CN113916234B - 一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，属于测绘导航技术领域。本发明所述的方法克服了当前避碰舰船航线自动规划方法在海上复杂碍航区环境下无法保证航线全局的最优性，甚至可能无法求出可行解的问题。已有实验表明，在处理具有复杂碍航区的海域处理船舶避碰问题时，本发明所述方法能够较好的规划出一条安全且满足规则的避碰航线。

Description

一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法

技术领域

本发明属于测绘导航技术领域，尤其涉及一种复杂动态条件下舰船避碰航线的自动规划方法。

背景技术

船舶避碰是确保船舶海上安全航行的关键环节，一旦发生避碰事故，就会造成严重的经济损失与环境污染。避碰航线规划是实现船舶避碰的前提和基础，其目标是要避开所有静态的碍航区与动态的船舶，为船舶避碰规划出一条安全的航线，具有十分重要的研究意义。同时船舶的避碰需要遵循《国际海上避碰规则》(以下简称避碰规则)，然而早期的避碰航线规划研究，如Wilson等提出的Line of Sight Counteraction Navigation算法，以及Tsou等结合预测危险区理论的避碰航线规划方法，并没有将避碰规则考虑在内。近年来，陆续出现了一些顾及避碰规则的规划方法，具有代表性的是改进人工势场方法：最开始，Lee等提出一种虚拟力场方法(VFF)，初步在规则限制内实现了船舶的航迹保持与避碰；随后，Xue等将静态碍航物的碰撞形状简化为圆，基于势场法提出了一种在可能碰撞情况下寻找船舶安全航道的方法；在前人的基础上，Lu等综合考虑船舶转向性能等约束，提出了新的排斥势场函数和相应的虚拟力，以基于国际海上避碰规则解决具有动态目标和静态障碍物的避碰问题，该方法取得了良好的实验效果，被国内外学者所共同认可。然而，当前的改进人工势场方法，仅能对点状障碍区进行避碰处理，难以处理浅水碍航区、人工碍航区和点状碍航区错综存在的海上复杂碍航区环境，在该环境下无法保证航线全局的最优性，甚至可能无法求出可行解。

发明内容

为了克服当前舰船避碰航线自动规划方法在实际应用中难以对浅水碍航区、人工碍航区和点状碍航区错综存在的海上复杂碍航区环境进行处理的问题，本发明提供了一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，主要包括以下步骤：

步骤a、读入碍航区数据集和计划航线；

步骤b、提取计划航线上的起点、转向点、终点等关键节点，建立起航路关键点链表；

步骤c、从航路关键点链表弹出第一个节点，作为船舶从起始点出发的目标点，并将第一个节点从航路关键点链表中删除。此刻为船舶航向的起始时间，处于正常航行时刻；

步骤d、判别船舶是否到达当前阶段的目标点，如果是，则继续从航路关键点链表弹出第一个节点作为新的目标点，并将此节点从航路关键点链表中删除；

步骤e、判别当前船舶位置是否偏离计划航线，如果偏离，则动态更新航路关键点链表；

步骤f、依据船舶实时的速度、角速度及自身的加速度限制，根据船舶运动学方程推算一定时间内船舶的速度、角速度的变化范围，并建立相应的窗口范围；

步骤g、在所建立的窗口范围内，根据该船舶与其他船舶的实时态势，评估船舶的碰撞危险度，判定该船舶是否处于碰撞危险阶段，如果是，进入步骤h；反之则表明船舶处于正常航行阶段，重新返回步骤d；

步骤h、依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，并在速度窗口范围内生成用于避碰的备选航线，计算各条用于避碰的备选航线的危险度，择取危险度最低的一条航线作为当前的推荐避碰航线；

步骤i、船舶在当前的推荐避碰航线上航行，每间隔一段时间动态评估一次船舶的碰撞危险度，判断当前船舶是否处于碰撞危险阶段，如果是，则返回步骤h，反之则说明船舶已完成避碰，进入步骤j；

步骤j、完成避碰后，船舶须复航恢复到计划航线上。在速度窗口范围内生成用于复航的备选航线，计算各条用于复航的备选航线的可行度，择取可行度最高的一条航线作为当前的推荐复航航线；

步骤k、船舶在当前的推荐复航航线上航行，直至船舶的航行轨迹恢复到原计划航线上；

步骤l、循环步骤d-k，直至船舶到达终点。

所述步骤e中，若舰船偏离计划航线超过一定阈值，则需要进行局部航路链表的更新。从舰船当前位置S开始，向接下来的两个航路点P₁和P₂基于航路二叉树算法进行航路生成，得到S至P₁和P₂的最短航线SP₁和SP₂，如图2所示。在局部调整的航路选择上，采用贪婪算法的思想，以局部最优解作为最终选择。从到S至P₂的航路目前有两种选择：从S至P₁通过SP₁，然后从P₁至P₂通过P₁P₂；以及从S至T通过SP₂。如果式SP₁+P₁P₂≤ST+TP₂成立，则在航路点P₁前插入航路点T，作为动态规划算法在此阶段的目标点；如果该式不成立，则将航路点P₁从最短航路中剔除，同时将航路点T插入到P₁原来的位置，更新航路链表。

