CN116107319B - 一种智能船舰节能航向编队方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶交通调度技术领域，更具体涉及一种智能船舰节能航行编队方法、系统及存储介质。所述方法包括：步骤S1：通过电子海图获取船舰的航道的地形信息，通过障碍物检测系统获取避碰路径，获取最佳行驶路径；步骤S2：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型；步骤S3：根据船舰队列前方的水流阻力的贡献值和最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰队列队形；步骤S4：行驶数据和各个位置处的阻力确定各个船舰与船舰队列队形中位置的对应关系；步骤S5：在航行的过程中，根据船舰的行驶数据与上次保存的行驶数据的差值调整船舰前一个船舰的行驶速度或者调整船舰在船舰队列中的位置。
Description
技术领域
本发明涉及船舶交通调度技术领域，更具体涉及一种智能船舰节能航行编队方法、系统及存储介质。
背景技术
随着船舰运输的发展和运输任务的日益繁重，多种不同种类的船舰组成集群来共同完成运输任务，由于船舰的数量增多，运输成本也随着增加，因此通过研究船舰队列的编队方式来降低能耗达到节省能源的目的越来越受到大家的重视，但是现有专利中，只考虑到航道阻力没有考虑到船舰的能源消耗率和不同位置处的水流阻力，例如中国专利：CN115270644B，本发明涉及一种智能船舶节能航行编队方法、电子设备和存储介质，其通过样本数据集训练深度前馈神经网络，得到能够表征工况特征和阻力特征之间映射关系的阻力预报模型，其中工况特征包括用于描述不同队形的队形特征，这样通过阻力预报模型，便可以知晓船舶队伍在不同队形特征下的阻力信息，这样根据阻力信息，便可以选择出船舶在对应航行计划下的最优队形，得到最优编队方案。例如中国专利CN109116849A，一种考虑无人艇运动性能的零空间行为融合在线优化方法，本发明以零空间行为规划结果为基础，解算出符合无人艇实际运动特性的航点集，解决无人艇在跟踪规划路线时的迂回航行或者路径点不可达问题；针对零空间行为融合方法规划结果进行的优化，考虑无人艇的回转性能，光顺规划的航点集，进而有助于提高无人艇的控制精度；减少了能源消耗，有助于节约能源。上述两个专利都没有考虑到船舰队列平稳行驶的最佳路径，也没有考虑到水流阻力在航行方向上的贡献值不同时最佳路径范围内的最佳编队队形，也没有根据船舰的行驶数据发生变化时其前面位置处船舰的速度变化和上述船舰的位置调整，从而不能达到理想的节能效果。
发明内容
为了更好的解决上述问题，本发明提供一种智能船舰节能航向编队方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：通过电子海图获取船舰的航道的地形信息，通过障碍物检测单元获取避碰路径，基于所述地形信息和所述避碰路径实时获取最佳行驶路径；
步骤S2：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；
步骤S3：通过所述航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据所述船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和所述最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰队列队形；
步骤S4：还基于所述航道阻力模型计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并基于所述各个位置处的阻力计算各个船舰的行驶数据，所述行驶数据包括所述各个舰船在所述各个位置处能源消耗率和所述各个船舰后方的波动阻力之和，基于所述行驶数据确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系；
步骤S5：在航行的过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在所述船舰队列中的位置。
作为本发明一种更优选的技术方案，步骤S1中，通过计算全部船舰的吃水深度，根据所述全部船舰的吃水深度获取最大吃水深度，基于所述电子海图和所述最大吃水深度获取水下障碍物的位置信息，所述障碍物检测单元包括雷达感应器，根据所述雷达感应器检测船舰周围的障碍物位置信息，基于所述障碍物位置信息获取所述避碰路径。
