块、测试起止模块、测试结果显示模块和功能评价模块。

测试方案加载模块，用于加载待测全局路径规划算法。航线规划测试模式选择模块，用于选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港。海洋环境模拟模块，用于设置海洋环境参数。船舶设置模块，用于设置船舶的相关参数。测试起止模块与测试方案加载模块通讯连接，测试起止模块与航线规划测试模式选择模块通讯连接，测试起止模块与海洋环境模拟模块通讯连接，测试起止模块与船舶设置模块通讯连接，用于接收待测全局路径规划算法、要测试的航线模式及相应的出发港与到达港信息、海洋环境信息和船舶信息，进行仿真测试和终止仿真测试。测试结果显示模块与测试起止模块通讯连接，用于监控仿真测试过程，并显示监控信息。功能评价模块与测试结果显示模块通讯连接，用于依据监控信息，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

优选地，还包括测试方案导入模块，测试方案导入模块包括用于存储全局路径规划算法的数据库；测试方案加载模块与测试方案导入模块通讯连接，用于从数据库中选择待测全局路径规划算法。

优选地，海洋环境模拟模块包括季风洋流设置单元、台风设置单元和自定义环境设置单元；季风洋流设置单元与航线规划测试模式选择模块通讯连接，用于设置季节模式，并依据季节模式和出发港与到达港信息，生成季风参数和洋流参数；台风设置单元，用于设置台风的等级、移动路径和移动速度；自定义环境设置单元，用于设置特定航行区域内的气象和水文参数。

优选地，船舶设置模块包括船舶基本参数设置单元和船舶性能参数设置单元；船舶基本参数设置单元，用于设置船舶的船长、船宽、型深和吃水；船舶性能参数设置单元，用于设置船舶的耐风浪等级和操纵性能。

优选地，测试结果显示模块包括航线显示单元、航线实时数据显示单元和航线统计数据显示单元。航线显示单元，用于将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示。航线实时数据显示单元，用于显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线。航线统计数据显示单元，用于显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。

优选地，还包括测试数据保存导出模块，测试数据保存导出模块与功能评价模块通讯连接，用于将仿真测试的数据进行保存和导出。

一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法，包括以下步骤：

S1、根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法；根据航线规划测试模式选择模块，选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港；根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数；根据船舶设置模块，设置船舶的相关参数。

S2、根据测试起止模块，进行仿真测试和终止仿真测试。

S3、根据测试结果显示模块，监控仿真测试过程，并显示监控信息；根据功能评价模块，对监控信息进行处理，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

作为本发明方法的一种改进，在步骤S1之前，还包括：将全局路径规划算法存入测试方案导入模块；将沿海航线信息、近洋航线信息和远洋航线信息存入航线规划测试模式选择模块；将经验统计获得的每一种航线模式下的海洋静态环境在不同季节的季风洋流信息存入气象环境模拟模块。

作为本发明方法的一种改进，根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法，包括：根据测试方案加载模块，从测试方案导入模块选择并加载待测全局路径规划算法。根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数，包括：根据季风洋流设置单元，设置季节模式，并依据季节模式和航线信息，生成季风参数和洋流参数。根据台风设置单元，设置台风的等级、移动路径和移动速度。根据自定义环境设置单元，设置特定航行区域内的气象和水文参数。

作为本发明方法的一种改进，显示监控信息，包括：根据航线显示单元，将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示，理想路径包括经验丰富的船舶驾驶员在相同仿真条件下模拟得到的航线。根据航线实时数据显示单元，显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线。根据航线统计数据显示单元，显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统，能够更加方便、快捷地搭建仿真测试环境，对全局路径规划算法进行仿真测试，节省大量的测试时间。

2、通过将测试方案加载模块与测试方案导入模块通讯连接，可以实现一次性加载多个待测算法进行仿真测试，也可以实现连续加载多个待测算法进行仿真测试，增强仿真测试系统测试的灵活性，同时使仿真测试系统能够在同一环境下对比多个不同的待测算法，提高测试结果的可靠性。