由此得到更新后的船舶航行航路点链表，接下来将以这些航路点按序作为避碰航线生成方法的目标点。

所述步骤f中，依据船舶实时的速度、角速度及自身的加速度限制，根据船舶运动学方程推算Δt时间后，速度与角速度的窗口范围如下式所示：

式中，v_min、v_max分别为船舶所能达到的最小速度和最大速度(以船艏方向为正)，ω_min、ω_max分别为船舶所能达到的最小角速度和最大角速度(以船舶右舷方向为正)，v₀、ω₀、a₀、β₀分别为初始时刻的速度、角速度、加速度、角加速度。

所述步骤h中，依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，如果为对遇局面即来船位于我船左舷5°-右舷5°区域(F区)，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为追遇局面，即来船位于我船右舷112.5°-247.5°区域(C区)或位于我船左舷5°-112.5°区域(E区)的交叉相遇局面，使速度与角速度保持原速；如果为来船位于我船右舷5°-67.5°区域(A区)的交叉相遇局面，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为来船位于我船右舷67.5°-112.5°区域(B区)的交叉相遇局面，则对窗口范围不做限定，基于危险度进行后续判定：

将速度限制在速度窗口内，生成一定时间步长Δt可能的预测航迹，计算各条预测航迹的碰撞危险度，选取碰撞危险度最低的作为最优预测轨迹航行，即可使舰船按照危险度梯度下降的航迹脱离碰撞危险。

所述步骤j中，当舰船脱离避碰后进行航线的渐进式恢复时，选取舰船与当前阶段的航路目标点的航向角、距离以及舰船航速作为评价指标，构造评价函数，如下式所示，选取评估值最高的航迹作为推荐复航航线：

式中，为总评价值，G(v)、G(θ)、G(Dis)分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离的评价值；α、β、γ分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离占总评价函数的权重；加速度/>运动时间t后，能达到的速度为v_i、能达到的航向与目标点夹角为θ_i、能达到的与下一航路点的距离为Dis，能达到的最大航速、最远距离、最近距离分别为v_max、Dis_max、Dis_min。

本发明的有益效果：本发明提出的避碰舰船航线自动方法，克服了当前避碰舰船航线自动规划方法在海上复杂碍航区环境下无法保证航线全局的最优性，甚至可能无法求出可行解的问题。已有实验表明，在处理具有复杂碍航区的海域处理船舶避碰问题时，本发明所述方法能够较好的规划出一条安全且满足规则的避碰航线。

附图说明

图1是本发明复杂碍航区环境下的避碰航线自动规划方法的主流程框图。

图2是航线示意图，其中(a)为航路关键点示意图，(b)为更新航路关键点示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案对本发明作进一步说明。

本发明提出的舰船避碰航线自动规划方法，实现过程是采用计算机实现基于真实海洋地理信息数据的舰船避碰航线高效规划，假设现需规划某海域中起终点S、E间的航线，采用本发明方法进行避碰航线的高效自动规划，包括以下步骤，如图1所示：

步骤a，依据电子海图数据标准，在计算机上解析航行所需的电子海图数据，获得碍航区数据集O＝{o₁,o₂,o₃…o_n}；

步骤b，依据障碍区数据集预生成计划航线，在计划航线的基础上建立起航路关键点链表WayPoint＝{StartP,WayPoint1,..,WayPointn,Goal}，并将航路关键点链表依次作为船舶后续算法的目标点CurrentGoal，以实现对复杂碍航区的绕行；

步骤c，从航路关键点链表弹出第一个节点StartP赋给CurrentGoal作为船舶从起始点出发的目标点，并将StartP从WayPoint中删除。此刻为船舶航向的起始时间，处于正常航行时刻；

步骤d，判别当前船舶位置CurrentPosition与CurrentGoal的实际距离是否小于d(d需根据具体船型号自行人工设定)，如果是，则认为已经抵达目标点，从WayPoint中弹出栈顶的关键点结构体WayPointX赋给CurrentGoal，并将WayPointX从WayPoint链表中删除。

步骤e，判别当前船舶位置与计划航线的垂线距离是否大于D(D需根据具体船型号自行人工设定)，如果大于D则认定为偏离，对航路关键点链表进行动态更新；

步骤f，依据船舶实时的速度、角速度及自身的加速度限制，根据船舶运动学方程推算Δt时间后，速度与角速度的窗口范围：

步骤g，在所建立的窗口范围内，根据船舶与其他船舶的实时态势，评估船舶的碰撞危险度，判定船舶是否处于碰撞危险阶段，如果是，进入步骤h，反之则表明船舶处于正常航行阶段，重新返回步骤d；