作为本发明一种更优选的技术方案，步骤S3中，根据所述船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值获取船舰船舰队列队形，包括：根据所述船舰队列前方的水流阻力的大小和方向计算所述水流阻力在船舰航行方向上的阻力分量，在所述阻力分量与所述航行方向一致时，所述阻力分量为正值，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围以最大编队宽度行驶，在所述阻力分量与所述航行方向不一致时，所述阻力分量为负值，所述全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围内以最小编队宽度行驶。
作为本发明一种更优选的技术方案，步骤S4中，船舰的能源消耗率为行驶预设距离能源消耗量与船舰重量、船舰阻力、湿面积、行驶速度和水流阻力的乘积的比值再乘以权重系数，所述能源消耗率的表达式为：
其中，
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰行驶预设距离能源消耗量，/>
为第i船舰的载重和携载货物的重量之和，/>
为第i船舰位置处的水流阻力，/>
为第i船舰的行驶速度，/>
为权重系数，/>
为第i船舰的湿面积，i的取值范围为1到N的正整数，N为参与编队的船舰的总数量。
作为本发明一种更优选的技术方案，所述步骤S4中，基于所述行驶数据和各个位置处的阻力确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系，包括如下步骤：
步骤S41：根据各个船舰的能源消耗率和所述各个船舰后方的波动阻力计算所述各个船舰的行驶数据，所述各个船舰的行驶数据表达式为：
其中，
为第i船舰的航行数据，/>
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰后方的波动阻力，/>
为第i船舰的能源消耗率的权重系数，/>
为第i船舰后方的波动阻力的权重系数；
步骤S42：所述船舰队列中第一行的船舰为领航舰，所述船舰队列以预设速度行驶，根据所述船舰队列中未编排船舰的位置中获取阻力最大的位置，并基于所述阻力最大的位置处的水流阻力和通过所述各个船舰的行驶数据表达式计算未编排位置的船舰在所述阻力最大位置处的行驶数据，并将所述未编排位置的船舰中行驶数据最小的船舰放置在所述阻力最大的位置处；
步骤S43：重复所述步骤S42,获取所述船舰队列中每一位置对应的船舰。
作为本发明一种更优选的技术方案，所述步骤S5中，周期性的计算第i船舰的第一行驶数据，并将所述第一行驶数据与所述第i船舰上次保存的第二行驶数据进行比较获取第一差值，在所述第一差值小于第一阈值时，正常行驶；
在所述第一差值大于所述第一阈值时，在所述第一行驶数据小于所述第二行驶数据时，正常行驶；在所述第一行驶数据大于所述第二行驶数据时，计算第i+1船舰在第i船舰位置处的第三行驶数据，在所述第一行驶数据小于所述第三行驶数据时，正常行驶，并保存所述第一行驶数据至存储单元，在所述第一行驶数据大于所述第三行驶数据时，计算所述第一行驶数据和所述第三行驶数据的第二差值，在所述第二差值小于第二阈值时，通过第i船舰位置处前方的第j船舰的波动阻力模型获取第一速度，所述第j船舰在所述第一速度行驶时满足行驶数据与上次保存的第j船舰的行驶数据之间的差值小于所述第一阈值，通过通信单元将第一速度信息发送给所述第j舰船，所述第j船舰接收所述第一速度信息并以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进以减小所述第i船舰的波动阻力，其中所述第一速度大于船舰队列的预设速度；
在所述第二差值大于所述第二阈值或者不能获取所述第一速度时，将所述第i船舰驶出对应的位置，依次计算第k船舰在第k-1位置处的行驶数据及第i船舰在第k-1位置处的行驶数据,在第i船舰在第k-1位置处的行驶数据小于第k舰船在第k-1位置处的行驶数据时，将所述第i船舰放置在第k-1位置处，将第i+1船舰至第k-1船舰向前平移一个位置，其中，k的取值范围为i+2到N的正整数。
作为本发明一种更优选的技术方案，所述第j船舰以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进，包括：在所述第j船舰与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离时以第一速度向前航行，在所述第j船舰与前方船舰的距离小于等于第二安全距离时，所述第j船舰暂停至与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离。
