CN115719550B - 船舶骨干航路网的构建方法、装置和可读储存介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船舶骨干航路网的构建方法、装置和可读储存介质，属于船舶航线规划技术领域，旨在解决现有技术中，在设计航线的过程中，通常需要人工来设计，存在人为主观性与更新滞后性的问题，船舶骨干航路网的构建方法包括：获取满足预设条件的历史船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速；根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点。
Description
技术领域
本发明涉及船舶航线规划技术领域，具体而言，涉及一种船舶骨干航路网的构建方法、装置和可读储存介质。
背景技术
船舶航线的设计是一项非常复杂的工作内容，它不仅是确保船舶在海上安全航行的重要前提，也是缩短船舶航程、减少燃油消耗，节约运营成本的重要手段。在船舶实际运营过程中，设计航线这一职责一直是由船上二个副船长负责起草，船长负责审核并完成航线的设计。
AIS系统是船舶自动识别系统(Automatic Identification System)的简称，由岸基(基站)设施和船载设备共同组成，船舶自动识别系统配合全球定位系统将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态信息结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，对船舶安全有很大帮助。通过相关数据处理技术，将AIS系统发送的报文进行解析并融合地理信息技术，可将解析出的点位显示在地图中，每个数据点构成了船舶航行的轨迹。对于识别出的轨迹点位，通常包括的字段有：MMSI（海上移动识别码）、船名、呼号、IMO识别码（International-Mathematical-Olympiad，国际海事组织）、船长、船宽、船舶类型、经度、纬度、对地航速、航行状态、船首向与接收时间等；AIS数据是船舶对当时地理、水域、水文气象、航线安全等各项条件的真实反映。当存在大量船舶AIS轨迹点时，这就表明了船舶的习惯航线。通过对海上历史AIS航迹进行检索生成航线，再对选出的航线进行关键转向点的选取，构成海上航行航路网。
近年来，部分学者、企业，尝试使用计算机辅助，对航线数据进行优化，如依靠栅格电子海图平台，对迷宫算法进行适当改进，找到解决最短行距的方法；构建航运网络图，利用启发式搜索算法，找到船舶最佳的航线方法；利用蚁群算法，求解船舶航行的最短路径问题，试图找到最优的航路等。由于船舶航行主要受到水深的影响，其他情况下主要考虑最短路径。在一般情况下，水深受限只有在近岸、航道或港口附近，在海上水深多达数百至数千米，对船舶航行不产生任何影响。基于这一水上航行特点，就形成了海上航路与陆地线路相类似的特点，所有的船舶在进行跨洋远距离航行时，都走相似的路线，类似高速公路，而进港、穿越狭窄水道，类似普通公路。那么，利用船舶的历史航线，构建海上骨干航路网就成为了可能。
综上，为了解决现有技术在确定海上航线方案的过程中，存在人为主观性及更新滞后性问题，发明一种船舶骨干航路网的构建方法成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在解决或改善现有技术中，在设计航线的过程中，通常需要人工来设计，这样就会存在人为主观性与更新滞后性的问题。
本发明的第一方面在于提供一种船舶骨干航路网的构建方法。
本发明的第二方面在于提供一种船舶骨干航路网的构建装置。
本发明的第三方面在于提供一种船舶骨干航路网的构建装置。
本发明的第四方面在于提供一种可读储存介质。
本发明提供的船舶骨干航路网的构建方法，包括：获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速；根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；获取网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一目标历史轨迹点的第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史航行轨迹，将每一条历史航行轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中路段信息包括航向分组；获取航路关键点的位置信息和航向信息；基于关键点的位置信息、映射关系和预设的查找距离阈值，在网格结构中确定查找区域；基于航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；搭接航路关键点和搭接轨迹路段，以构建骨干航路网。
本发明提供的船舶骨干航路网的构建方法，能够将每一条集装箱船舶的每一条历史轨迹根据第一航向分割为多个轨迹路段，然后连接关键点位置与轨迹路段，这样就可以形成骨干航路网，使得海上航路网更加贴近集装箱船舶真实的航行情况，而非常规的规划航线，也无需人工来设计航线，这样就解决了现有技术在确定海上航线方案的过程中，人为主观性与更新滞后性的问题。
在上述技术方案中，搭接航路关键点和搭接轨迹路段的步骤包括：计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角；确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接。
在该技术方案中，在连接航路关键点和搭接轨迹路段的过程中，先计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角，确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点，连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接，这样可以保证连接航路关键点和搭接轨迹路段的平滑过渡，保证集装箱船舶的运行距离最短。