步骤h，依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，如果为对遇局面即来船位于我船左舷5°-右舷5°区域(F区)，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为追遇局面，即来船位于我船右舷112.5°-247.5°区域(C区)或位于我船左舷5°-112.5°区域(E区)的交叉相遇局面，使速度与角速度保持原速；如果为来船位于我船右舷5°-67.5°区域(A区)的交叉相遇局面，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为来船位于我船右舷67.5°-112.5°区域(B区)的交叉相遇局面，则对窗口范围不做限定，基于危险度进行后续判定：

将速度限制在速度窗口内，生成一定时间步长Δt可能的预测航迹，并在速度窗口范围内生成预测航迹I1、…、In，计算各预测航迹的危险度CRIx，择取危险度最低的预测航迹，并按照该预测航迹航行；

步骤i，船舶在当前的推荐避碰航线上航行，每间隔一段时间动态评估一次船舶的碰撞危险度，判断当前我船是否处于碰撞危险阶段，如果是，则返回步骤h，反之则说明船舶已完成避碰，进入步骤j；

步骤j，完成避碰后，船舶须复航恢复到计划航线上。在速度窗口范围内生成预测航迹，通过评价函数筛选复航航迹，使船舶按照选取的最优预测航迹航行完成复航：

式中，为总评价值，G(v)、G(θ)、G(Dis)分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离的评价值；α、β、γ分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离占总评价函数的权重；加速度/>运动时间t后，能达到的速度为v_i、能达到的航向与目标点夹角为θ_i、能达到的与下一航路点的距离为Dis，能达到的最大航速、最远距离、最近距离分别为v_max、Dis_max、Dis_min。

步骤k，船舶在当前的推荐复航航线上航行，直至船舶的航行轨迹恢复到原计划航线上；

步骤l，循环步骤d-k，直至船舶到达目的地点。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤a、读入碍航区数据集和计划航线；

步骤b、提取计划航线上包括起点、转向点、终点在内的关键节点，建立起航路关键点链表；

步骤c、从航路关键点链表弹出第一个节点，作为船舶从起始点出发的目标点，并将第一个节点从航路关键点链表中删除；此刻为船舶航向的起始时间，处于正常航行时刻；

步骤d、判别船舶是否到达当前阶段的目标点，如果是，则继续从航路关键点链表弹出第一个节点作为新的目标点，并将此节点从航路关键点链表中删除；

步骤e、判别当前船舶位置是否偏离计划航线，如果偏离，则动态更新航路关键点链表；

步骤f、依据船舶实时的速度、角速度及自身的加速度限制，根据船舶运动学方程推算一定时间内船舶的速度、角速度的变化范围，并建立相应的窗口范围；

步骤g、在所建立的窗口范围内，根据该船舶与其他船舶的实时态势，评估船舶的碰撞危险度，判定该船舶是否处于碰撞危险阶段，如果是，进入步骤h；反之则表明船舶处于正常航行阶段，重新返回步骤d；

步骤h、依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，并在速度窗口范围内生成用于避碰的备选航线，计算各条用于避碰的备选航线的危险度，择取危险度最低的一条航线作为当前的推荐避碰航线；

步骤i、船舶在当前的推荐避碰航线上航行，每间隔一段时间动态评估一次船舶的碰撞危险度，判断当前船舶是否处于碰撞危险阶段，如果是，则返回步骤h，反之则说明船舶已完成避碰，进入步骤j；

步骤j、完成避碰后，船舶须复航恢复到计划航线上；在速度窗口范围内生成用于复航的备选航线，计算各条用于复航的备选航线的可行度，择取可行度最高的一条航线作为当前的推荐复航航线；

步骤k、船舶在当前的推荐复航航线上航行，直至船舶的航行轨迹恢复到原计划航线上；

步骤l、循环步骤d-k，直至船舶到达终点。

2.根据权利要求1所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤e中，更新航路关键点链表的方法为：

从舰船当前位置S开始，向接下来的两个航路点P₁和P₂基于航路二叉树算法进行航路生成，得到S至P₁和P₂的最短航线SP₁和SP₂；在局部调整的航路选择上，采用贪婪算法，以局部最优解作为最终选择；从到S至P₂的航路目前有两种选择：从S至P₁通过SP₁，然后从P₁至P₂通过P₁P₂；以及从S至T通过SP₂；若式SP₁+P₁P₂≤ST+TP₂成立，则在航路点P₁前插入航路点T，作为动态规划算法在此阶段的目标点；若该式不成立，则将航路点P₁从最短航路中剔除，同时将航路点T插入到P₁原来的位置，更新航路链表。