本发明还提供一种智能船舰节能航向编队系统，用于实现上述的智能船舰节能航向编队方法，所述系统包括：
地形获取单元，用于从电子海图获取船舰的航道的地形信息；
障碍物检测单元，用于获取避碰路径；
路径规划单元，用于基于地形信息和避碰路径实时获取最佳行驶路径；
机器学习单元配置为：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；
存储单元，用于保存船舰队列中各个船舰的行驶数据；
计算单元配置为：通过航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰队列队形；
还基于航道阻力模型计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并基于各个位置处的阻力计算各个船舰的行驶数据，行驶数据包括所述各个舰船在所述各个位置处能源消耗率和各个船舰后方的波动阻力之和，基于行驶数据确定各个船舰与船舰队列队形中位置的对应关系；
在航行的过程中，周期性的计算船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整船舰前一个船舰的行驶速度，在通过调整船舰的前一个船舰的行驶速度不能使船舰的行驶数据满足要求的情况下，调整船舰在船舰队列中的位置；
通信单元，用于实现编队系统和船舰队列中船舰之间的通信。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有程序指令，其中在所述程序指令运行时控制所述存储介质所在设备执行上述的智能船舰节能航向编队方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少如下所述：
本发明通过电子海图和障碍物检测单元获取能够保证船舰队列平稳行驶的较节能的最佳行驶路线，并在最佳行驶路线中根据航道阻力模型获取船舰队列前方的水流阻力并根据水流阻力在航行方向上的作用力确定船舰队列队形，在水流阻力为正向作用力时，以最大队列宽度在最佳路径中航行，增加整个船舰队列的水流推动力，从而达到节能的目的，在水流阻力为反作用力时，以最小队列宽度在最佳路径中航行，减少水流阻力，从而达到节能的目的，进一步地，还根据各个位置处的水流阻力和各个船舰的行驶数据来分配编队队列中的位置，不仅考虑单个船舰的能源消耗率与水流阻力的关系还考虑到船舰后方波动阻力大小，能够使用较小的能源消耗来抵挡较大的水流阻力，并开辟了一条阻力较小的航道，减小后续船舰的水流阻力，从而提高整个船舰队列的节能效率，并且在行驶过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在船舰队列中的位置，通过上述技术方案的相互作用和配合，使整个船舰队列在行驶过程中的节省了能源消耗，提高了能源的利用率。
附图说明
图1为本发明一种智能船舰节能航行编队方法流程图；
图2为本发明一种智能船舰节能航行编队系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种智能船舰节能航向编队方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：通过电子海图获取船舰的航道的地形信息，通过障碍物检测系统获取避碰路径，基于所述地形信息和所述避碰路径实时获取最佳行驶路径；具体的，通过上述方案能够保证船舰队列的平稳行驶，由于船舰的仰俯波动也会使上述船舰队列的能源消耗总量增加，因此在上述最佳行驶路径中可以避免由于障碍物引起的船舰的仰俯而造成的能源损耗；
步骤S2：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；具体的，上述各个船舰的历史运行数据通过机器学习训练波动阻力模型，上述运行数据包括船舰的行驶速度、吃水深度、湿水面积及水流阻力，通过输入运行数据可以获取船舰后方的波动阻力，还通过航道上的水流速度、风速和海平面波动数据训练上述航道阻力模型，通过输入上述参数可以获取航道任意位置处的阻力，上述模型训练的过程属于现有技术，可以通过现有技术实现；
