CN111624998A - 一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，包括以下步骤：通过判断气旋运动与海流流向构建船舶航向时间优化函数F(t)＝t₁+t₂。其优点在于，该算法有效改进了传统船舶航迹优化算法，通过初步分析船舶航行阶段运动，进行了更为贴合实际的船舶路径优化的初步分析，本发明计算精度提高较大，实用性更高，为后续以实际海况考虑船舶路径优化的深化研究进行了有益探索。

Description

一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法

技术领域

本发明涉及海上通用航行船舶测量分析及安全通航领域，具体涉及一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法。

背景技术

船舶航迹控制及优化是现代高性能船舶智能化的重要体现。船舶航迹优化是指航迹规划完成后，系统根据船舶航行转弯半径对航迹进行最优化处理，制定出适合的航行路线。船舶航行运动不仅仅取决于船舶自身动力与操纵系统，所处的海洋环境动态变化对船舶航线调整及航行安全也产生直接影响，其中，海洋气象环境、海洋海流水文环境等对船舶航行具有显著影响。由于船舶航行上层建筑迎风面积较大，加之海洋水阻力占总阻力成分更高，因此船舶航行偏航力矩显著，迫使船舶偏离既定航线，因此，有效利用海流流向条件，规避危险气象环境，对船舶整体运营具有重要意义。

目前，针对船舶航行航迹优化，主要利用传统的机器学习技术基于船舶历史航行动态数据统计分析船舶航迹，继而进行航迹优化设计，或者按照简单运动学方程推算船舶航行迹象，忽视了海洋气象预测预报对船舶航迹的影响，在实际应用中不能达到满意效果，此类方法忽视了海流运动、海洋气象对船舶航行的导航作用，大多以简单噪声方法模拟海洋环境的微尺度影响，对航迹优化总体规划影响不大。因此，针对性地开展基于海流运动、海洋气旋预测规避的船舶航迹实时优化方法研究具有实际需求的必要性。

发明内容

为了解决上述问题，进一步研究实际海洋海流流向及极端气旋现象对船舶航行航迹的影响，本发明提供了一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，该发明基于实时海流运动及气旋运动监测，以全程最短航行时间为优化目标，将船舶航行分阶段进行路径优化。本发明算法更加贴合实际船舶航行工况具有计算精度高，可靠性强，满足常规海况条件下船舶航行路径优化需求。技术方案为：

一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，包括以下步骤：

S1.判断航行海域内是否有气旋产生并对航行产生影响；

S2.若不存在气旋或气旋没有对对航行产生影响，则只需要判断船舶航向角与海流流向角偏差是否小于阈值，若船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，按预定航线、速度航行，船舶从起点到终点所用时间为t₀；

S3.若存在气旋并对航行产生影响，根据气旋中心位置离船舶起点距离与气旋中心位置离船舶终点的距离的大小，判断是否需要根据海流流向角调整船舶航向角；假设气旋为圆形，包括两个阶段，第一阶段为船舶从起点到与气旋相遇的时间t₁和第二阶段为船舶避开气旋到终点的时间t₂；

S4.构建船舶航向时间优化函数F(t)＝t₁+t₂。

进一步的，步骤S3中，若气旋中心位置离船舶起点距离小于等于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段不考虑海流流向，首先调整船速和航向角，使其在短时间内与气旋相切，然后计算舶航从起点到与气旋相切的时间t₁；若气旋中心位置离船舶起点距离大于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段考虑海流流向，使船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，然后计算船舶从起点到与气旋相切的时间t₁。

进一步的，步骤S3中，t₁时间内，气旋运动控制方程为：

X＝Acos(ω₁t₁+δ)+ut₁ (1)

Y＝Asin(ω₁t₁+δ)+ct₁ (2)