在上述技术方案中，原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，通过如下公式计算：
其中，
表示轨迹点
与基准线
之间的距离，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度。
在上述技术方案中，多个预设的航向分组包括8个航向分组，每一个航向分组的航向范围区间包括：
（22.5°×（n-1）至22.5°×n）和（180+22.5°×（n-1）至180+22.5°×n）；其中，n为组数，且为正整数，且1≤n≤8。
在上述技术方案中，预设条件包括货量大于等于4000TEU（Twenty-feetEquivalent Unit，是以长度为20英尺的集装箱为国际计量单位，也称国际标准箱单位）的历史集装箱船舶。
在上述技术方案中，第一预设节大于等于10节，且小于等于14节；第二预设节大于等于22节，且小于等于26节。
在该技术方案中，第一预设节大于等于10节，且小于等于14节。进一步，第一预设节为12节。第二预设节大于等于22节，且小于等于26节。进一步，第二预设节为24节。通过限定船速这样可以将一些漂航、锚泊以及靠泊的船位点去掉，确保确定出的历史轨迹为集装箱船舶正常航行时的历史轨迹。
在上述技术方案中，预设距离大于等于8海里，且小于等于12海里。
在该技术方案中，控制预设距离大于等于8海里，且小于等于12海里，这样可以避免确定出的分割历史轨迹点过多，提高计算的复杂程度而降低效率，又可以避免确定出的分割历史轨迹点过少导致轨迹路段过少，航路网格效果差的问题。
本发明第二方面提供了船舶骨干航路网的构建装置，包括获取模块，用于获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速；确定模块，用于根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；构建模块，用于在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；轨迹路段分割模块，用于获取网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一目标历史轨迹点的第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；
构建模块还用于基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中路段信息包括航向分组；获取模块还用于获取航路关键点的位置信息和航向信息；确定模块还用于基于关键点位置信息、映射关系和预设的查找距离阈值，在网格结构中确定查找区域；基于航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；搭接航路关键点和搭接轨迹路段，以构建骨干航路网；确定模块还用于计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角；确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接。
本发明第三方面提供了一种船舶骨干航路网的构建装置，包括储存器和处理器，储存器上存储有计算机程序或指令，处理器执行程序或指令时实现如本申请第一方面任一项技术方案提供的船舶骨干航路网的构建方法。
本发明第四方面提供了一种可读储存介质，可读储存介质上存储有程序或指令，处理器执行程序或指令时实现如本申请第一方面任一项技术方案提供的船舶骨干航路网的构建方法。
根据本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实践了解到。
附图说明
根据本发明的实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法的流程示意图；
图2示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法的航向分组的方位图；
图3示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法的历史集装箱船舶的航行偏差的统计柱状图；
图4示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法的分割历史轨迹点的确定原理图；
图5示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法的航路关键点与轨迹路段的搭接原理图；
图6示出了本发明的实施例提供的船舶骨干航路网的构建装置的方框图；
图7示出了本发明的另一实施例提供的船舶骨干航路网的构建装置的方框图。
其中，图6和图7中的零部件名称与标号的对应关系如下：
1船舶骨干航路网的构建装置，11获取模块，12确定模块，13构建模块，14轨迹路段分割模块，15处理器，16储存器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解根据本发明的实施例的上述方面、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对根据本发明的实施例进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解根据本发明的实施例，但是，根据本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，根据本发明的实施例的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明的一个实施例提供的船舶骨干航路网的构建方法包括如下步骤：
S102：获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速；