步骤S3：通过所述航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据所述船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和所述最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰船舰队列队形；具体的，通过输入船舰队列前方的水流速度、风速和海平面波动数据获取船舰队列前方的水流阻力，在上述水流阻力在船舰航行方向上的分量是负时，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围内以最小编队宽度行驶，以减少水流阻力，达到节省整个船舰队列的能源消耗量，在水流阻力分量为正值时，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围以最大编队宽度行驶，增大水流对全部船舰的正向作用力，在船舰以预设速度行驶时，达到节省能源消耗的目的；
步骤S4：还基于所述航道阻力模型计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并基于所述各个位置处的阻力计算各个船舰的行驶数据，所述行驶数据包括所述各个舰船在所述各个位置处能源消耗率和所述各个船舰后方的波动阻力之和，基于所述行驶数据确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系；具体的，上述能源消耗率使用船舰的能源消耗率表达式计算，上述各个船舰后方的波动阻力通过船舰的波动阻力模型计算，从船舰队列中未进行编队的位置中航道阻力最大的位置最先开始分配船舰，在上述航道阻力最大位置处，基于上述航道阻力分别计算未分配位置的舰船在上述位置处的行驶数据，将上述舰船中行驶数据最小的舰船放置在上述位置处，重复上述方案至全部船舰分配到对应的位置上，由于行驶数据反应了能源消耗率和放置该船舰后方水流的阻力大小，因此通过将最小行驶数据的舰船分配到阻力最大的位置处，不仅节省了能源消耗还减小了后方的水流波动阻力，为排在后面的船舰减小了阻力，进一步节省了后方船舰的能源消耗；
步骤S5：在航行的过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在所述船舰队列中的位置。具体的，以预设周期计算船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，将第i船舰的第一行驶数据与第i船舰上次保存的第二行驶数据进行比较获取第一差值，并在第一差值大于第一阈值且第一行驶数据大于第二行驶数据时，计算第i+1船舰在第i船舰位置处的第三行驶数据，并根据第一行驶数据和第三行驶数据的差值确定是调增第i船舰前方第j船舰的行驶速度还是调整第i船舰的位置。
进一步地，步骤S1中，通过计算全部船舰的吃水深度，根据所述全部船舰的吃水深度获取最大吃水深度，基于所述电子海图和所述最大吃水深度获取水下障碍物的位置信息，所述障碍物检测单元包括雷达感应器，根据所述雷达感应器检测船舰周围的障碍物位置信息，基于所述障碍物位置信息获取所述最佳行驶路径。具体的，通过上述电子海图和最大吃水深度能够使全部的舰船避开水平面下方的暗礁，同时还基于上述障碍物检测系统能够避开水平面上的其他船只，从而获取上述船舰队列能够平稳行驶的最佳行驶路径。
进一步地，步骤S3中，根据所述整体阻力在船舰航行方向上的贡献值获取船舰队列队形，包括：根据所述整理水流阻力的大小和方向计算所述水流阻力在船舰航行方向上的阻力分量，在所述阻力分量与所述航行方向一致时，所述阻力分量为正值，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围以最大编队宽度行驶，在所述阻力分量与所述航行方向不一致时，所述阻力分量为负值，所述全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围内以最小编队宽度行驶。具体的，在上述最佳行驶路径中，在上述水流阻力在船舰航行方向上的分量是负时，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围内以最小编队宽度行驶，以减少水流阻力，达到节省整个船舰队列的能源消耗量，在水流阻力分量为正值时，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围以最大编队宽度行驶，增大水流对全部船舰的正向作用力，在船舰以预设速度行驶时，达到节省能源消耗的目的。