式(1)中，X代表纬度方向气旋运动距离；A代表进动振幅；δ代表初始相位；ω₁代表进动角速度；u代表纬度方向运动速度；

式(2)中，Y代表经度方向气旋运动距离；c代表经度方向运动速度。

进一步的，假设第二阶段船舶航行速度V_S，包括船舶自身速度V₁,沿船舶航向的海流速度V₂的分量：

式(4)中，θ为海流与船舶航行方向的夹角。

进一步的，海流速度V₂由海流运动闭合方程组控制产生：

式(5)-(9)中,x、y、z为地球坐标系纬度方向、经度方向、地心方向；U、V、W分别代表海流沿x、y、z方向的速度分量；ω₂为地球自转角速度；

代表海流方向角；λ代表海水密度；p代表海水密度参数；τ代表海水粘性密度；Ω代表月球引力潮势；Δ为拉普拉斯算子。

进一步的，第二阶段气旋与船舶的切点与船舶终点的直线连线为最短航程，假设实际航程与最短航程存在以下系数关系：

S＝kS₀ (10)

式(10)中，S为第二阶段实际航程距离；k为比例系数，k≥1；S₀为最短航程距离。

进一步的，第二阶段船舶航行时间t₂为：

进一步的，步骤S5中，最终船舶航向时间优化函数为

进一步的，步骤S2中，船舶航向角与海流流向角偏差阈值范围为5-10度。

有益效果

本发明是基于实际船舶航行水文及气象现象的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，该算法有效改进了传统船舶航迹优化算法，通过初步分析船舶航行阶段运动，进行了更为贴合实际的船舶路径优化的初步分析，本发明计算精度提高较大，实用性更高，为后续以实际海况考虑船舶路径优化的深化研究进行了有益探索。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的船舶航迹优化原理图；

图3为本发明的优化后试验船舶自青岛港至大连港航迹图；

图4为本发明的试验船舶航行节点时间的试验与计算对比图；

具体实施方式

下面结合附图1-4和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，包括以下步骤：

S1.判断航行海域内是否有气旋产生并对航行产生影响；

S2.若不存在气旋或气旋没有对对航行产生影响，则只需要判断船舶航向角与海流流向角偏差是否小于阈值，若船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，按预定航线、速度航行，船舶从起点到终点所用时间为t₀；船舶航向角与海流流向角偏差阈值范围为5-10度，优选8度。

S3.若存在气旋并对航行产生影响，根据气旋中心位置离船舶起点距离与气旋中心位置离船舶终点的距离的大小，判断是否需要根据海流流向角调整船舶航向角；假设气旋为圆形，包括两个阶段，第一阶段为船舶从起点到与气旋相遇的时间t₁和第二阶段为船舶避开气旋到终点的时间t₂；

若气旋中心位置离船舶起点距离小于等于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段不考虑海流流向，首先调整船速和航向角，使其在短时间内与气旋相切，然后计算舶航从起点到与气旋相切的时间t₁，第二阶段考虑海流流向，使船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，此时船舶根据海流流向进行调整选择航线Ⅰ或是航线II，图2所示。

若气旋中心位置离船舶起点距离大于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段考虑海流流向，使船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，然后计算船舶从起点到与气旋相切的时间t₁。

图2所示，船舶与气旋相遇存在两种相切情况，第一种情况为气旋将驶入航道时外圆半径刚好首次与船舶接触；第二种情况为气旋离开航道时外圆半径与船舶相切；一般情况下，气旋能对航行产生影响，说明其面积较大，为缩短航行时间，本申请采用第一种情况。

t₁时间内，气旋运动控制方程为：

X＝Acos(ω₁t₁+δ)+ut₁ (1)

Y＝Asin(ω₁t₁+δ)+ct₁ (2)

式(1)中，X代表纬度方向气旋运动距离；A代表进动振幅；δ代表初始相位；ω₁代表进动角速度；u代表纬度方向运动速度；式(2)中，Y代表经度方向气旋运动距离；c代表经度方向运动速度。

假设第二阶段船舶航行速度V_S，包括船舶自身速度V₁,沿船舶航向的海流速度V₂的分量:

式(4)中，θ为海流与船舶航行方向的夹角。

海流速度V₂由海流运动闭合方程组控制产生：

式(5)-(9)中,x、y、z为地球坐标系纬度方向、经度方向、地心方向；U、V、W分别代表海流沿x、y、z方向的速度分量；ω₂为地球自转角速度；

代表海流方向角；λ代表海水密度；p代表海水密度参数；τ代表海水粘性密度；Ω代表月球引力潮势；Δ为拉普拉斯算子。

第二阶段气旋与船舶的切点与船舶终点的直线连线为最短航程，假设实际航程与最短航程存在以下系数关系：

S＝kS₀ (10)

式(10)中，S为第二阶段实际航程距离；k为比例系数，k≥1；S₀为最短航程距离。

第二阶段船舶航行时间t₂为：

S4.构建船舶航向时间优化函数F(t)＝t₁+t₂，最终船舶航向时间优化函数为

从图4可以看出，优化后的算法计算值比实船实验值要省时，F(t)值越接近t₀说明优化效果越好。

当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.判断航行海域内是否有气旋产生并对航行产生影响；

S2.若不存在气旋或气旋没有对对航行产生影响，则只需要判断船舶航向角与海流流向角偏差是否小于阈值，若船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，按预定航线、速度航行，船舶从起点到终点所用时间为t₀；

S3.若存在气旋并对航行产生影响，根据气旋中心位置离船舶起点距离与气旋中心位置离船舶终点的距离的大小，判断是否需要根据海流流向角调整船舶航向角；假设气旋为圆形，包括两个阶段，第一阶段为船舶从起点到与气旋相遇的时间t₁和第二阶段为船舶避开气旋到终点的时间t₂；

S4.构建船舶航向时间优化函数F(t)＝t₁+t₂。

2.根据权利要求1所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，步骤S3中，若气旋中心位置离船舶起点距离小于等于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段不考虑海流流向，首先调整船速和航向角，使其在短时间内与气旋相切，然后计算舶航从起点到与气旋相切的时间t₁；若气旋中心位置离船舶起点距离大于气旋中心位置离船舶终点的距离，则第一阶段考虑海流流向，使船舶航向角与海流流向角偏差小于阈值，然后计算船舶从起点到与气旋相切的时间t₁。

3.根据权利要求1所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，步骤S3中，t₁时间内，气旋运动控制方程为：

X＝Acos(ω₁t₁+δ)+ut₁ (1)

Y＝Asin(ω₁t₁+δ)+ct₁ (2)

式(1)中，X代表纬度方向气旋运动距离；A代表进动振幅；δ代表初始相位；ω₁代表进动角速度；u代表纬度方向运动速度；

式(2)中，Y代表经度方向气旋运动距离；c代表经度方向运动速度。

4.根据权利要求3所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，假设第二阶段船舶航行速度V_S，包括船舶自身速度V₁,和沿船舶航向的海流速度V₂的分量:

式(4)中，θ为海流与船舶航行方向的夹角。

5.根据权利要求4所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，海流速度V₂由海流运动闭合方程组控制产生：

式(5)-(9)中,x、y、z为地球坐标系纬度方向、经度方向、地心方向；U、V、W分别代表海流沿x、y、z方向的速度分量；ω₂为地球自转角速度；

代表海流方向角；λ代表海水密度；p代表海水密度参数；τ代表海水粘性密度；Ω代表月球引力潮势；Δ为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求5所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，第二阶段气旋与船舶的切点与船舶终点的直线连线为最短航程，假设实际航程与最短航程存在以下系数关系：

S＝kS₀ (10)

式(10)中，S为第二阶段实际航程距离；k为比例系数，k≥1；S₀为最短航程距离。

7.根据权利要求6所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，第二阶段船舶航行时间t₂为：

8.根据权利要求7所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，步骤S5中，最终船舶航向时间优化函数为

9.根据权利要求1所述的一种考虑气旋运动与海流流向的船舶航迹优化算法，其特征在于，步骤S2中，船舶航向角与海流流向角偏差阈值范围为5-10度。

Images