S104：根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；
S106：在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；
S108：获取网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一目标历史轨迹点的第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；
S110：将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；
S112：确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；
S114：计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；
S116：基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中路段信息包括航向分组；
S118：获取航路关键点的位置信息和航向信息；
S120：基于关键点位置信息、映射关系和预设的查找距离阈值，在网格结构中确定查找区域；
S122：基于航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；
S124：搭接航路关键点和搭接轨迹路段，以构建骨干航路网。
本发明提供的船舶骨干航路网的构建方法，先获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速，然后根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；然后在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；再获取网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一目标历史轨迹点的第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间，然后将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；可以理解的，把每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹上所有目标历史轨迹点按照第一航向分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内，这样就相当于把一条历史轨迹上的所有的目标历史轨迹点分配到不同的航向分组内，然后将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹，这样就相当于把每一个集装箱船舶的每一条历史轨迹都能够根据第一航向划分成多条原始轨迹，进一步，确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线，其中，基准线为航向分组内的第一个目标历史轨迹点和最后一个目标历史轨迹点之间的连线，确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线之后，计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将对应原始轨迹分割成多个轨迹路段；也即在每一条原始轨迹上都可以确定出多个分割历史轨迹点，然后基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中路段信息包括航向分组；获取航路关键点的位置信息和航向信息；基于关键点位置信息、映射关系和预设的查找距离阈值，在网格结构中确定查找区域；基于航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；搭接航路关键点和搭接轨迹路段，以构建骨干航路网。本发明提供的船舶骨干航路网的构建方法，能够将每一条集装箱船舶的每一条历史轨迹根据第一航向分割为多个轨迹路段，然后连接关键点位置与轨迹路段，这样就可以形成骨干航路网，使得海上航路网更加贴近集装箱船舶真实的航行情况，而非常规的规划航线，也无需人工来设计航线，这样就解决了现有技术在确定海上航线方案的过程中，人为主观性与更新滞后性的问题。
在上述实施例中，搭接航路关键点和搭接轨迹路段的步骤包括：计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角；确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接。
在该实施例中，在连接航路关键点和搭接轨迹路段的过程中，先计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角，确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点，连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接，这样可以保证连接航路关键点和搭接轨迹路段的平滑过度，保证集装箱船舶的运行距离最短。
在上述实施例中，原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，通过如下公式计算：
其中，
表示轨迹点
与基准线
之间的距离，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点的纬度。
在上述实施例中，多个预设的航向分组包括8个航向分组，每一个航向分组的航向范围区间包括：
（22.5°×（n-1）至22.5°×n）和（180+22.5°×（n-1）至180+22.5°×n）；其中，n为组数，且为正整数，且1≤n≤8。