3.根据权利要求1或2所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤f中，依据船舶实时的速度、角速度及自身的加速度限制，根据船舶运动学方程推算Δt时间后，速度与角速度的窗口范围如下式所示：

式中，v_min、v_max分别为船舶所能达到的最小速度和最大速度，以船艏方向为正；ω_min、ω_max分别为船舶所能达到的最小角速度和最大角速度，以船舶右舷方向为正；v₀、ω₀、a₀、β₀分别为初始时刻的速度、角速度、加速度、角加速度。

4.根据权利要求1或2所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤h中，依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，如果为对遇局面即来船位于我船左舷5°-右舷5°区域F区，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为追遇局面，即来船位于我船右舷112.5°-247.5°区域C区或位于我船左舷5°-112.5°区域E区的交叉相遇局面，使速度与角速度保持原速；如果为来船位于我船右舷5°-67.5°区域A区的交叉相遇局面，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为来船位于我船右舷67.5°-112.5°区域B区的交叉相遇局面，则对窗口范围不做限定，基于危险度进行后续判定：

式中，v_min、v_max分别为船舶所能达到的最小速度和最大速度，以船艏方向为正；ω_min、ω_max分别为船舶所能达到的最小角速度和最大角速度，以船舶右舷方向为正；v₀、ω₀、a₀、β₀分别为初始时刻的速度、角速度、加速度、角加速度；

将速度限制在速度窗口内，生成一定时间步长Δt的预测航迹，计算各条预测航迹的碰撞危险度，选取碰撞危险度最低的作为最优预测轨迹航行，即按照危险度梯度下降的航迹脱离碰撞危险。

5.根据权利要求3所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤h中，依据避碰规则对速度窗口范围进行限定，如果为对遇局面即来船位于我船左舷5°-右舷5°区域F区，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为追遇局面，即来船位于我船右舷112.5°-247.5°区域C区或位于我船左舷5°-112.5°区域E区的交叉相遇局面，使速度与角速度保持原速；如果为来船位于我船右舷5°-67.5°区域A区的交叉相遇局面，则应右转避让，将角速度小于零的部分从窗口范围内剔除；如果为来船位于我船右舷67.5°-112.5°区域B区的交叉相遇局面，则对窗口范围不做限定，基于危险度进行后续判定：

将速度限制在速度窗口内，生成一定时间步长Δt的预测航迹，计算各条预测航迹的碰撞危险度，选取碰撞危险度最低的作为最优预测轨迹航行，即按照危险度梯度下降的航迹脱离碰撞危险。

6.根据权利要求1或2所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤j中，当舰船脱离避碰后进行航线的渐进式恢复时，选取舰船与当前阶段的航路目标点的航向角、距离以及舰船航速作为评价指标，构造评价函数，如下式所示，选取评估值最高的航迹作为推荐复航航线：

式中，为总评价值，G(v)、G(θ)、G(Dis)分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离的评价值；α、β、γ分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离占总评价函数的权重；加速度/>运动时间t后，能达到的速度为v_i、能达到的航向与目标点夹角为θ_i、能达到的与下一航路点的距离为Dis，能达到的最大航速、最远距离、最近距离分别为v_max、Dis_max、Dis_min。

7.根据权利要求3所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤j中，当舰船脱离避碰后进行航线的渐进式恢复时，选取舰船与当前阶段的航路目标点的航向角、距离以及舰船航速作为评价指标，构造评价函数，如下式所示，选取评估值最高的航迹作为推荐复航航线：

式中，为总评价值，G(v)、G(θ)、G(Dis)分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离的评价值；α、β、γ分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离占总评价函数的权重；加速度/>运动时间t后，能达到的速度为v_i、能达到的航向与目标点夹角为θ_i、能达到的与下一航路点的距离为Dis，能达到的最大航速、最远距离、最近距离分别为v_max、Dis_max、Dis_min。

8.根据权利要求4所述的一种复杂动态条件下的船舶避碰航线自动规划方法，其特征在于，所述步骤j中，当舰船脱离避碰后进行航线的渐进式恢复时，选取舰船与当前阶段的航路目标点的航向角、距离以及舰船航速作为评价指标，构造评价函数，如下式所示，选取评估值最高的航迹作为推荐复航航线：

式中，为总评价值，G(v)、G(θ)、G(Dis)分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离的评价值；α、β、γ分别为航速、航向与目标点夹角、与目标点距离占总评价函数的权重；加速度/>运动时间t后，能达到的速度为v_i、能达到的航向与目标点夹角为θ_i、能达到的与下一航路点的距离为Dis，能达到的最大航速、最远距离、最近距离分别为v_max、Dis_max、Dis_min。