进一步地，步骤S4中，船舰的能源消耗率为行驶预设距离能源消耗量与船舰重量、船舰阻力、湿面积、行驶速度和水流阻力的乘积的比值再乘以权重系数，所述能源消耗率的表达式为：
其中，
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰行驶预设距离能源消耗量，/>
为第i船舰的载重和携载货物的重量之和，/>
为第i船舰位置处的水流阻力，/>
为第i船舰的行驶速度，/>
为权重系数，/>
为第i船舰的湿面积，i的取值范围为1到N的正整数，N为参数编队的船舰的总数量。
进一步地，所述步骤S4中，基于所述行驶数据和各个位置处的阻力确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系，包括如下步骤：
步骤S41：根据各个船舰的能源消耗率和所述各个船舰后方的波动阻力计算所述各个船舰的行驶数据，所述各个船舰的行驶数据表达式为：
其中，
为第i船舰的航行数据，/>
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰后方的波动阻力，/>
为第i船舰的能源消耗率的权重系数，/>
为第i船舰后方的波动阻力的权重系数；
具体的，船舰的行驶数据不仅考虑到舰船的能源消耗率，还考虑到船舰后方的波动阻力，例如：
的取值为0.8，/>
的取值为0.2；
步骤S42：所述船舰队列中第一行的船舰为领航舰，所述船舰队列以预设速度行驶，根据所述船舰队列中未编排船舰的位置中获取阻力最大的位置，并基于所述阻力最大的位置处的水流阻力和通过所述各个船舰的行驶数据表达式计算未编排位置的船舰在所述阻力最大位置处的行驶数据，并将所述未编排位置的船舰中行驶数据最小的船舰放置在所述阻力最大的位置处；具体的，将行驶数据较小的船舰放置在阻力较大的位置处，以较小的能源消耗来抵挡较大的阻力，同时还为后方的船舰提供了较小波动阻力的航行环境，提高了整个船舰队列的能源消耗；
步骤S43：重复所述步骤S42,获取所述船舰队列中每一位置对应的船舰。
进一步地，所述步骤S5中，周期性的计算第i船舰的第一行驶数据，并将所述第一行驶数据与所述第i船舰上次保存的第二行驶数据进行比较获取第一差值，在所述第一差值小于第一阈值时，正常行驶；
具体的，按照预定周期计算上述第i船舰的的第一行驶数据，其中，第i船舰与第i位置相对应，位置的排序是按照上述步骤S42中，位置的编排顺序，第i位置处的航道阻力大于第i+1位置处的航道阻力，在第一差值小于第一阈值时，第i船舰的行驶状态较平稳，运行状态变化较小，可以继续正常行驶；
在所述第一差值大于所述第一阈值时，在所述第一行驶数据小于所述第二行驶数据时，正常行驶；在所述第一行驶数据大于所述第二行驶数据时，计算第i+1船舰在第i船舰位置处的第三行驶数据，在所述第一行驶数据小于所述第三行驶数据时，正常行驶，并保存所述第一行驶数据至存储单元，在所述第一行驶数据大于所述第三行驶数据时，计算所述第一行驶数据和所述第三行驶数据的第二差值，在所述第二差值小于第二阈值时，通过第i船舰位置处前方的第j船舰的波动阻力模型获取第一速度，所述第j船舰在所述第一速度行驶时满足行驶数据与上次保存的第j船舰的行驶数据之间的差值小于所述第一阈值，通过通信单元将第一速度信息发送给所述第j舰船，所述第j船舰接收所述第一速度信息并以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进以减小所述第i船舰的波动阻力，其中所述第一速度大于船舰队列的预设速度；
具体的，在第一差值大于第一阈值时，第i船舰的第一行驶数据小于第二行驶数据时，第i舰船的节能性能较上次有所提升，可以继续保持正常行驶，在第一行驶数据大于第二行驶数据时，第i船舰的节能性能较上次有所降低，有可能是第i舰船的性能发生变化，也有可能是当前的航行环境发生了变化，因此需要计算一下第i+1船舰的行驶数据，第i+1船舰是节能性能低于第i船舰中节能性能最优的船舰，计算第i+1船舰在第i船舰所在位置处的第三行驶数据，并将第一行驶数据和第三行驶数据进行比较获取两者的节能性能差异，在第二差值小于第二阈值时，第i船舰和第i+1的船舰的节能性能差异不大，如果调换位置不仅需要减速还需要防止碰撞可以通过减小第i船舰前面位置处第j船舰后方的波动阻力来减小第i船舰的行驶参数，通过第j船舰的波动阻力模型获取第一速度，第j船舰在第一速度下，在航行环境稳定的情况下，行驶数据与上次保存的行驶数据差值在第一阈值范围内，由于第j船舰增加了速度，能源消耗率会上升，但是其后方的波动阻力会下降，因此在行驶数据变化不大的情况下是有可能获取第一速度的；在船舰队列航行时，船舰之间的距离是一定的，在第j船舰的速度提高时，会使第j船舰的距离与前面的船舰的距离变短，因此，第j船舰以第一速度向前航行，在与前方船舰的距离小于等于安全距离时，暂停，在第j船舰与第i船舰的距离小于等于安全距离时以第一速度向前航行，重复上述脉冲式前进方式，在满足第j船舰行驶数据变化不大的情况下，减小了后方航道的阻力，提高了第i船舰的节能性能；