在上述实施例中，预设条件包括货量大于等于4000TEU的历史集装箱船舶。
在上述实施例中，第一预设节大于等于10节，且小于等于14节；第二预设节大于等于22节，且小于等于26节。
在该实施例中，第一预设节大于等于10节，且小于等于14节。进一步，第一预设节为12节。第二预设节大于等于22节，且小于等于26节。进一步，第二预设节为24节。通过限定船速这样可以将一些漂航、锚泊以及靠泊的船位点去掉，确保确定出的历史轨迹为集装箱船舶正常航行时的历史轨迹。
在上述实施例中，预设距离大于等于8海里，且小于等于12海里。
在该实施例中，控制预设距离大于等于8海里，且小于等于12海里，这样可以避免确定出的分割历史轨迹点过多，导致计算复杂程度高从而降低效率，又可以避免确定出的分割历史轨迹点过少导致轨迹路段过少的问题。
本发明的另一实施例提供了船舶骨干航路网的构建方法包括如下步骤：
S1：数据筛选与过滤，对解析后的海量AIS数据进行筛选与条件过滤。筛选出全球范围内载货量在4000TEU以上的2300艘左右的大型集装箱船舶，提取这些集装箱船舶历年的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息，历史航行信息包括MMSI、经度、纬度、航向、航速、船首向等，只保留集装箱船舶航速在12节至24节的历史轨迹点。
S2：网格化处理，对S1提取后的数据进行网格化处理，为后期快速提取集装箱船舶数据以及轨迹路段数据的属性，也即将海上航路骨干航路网的航线精度定位取6海里，也即网格结构中每相邻两个点之间的距离对应的集装箱船舶的实际距离为6海里（0.1度的赤道纬线长度），将所有集装箱船舶的历史轨迹点的经度、纬度乘10并用Round函数进行取整操作得到集装箱船舶的位置对应网格上的网格编号，形成一组数据，具体如下表表一所示，第一行数据（102.752183，1.692223）对应处理后的网格编号为1028x×17y。也即集装箱船舶的经度为102.752183，纬度为1.692223，经度和纬度乘10再进行取整之后，得到网格编号1028x×17y。
| MMSI | lon | lat | sog | cog | time | Grid |
| 477194100 | 102.752183 | 1.692223 | 18.5 | 296° | 2022-1-1 0：06 | 1028x×17y |
| 477194100 | 102.747595 | 1.694453 | 18.5 | 296° | 2022-1-1 0：07 | 1027x×17y |
| 477194100 | 102.549605 | 1.794392 | 18.7 | 295° | 2022-1-1 0：50 | 1025x×18y |
| 477194100 | 102.479427 | 1.827973 | 18.6 | 296° | 2022-1-1 1：05 | 1025x×18y |
表一
其中，表一中MMSI表示水上移动通信业务标识码（Maritime Mobile ServiceIdentify），lon表示经度，lat表示纬度，sog表示速度，cog表示航向，time表示时间，Grid表示网格编号。
S3：特征提取，对网格中的每一条历史集装箱船舶的每一条历史轨迹路线的所有历史轨迹点数据进行特征提取。其中，特征提取包括找到航行方向相对一致或相反的轨迹点、保留航线角度偏差小的轨迹点与计算剩余轨迹点距离基准线的距离。
其中找到航行方向相对一致或相反的轨迹点，我们可以将方向分成16个方向，如图2所示，每个方向是360/16=22.5°，根据集装箱船舶轨迹点上集装箱船舶航向属性，从0°开始，每隔22.5°做一个航向梯度，共分成16组，但是基于航向相反的情况下，对发现航线并不影响，故可将航向梯度划分8个梯度，具体如下表表二所示。
| 组名 | 方向集合 | 角度集合（度） |
| 1 | NNE，SSW | 0-22.5，180-202.5 |
| 2 | NE，SW | 22.5-45，205.5-225 |
| 3 | ENE，WSW | 45-67.5，225-247.5 |
| 4 | E，W | 67.5-90，247.5-270 |
| 5 | ESE，WNW | 90-112.5，270-292.5 |
| 6 | SE，NW | 112.5-135，292.5-315 |
| 7 | SSE，NNW | 135-157.5，315-337.5 |
| 8 | S，N | 157.5-180，337.5-360 |
表二
其中，图2和表二中，NE表示北东、SE表示南东、SW表示南西、NW表示北西，NNE表示北北东、ENE表示东北东、ESE表示东南东、SSE表示南南东、SSW表示南南西、WSW表示西南西、WNW表示西北西、NNW表示北北西。
保留航线角度偏差小的轨迹点：每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点按照不同的航向分组分配到不同的区间后，确定分割历史轨迹点。由于集装箱船舶在海上航行时，航向大部分时间都保持一个角度航行，除极端天气外，海上风和洋流的影响对航向的影响波动微乎其微。研究分析2000多条大型集装箱的1.3亿条集装箱船舶轨迹表明，在集装箱船舶速度大于12节及以上时，航线的偏差非常小，其中航线偏差在0°至1°的占据63.13%，偏差在1°至2°的占据17.95%，偏差在2°至3°的占据6.12%，具体数据参考如图3所示，数据集中度明显。基于这一航行特性，将集装箱船舶航向变化较大的点进行优化，通过对S2中的数据进一步处理，只保留航向偏差小于3°的轨迹点，为后续集装箱海上航路线型的平滑性作保障。
计算剩余轨迹点之间的连线距离与方位：对于大量的航线偏差大于3°的轨迹点被删除，容易造成原本连续的轨迹线方向失真，航向和方位不再一致，特别是在巨大航向变化的轨迹点失真更大。这里需要重新计算已经保留下来的这些目标轨迹点到基准线的距离，具体如图4所示，附图中虚线表示基准线，算法原理是首先选取集装箱船舶在对应的航向分组内的首尾两个目标历史轨迹点
与