3、季风洋流设置单元为搭建的仿真环境考虑了全球各地区在不同季节的季风和洋流的环境变化；台风设置单元和自定义环境设置单元为搭建的仿真环境考虑了突发的环境变化，比如移动的台风，海上即时的风、浪、流、雷雨、雾等；仿真更加逼真的海上环境情况，实现对动态环境下的待测算法进行测试。

4、本发明提供的智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法中，选用的理想路径为经验丰富的船舶驾驶员在相同仿真条件下模拟得到的航线；该理想路径是最贴近实际的安全航线，仿真路径与该理想路径对比能更准确体现全局路径规划算法的优劣。

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智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法的流程图。

【附图标记说明】

1：测试方案导入模块；

2：测试方案加载模块；

3：航线规划测试模式选择模块；

4：海洋环境模拟模块；41：季风洋流设置单元；42：台风设置单元；43：自定义环境设置单元；

5：船舶设置模块；51：船舶基本参数设置单元；52：船舶性能参数设置单元；

6：测试起止模块；

7：测试结果显示模块；71：航线显示单元；72：航线实时数据显示单元；73：航线统计数据显示单元；

8：功能评价模块；

9：测试数据保存导出模块。

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。

本发明提供一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统，如图1所示，包括测试方案加载模块2、航线规划测试模式选择模块3、气象环境模拟模块4、船舶设置模块5、测试起止模块6、测试结果显示模块7和功能评价模块8。

测试方案加载模块2，用于加载待测全局路径规划算法。航线规划测试模式选择模块3，用于选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港。海洋环境模拟模块4，用于设置海洋环境参数。船舶设置模块5，用于设置船舶的相关参数。测试起止模块6与测试方案加载模块2通讯连接，测试起止模块6与航线规划测试模式选择模块3通讯连接，测试起止模块6与海洋环境模拟模块4通讯连接，测试起止模块6与船舶设置模块5通讯连接，用于接收待测全局路径规划算法、要测试的航线模式及相应的出发港与到达港信息、海洋环境信息和船舶信息，进行仿真测试和终止仿真测试。测试结果显示模块7与测试起止模块6通讯连接，用于监控仿真测试过程，并显示监控信息。功能评价模块8与测试结果显示模块7通讯连接，用于依据监控信息，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

本发明提供的仿真测试系统能够更加方便、快捷地搭建仿真测试环境，对全局路径规划算法进行仿真测试，节省大量的测试时间。

优选地，仿真测试系统还包括测试方案导入模块1，测试方案导入模块1包括用于存储全局路径规划算法的数据库；测试方案加载模块2与测试方案导入模块1通讯连接，用于从数据库中选择待测全局路径规划算法。可以实现一次性加载多个待测算法进行仿真测试，也可以实现连续加载多个待测算法进行仿真测试，增强仿真测试系统测试的灵活性，同时使仿真测试系统能够在同一环境下对比多个不同的待测算法，提高测试结果的可靠性。

优选地，海洋环境模拟模块4包括季风洋流设置单元41、台风设置单元42和自定义环境设置单元43；季风洋流设置单元41与航线规划测试模式选择模块3通讯连接，用于设置季节模式，并依据季节模式和出发港与到达港信息，生成季风参数和洋流参数；台风设置单元42，用于设置台风的等级、移动路径和移动速度；自定义环境设置单元43，用于设置特定航行区域内的气象和水文参数。季风洋流设置单元为搭建的仿真环境考虑了全球各地区在不同季节的季风和洋流的环境变化；台风设置单元和自定义环境设置单元为搭建的仿真环境考虑了突发的环境变化，比如移动的台风，海上即时的风、浪、流、雷雨、雾等；仿真更加逼真的海上环境情况，实现对动态环境下的待测算法进行测试。

优选地，船舶设置模块5包括船舶基本参数设置单元51和船舶性能参数设置单元52；船舶基本参数设置单元51，用于设置船舶的船长、船宽、型深和吃水；船舶性能参数设置单元52，用于设置船舶的耐风浪等级和操纵性能。

优选地，测试结果显示模块7包括航线显示单元71、航线实时数据显示单元72和航线统计数据显示单元73；航线显示单元71，用于将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示；航线实时数据显示单元72，基于仿真测试过程，显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线；航线统计数据显示单元73，基于仿真测试过程和航线实时数据，显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。监控信息全面，提高测试结果的可靠性。