，连接两点组成线段作为基准线，随后利用剩余轨迹点的经纬度和下述公式依次计算每一目标历史轨迹点到基准线的距离：
其中，
表示轨迹点
与基准线
之间的距离，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度。
如图4所示，找出距基准线距离最远的点P10，判断P10到基准线的距离d是否大于设定的阈值10海里，若大于10海里则选取该点为分割历史轨迹点并用该点将集装箱船舶轨迹数据划分为两个轨迹段，即（P1，P2，……，P10）与（P10，P11，P12，P13），若小于阈值，则算法结束，保留所有轨迹点；然后找出轨迹点P4，判断P4到基准线的距离是否大于设定的阈值10海里，若大于10海里则选取该点为分割历史轨迹点并用该点将（P1，……，P10）的轨迹段划分为两个轨迹段，即（P1，P2，P3，P4）与（P4，……，P10），对划分后的轨迹段再次进行循环处理，直到所有新划分出来的轨迹点到基准线的距离都小于阈值10海里，划分不出新的轨迹段为止。
进一步，确定P4和P10为分割历史轨迹点之后，将P1和P4连接，将P4和P10连接，将P10和P13连接以优化历史轨迹，这样可以确保构造的航路网的轨迹最短，进而节省集装箱船舶的航行时间。
S4：轨迹路段集合生成：根据S3处理后的每一历史集装箱船舶的每一历史轨迹的所有的轨迹路段，对生成的轨迹路段建立基于网格编号的轨迹路段数据集合。更进一步地，为了保证轨迹路段的精度、曲线的平滑性、方向的一致性，需要根据轨迹点的距离、方位、以及航向分组等进行数据筛选生成轨迹路段，其中距离标记为ΔDis，方位标记为ΔDir，航向分组标记为Course-id。以ΔDis最大为12海里，ΔDir为3°，按照8个航向分组，对集装箱船舶历史轨迹进行分段，每条集装箱船舶的每一条轨迹形成若干轨迹路段集合SD，记为：
SD={L1，L2，……，LN }；
其中L是指轨迹路段，其上符合条件的轨迹点P集合可表示为：
轨迹路段P={Pi |1≤i≤n}；
Pi为集装箱船舶轨迹点，n为集装箱船舶轨迹点的个数。轨迹点Pi包括MMSI、经度、纬度、航速、航向、航向分组、时间、网格id编号、方位、方位差、距离等信息。具体如表三所示；
| MMSI | lon | lat | sog | cog | time | Grid | direction | d- direction | distance |
| 477194100 | 102.147403 | 2.035073 | 17.9 | 312.7° | 2022-1-1 2：23 | 1021x×20y | 312.3 | 0 | 1.6 |
| 477194100 | 102.12764 | 2.053075 | 17.7 | 312.7° | 2022-1-1 2：29 | 1021x×21y | 312.5 | 0.2 | 1.56 |
| 477194100 | 102.108395 | 2.070667 | 17.6 | 312.1° | 2022-1-1 2：34 | 1021x×21y | 313.4 | 0.9 | 9.56 |
| 477194100 | 101.992748 | 2.180115 | 17.2 | 319.3° | 2022-1-1 3：07 | 1020x×22y | 329.3 | 15.9 | 1.29 |
| 477194100 | 101.981753 | 2.198583 | 17.1 | 329.3° | 2022-1-1 3：12 | 1020x×22y |
表三
其中，表三中MMSI表示水上移动通信业务标识码（Maritime Mobile ServiceIdentify），lon表示经度，lat表示纬度，sog表示速度，cog表示航向，time表示时间，Grid表示网格编号，direction表示方位，d-direction表示方位差，distance表示到下一个目标历史轨迹点的距离。
建立数据集合是指为了能够快速的找到不同区域的轨迹路段，建立基于网格编号的轨迹路段数据集合，具体包含网格编号、轨迹路段编号、航向分组、轨迹路段长度等，具体参考下表表四所示。
| Grid | Leg | Course-id | Leg-dis |
| 1007x×31y | 17ZZf4OhxOEV31kQI | 3 | 16.2 |
| 1006x×32y | 7Xcf6Rg3zug4K9sd | 3 | 15.6 |
| 1006x×32y | D73LMINSRx9UX73A | 4 | 68.9 |
| 1006x×32y | D73LMINSRx9UX73A | 5 | 68.9 |
| 1005x×33y | 17Zf4OhxOEV31kQI | 2 | 16.2 |
表四
其中，表四中Grid表示网格编号，Leg表示轨迹路段编号，course-id表示航向分组，Leg-dis表示轨迹路段的长度。
S5：海上航路关键点和轨迹路段的连接。由于海上航路关键点是按照航向的不同，然后进行轨迹聚合得到的位置点，即在同一个地理网格内存在一个或多个关键点，每个航路关键点的属性包含关键点ID、地理网格、经纬度、方向分组等属性值。检索该航路关键点在其对应的地理网格内出现的轨迹路段（Leg），只取航向分组ID一致的进行匹配，参考如图5所示，计算在本地理网格内，搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角，取夹角最小的目标历史轨迹点连线，建立关键点与该轨迹路段之间的关联关系。
S6: 结合地理空间网格内的轨迹路段属性，计算最优航线。根据S5中找到的可联通两个关键点的地理空间网格，找到这些空间网格的所有轨迹路段，使用轨迹路段长度、船名MMSI、航向偏差等多重因素，将多个轨迹路段连接起来。在轨迹路段连接时，秉承以下规则：
（1）秉承最短路径规则；
（2）在多个网格内，尽量使用同艘集装箱船舶的轨迹路段（Leg），这样整体的路段距离能够提高约1.5%；
（3）轨迹路段在进行连接时，方位向偏差小于3°；
（4）当两个航段相交时，取相交的点作为两个轨迹路段的连接点；若存在多个交点，则保留已确定轨迹路段最长的距离；
（5）若两个轨迹路段在地理空间网格内无交点，则遍历该地理空间内这两个轨迹路段所有点的连线与已确定轨迹路段的夹角，取最小的那个；在限制地理空间网格内，找到最短路径，形成任意两个关键点之间的海上航线，多个海上关键点与轨迹路段搭接之后形成全球海上集装箱航路骨干网络。至此，一种大型集装箱船舶海上骨干航路网的构建方法叙述完成。
本发明解决了现有确定海上航线方案的人为主观性及更新滞后性问题，生成一种大型集装箱船舶海上骨干航路网的构建方法，基于此技术能够更为客观与及时地生成集装箱海上航行路网，方便海事相关人员执行航行方案，及时调整运输策略，节省运费，减少污染排放。
如图6所示，本发明第二方面提供了一种船舶骨干航路网的构建装置1，船舶骨干航路网的构建装置1包括获取模块11、确定模块12、构建模块13和轨迹路段分割模块14，获取模块11用于获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；历史航行信息包括第一航向、航速；确定模块12用于根据每一个历史轨迹点处对应的航速，在历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；构建模块13用于在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于映射关系在网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；轨迹路段分割模块14用于获取网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一目标历史轨迹点的第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；构建模块13还用于基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中路段信息包括航向分组；获取模块11还用于获取航路关键点的位置信息和航向信息；确定模块12还用于基于关键点位置信息、映射关系和预设的查找距离阈值，在网格结构中确定查找区域；基于航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；搭接航路关键点和搭接轨迹路段，以构建骨干航路网；确定模块12还用于计算搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与航路关键点的连线之间的夹角；确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；连接航路关键点和搭接轨迹点，以实现航路关键点和搭接轨迹路段之间的搭接。
如图7所示，本发明第三方面提供了一种船舶骨干航路网的构建装置1，包括储存器16和处理器15，储存器16上存储有计算机程序或指令，处理器15执行程序或指令时实现如本申请第一方面任一项技术方案提供的船舶骨干航路网的构建方法。
本发明第四方面提供了一种可读储存介质，可读储存介质上存储有程序或指令，处理器15执行程序或指令时实现如本申请第一方面任一项技术方案提供的船舶骨干航路网的构建方法。
在根据本发明的实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的方面，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在根据本发明的实施例中的具体含义。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
尽管已经采用特定结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
以上仅为根据本发明的实施例的优选实施例而已，并不用于限制根据本发明的实施例，对于本领域的技术人员来说，根据本发明的实施例可以有各种更改和变化。凡在根据本发明的实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在根据本发明的实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，包括：
获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和所述历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；所述历史航行信息包括第一航向、航速；
根据每一个所述历史轨迹点处对应的航速，在所述历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，所述目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；
在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于所述映射关系在所述网格结构中建立所有的所述目标历史轨迹点；
获取所述网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一所述目标历史轨迹点的所述第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；
将每一个航向分组内的所有的所述目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；
确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；
计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到所述基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；