优选地，仿真测试系统还包括测试数据保存导出模块9，测试数据保存导出模块9与功能评价模块8通讯连接，用于将仿真测试的数据进行保存和导出。其中，可以导出为doc、xls或txt格式的文件。

本发明还提供一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法，如图2所示，包括以下步骤：

A1、将全局路径规划算法存入测试方案导入模块；将沿海航线信息、近洋航线信息和远洋航线信息存入所述航线规划测试模式选择模块；将经验统计获得的每一种航线模式下的海洋静态环境在不同季节的季风洋流信息存入所述气象环境模拟模块。

具体地，沿海航线信息包括北方沿海—南方沿海航线、北方沿海—北方沿海航线、南方沿海—南方沿海航线、南方沿海—北方沿海航线。北方沿海航区港口包括大连、秦皇岛、天津、烟台、青岛、连云港、上海和宁波；南方沿海航区港口包括广州、厦门、汕头、湛江和海口。

近洋航线信息包括中国—韩国航线、中国—日本航线、中国—俄罗斯远东地区航线、中国—新加坡航线、中国—澳新航线。中国—韩国航线的到达港口包括青津、仁川、釜山；中国—日本航线的到达港口包括神户、大阪、东京、横滨；中国—俄罗斯远东地区航线的到达港口包括纳霍德卡、东方港、海参崴、苏维埃港；中国—新加坡航线的到达港口包括新加坡港；中国—澳新航线的到达港口包括墨尔本、布里斯班、黑德兰、韦里曼特尔、悉尼、奥克兰、惠灵顿港。

远洋航线信息包括中国—北美航线、中国—中南美航线、中国—西欧航线、中国—北欧航线、中国—东非航线、中国—西非航线。中国—北美航线的到达港口包括洛杉矶、西雅图；中国—中南美航线的到达港口包括卡亚俄、伊基克；中国—西欧航线的到达港口包括里斯本、利物浦、伯明翰；中国—北欧航线的到达港口包括列宁格勒、埃斯堡；中国—东非航线的到达港口包括摩加迪沙、路易；中国—西非航线的到达港口包括拉格斯、达客尔。

A2、根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法；根据航线规划测试模式选择模块，选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港；根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数；根据船舶设置模块，设置船舶的相关参数。

具体地，根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法，包括：根据测试方案加载模块，从测试方案导入模块选择并加载待测全局路径规划算法。

具体地，根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数，包括：根据季风洋流设置单元，设置季节模式，并依据季节模式和航线信息，生成季风参数和洋流参数；根据台风设置单元，设置台风的等级、移动路径和移动速度；根据自定义环境设置单元，设置特定航行区域内的气象和水文参数。

具体地，根据船舶设置模块，设置船舶的相关参数，包括：根据船舶基本参数设置单元，设置船舶的船长、船宽、型深和吃水；根据船舶性能参数设置单元，设置船舶的耐风浪等级和操纵性能。

A3、根据测试起止模块，进行仿真测试和终止仿真测试。

A4、根据测试结果显示模块，监控仿真测试过程，并显示监控信息；根据功能评价模块，对监控信息进行处理，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

具体地，显示监控信息，包括：根据航线显示单元，将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示，理想路径包括经验丰富的船舶驾驶员在相同仿真条件下模拟得到的航线；该理想路径是最贴近实际的安全航线，仿真路径与该理想路径对比能更准确体现全局路径规划算法的优劣。根据航线实时数据显示单元，显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线。根据航线统计数据显示单元，显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。

具体地，根据功能评价模块，对监控信息进行处理，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示百分制评价结果。

A5、根据测试数据保存导出模块，保存和导出仿真测试的数据。

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 (10)

1.一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试系统，其特征在于，包括测试方案加载模块、航线规划测试模式选择模块、气象环境模拟模块、船舶性能设置模块、测试起止模块、测试结果显示模块和功能评价模块；