基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在所述网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中所述路段信息包括航向分组；
获取航路关键点的位置信息和航向信息；
基于所述关键点的位置信息、所述映射关系和预设的查找距离阈值，在所述网格结构中确定查找区域；
基于所述航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在所述查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；
搭接所述航路关键点和所述搭接轨迹路段，以构建所述骨干航路网；
所述搭接所述航路关键点和所述搭接轨迹路段的步骤包括：
计算所述搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与所述航路关键点的连线之间的夹角；
确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；
连接所述航路关键点和所述搭接轨迹点，以实现所述航路关键点和所述搭接轨迹路段之间的搭接。
2.根据权利要求1所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，
所述原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到所述基准线的距离，通过如下公式计算：
其中，
表示轨迹点
与基准线
之间的距离，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度，
代表轨迹点
的经度，
代表轨迹点
的纬度。
3.根据权利要求1所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，所述多个预设的航向分组包括8个航向分组，每一个航向分组的航向范围区间包括：
（22.5°×（n-1）至22.5°×n）和（180+22.5°×（n-1）至180+22.5°×n）；其中，n为组数，且为正整数，且1≤n≤8。
4.根据权利要求1所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，
所述预设条件包括货量大于等于4000TEU的历史集装箱船舶。
5.根据权利要求1所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，
所述第一预设节大于等于10节，且小于等于14节；
所述第二预设节大于等于22节，且小于等于26节。
6.根据权利要求5所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，所述第一预设节为12节，所述第二预设节为24节。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的船舶骨干航路网的构建方法，其特征在于，所述预设距离大于等于8海里，且小于等于12海里。
8.一种船舶骨干航路网的构建装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取满足预设条件的历史集装箱船舶的历史航行轨迹和所述历史航行轨迹上每一个历史轨迹点的历史航行信息；所述历史航行信息包括第一航向、航速；
确定模块，用于根据每一个所述历史轨迹点处对应的航速，在所述历史轨迹点中确定出目标历史轨迹点，其中，所述目标历史轨迹点处对应的航速大于等于第一预设节，且小于等于第二预设节；
构建模块，用于在网格结构中建立集装箱船舶的实际位置与网格结构中的位置的映射关系，并基于所述映射关系在所述网格结构中建立所有的目标历史轨迹点；
轨迹路段分割模块，用于获取所述网格结构中所有目标历史轨迹点的第一航向，基于每一所述目标历史轨迹点的所述第一航向，按照每一个历史集装箱船舶的每一条历史轨迹，将每一条历史轨迹的所有目标历史轨迹点，分配到多个预设的航向分组中的对应的航向分组内；其中，每一个航向分组包括不同的预设的航向范围区间；将每一个航向分组内的所有的目标历史轨迹点，按照历史集装箱船舶的历史航行轨迹依次连接在一起，形成一条原始轨迹；确定每一航向范围区间的原始轨迹的基准线；计算原始轨迹上每一个目标历史轨迹点到所述基准线的距离，确定到基准线的距离大于等于预设距离的目标历史轨迹点为分割历史轨迹点，基于所有的分割历史轨迹点将原始轨迹分割成多个轨迹路段；
所述构建模块还用于基于所有的历史集装箱船舶的所有历史航行轨迹被分割出的所有轨迹路段，在所述网格结构中建立每一轨迹路段的路段信息；其中所述路段信息包括航向分组；
所述获取模块还用于获取航路关键点的位置信息和航向信息；
所述确定模块还用于基于所述关键点位置信息、所述映射关系和预设的查找距离阈值，在所述网格结构中确定查找区域；基于所述航路关键点的航向信息和每一轨迹路段的航向分组，在所述查找区域内所有轨迹路段中确定搭接轨迹路段；搭接所述航路关键点和所述搭接轨迹路段，以构建所述骨干航路网；
所述确定模块还用于计算所述搭接轨迹路段上每一个目标历史轨迹点在对应搭接轨迹路段上的切线与该目标历史轨迹点与所述航路关键点的连线之间的夹角；确定夹角最小的目标历史轨迹点为搭接轨迹点；连接所述航路关键点和所述搭接轨迹点，以实现所述航路关键点和所述搭接轨迹路段之间的搭接。
9.一种船舶骨干航路网的构建装置，其特征在于，包括：
储存器和处理器，所述储存器上存储有计算机程序或指令，所述处理器执行所述程序或指令时实现如权利要求1至7中任一项所述的船舶骨干航路网的构建方法。
10.一种可读储存介质，其特征在于，所述可读储存介质上存储有程序或指令，处理器执行所述程序或指令时实现如权利要求1至7中任一项所述的船舶骨干航路网的构建方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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