所述测试方案加载模块，用于加载待测全局路径规划算法；

所述航线规划测试模式选择模块，用于选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港；

所述海洋环境模拟模块，用于设置海洋环境参数；

所述船舶设置模块，用于设置船舶的相关参数；

所述测试起止模块与所述测试方案加载模块通讯连接，所述测试起止模块与所述航线规划测试模式选择模块通讯连接，所述测试起止模块与所述海洋环境模拟模块通讯连接，所述测试起止模块与所述船舶设置模块通讯连接，用于接收待测全局路径规划算法、要测试的航线模式及相应的出发港与到达港信息、海洋环境信息和船舶信息，进行仿真测试和终止仿真测试；

所述测试结果显示模块与所述测试起止模块通讯连接，用于监控仿真测试过程，并显示监控信息；

所述功能评价模块与所述测试结果显示模块通讯连接，用于依据所述监控信息，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括测试方案导入模块，所述测试方案导入模块包括用于存储全局路径规划算法的数据库；

所述测试方案加载模块与所述测试方案导入模块通讯连接，用于从所述数据库中选择待测全局路径规划算法。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海洋环境模拟模块包括季风洋流设置单元、台风设置单元和自定义环境设置单元；

所述季风洋流设置单元与所述航线规划测试模式选择模块通讯连接，用于设置季节模式，并依据季节模式和出发港与到达港信息，生成季风参数和洋流参数；

所述台风设置单元，用于设置台风的等级、移动路径和移动速度；

所述自定义环境设置单元，用于设置特定航行区域内的气象和水文参数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述船舶设置模块包括船舶基本参数设置单元和船舶性能参数设置单元；

所述船舶基本参数设置单元，用于设置船舶的船长、船宽、型深和吃水；所述船舶性能参数设置单元，用于设置船舶的耐风浪等级和操纵性能。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试结果显示模块包括航线显示单元、航线实时数据显示单元和航线统计数据显示单元；

所述航线显示单元，用于将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示；

所述航线实时数据显示单元，用于显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线；

所述航线统计数据显示单元，用于显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括测试数据保存导出模块，所述测试数据保存导出模块与所述功能评价模块通讯连接，用于将仿真测试的数据进行保存和导出。

7.一种智能船舶全局路径规划功能计算机仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法；根据航线规划测试模式选择模块，选择要测试的航线模式及相应的出发港与到达港；根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数；根据船舶设置模块，设置船舶的相关参数；

S2、根据测试起止模块，进行仿真测试和终止仿真测试；

S3、根据测试结果显示模块，监控仿真测试过程，并显示监控信息；根据功能评价模块，对所述监控信息进行处理，评价智能船舶全局路径规划功能，并显示评价结果。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括：

将全局路径规划算法存入测试方案导入模块；

将沿海航线信息、近洋航线信息和远洋航线信息存入所述航线规划测试模式选择模块；

将经验统计获得的每一种航线模式下的海洋静态环境在不同季节的季风洋流信息存入所述气象环境模拟模块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述根据测试方案加载模块，加载待测全局路径规划算法，包括：根据所述测试方案加载模块，从所述测试方案导入模块选择并加载待测全局路径规划算法；

所述根据海洋环境模拟模块，设置海洋环境参数，包括：根据季风洋流设置单元，设置季节模式，并依据所述季节模式和航线信息，生成季风参数和洋流参数；根据台风设置单元，设置台风的等级、移动路径和移动速度；根据自定义环境设置单元，设置特定航行区域内的气象和水文参数。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述显示监控信息，包括：

根据航线显示单元，将仿真测试生成的路径和理想路径进行实时显示，所述理想路径包括经验丰富的船舶驾驶员在相同仿真条件下模拟得到的航线；

根据航线实时数据显示单元，显示仿真路径实时交通量曲线、仿真路径曲率实时变化曲线、仿真路径与气象区边缘的距离实时变化曲线、航道宽度与船宽的比值实时变化曲线、仿真路径水深与船舶吃水的比值实时变化曲线；

根据航线统计数据显示单元，显示仿真路径方向的变化次数、最大仿真路径曲率、仿真路径与气象区的最短垂直距离、航道宽度与船宽比值的最小值、仿真路径水深与船舶吃水比值的最小值、水上建筑物的类型和数量、预计航行时间数据。

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