在所述第二差值大于所述第二阈值或者不能获取所述第一速度时，将所述第i船舰驶出对应的位置，依次计算第k船舰在第k-1位置处的行驶数据及第i船舰在第k-1位置处的行驶数据,在第i船舰在第k-1位置处的行驶数据小于第k舰船在第k-1位置处的行驶数据时，将所述第i船舰放置在第k-1位置处，将第i+1船舰至第k-1船舰向前平移一个位置，其中，k的取值范围为i+2到N的正整数。
具体的，在第二差值大于第二阈值或者不能获取满足上述要求的第一速度时，需要调整第i船舰的位置来达到整个船舰队列整体节能的目的，在其他船舰都正常行驶时，各个位置处的航道阻力变化不大，因此只需要针对船舰的位置进行调整，由于第i船舰的行驶数据小于第i+1船舰的行驶数据且两者差值较大，因此将第i+1船舰放置在第i船舰第i船舰原来的位置上，并计算第i船舰和第i+2船舰在第i+1船舰原来的位置处的行驶数据，在第i船舰的行驶数据小于第i+2船舰的行驶数据时，将第i船舰放置在第i+1船舰原来的位置上，否则将第i+2船舰放置在第i+1船舰原来的位置上，重复上述技术方案至给第i船舰分配到合适的位置，从而使整个船舰队列的能源消耗得到优化。
进一步地，所述第j船舰以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进，包括：在所述第j船舰与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离时以第一速度向前航行，在所述第j船舰与前方船舰的距离小于等于第二安全距离时，所述第j船舰暂停至与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离。
具体的，通过第j船舰的脉冲式前进较小了后方的航道阻力，减小了第i船舰的能源消耗率从而达到了节能的目的。
本发明还提供一种智能船舰节能航向编队系统，所述系统用于实现上述的智能船舰节能航向编队方法,如图2所示，所述系统包括：
地形获取单元，用于从电子海图获取船舰的航道的地形信息；
障碍物检测单元，用于获取避碰路径；
路径规划单元，用于基于地形信息和避碰路径实时获取最佳行驶路径；
机器学习单元配置为：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；
存储单元，用于保存船舰队列中各个船舰的行驶数据；
计算单元配置为：通过航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰队列队形；
还基于航道阻力模型计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并基于各个位置处的阻力计算各个船舰的行驶数据，行驶数据包括所述各个舰船在所述各个位置处能源消耗率和各个船舰后方的波动阻力之和，基于行驶数据确定各个船舰与船舰队列队形中位置的对应关系；
在航行的过程中，周期性的计算船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整船舰前一个船舰的行驶速度，在通过调整船舰的前一个船舰的行驶速度不能使船舰的行驶数据满足要求的情况下，调整船舰在船舰队列中的位置；
通信单元，用于实现编队系统和船舰队列中船舰之间的通信。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有程序指令，其中在所述程序指令运行时控制所述存储介质所在设备执行上述的智能船舰节能航向编队方法。
需要更加注意的是，在航行的过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在所述船舰队列中的位置。
综上所述，本发明通过电子海图和障碍物检测单元获取能够保证船舰队列平稳行驶的较节能的最佳行驶路线，并在最佳行驶路线中根据航道阻力模型获取船舰队列前方的水流阻力并根据水流阻力在航行方向上的作用力确定船舰队列队形，在水流阻力为正向作用力时，以最大队列宽度在最佳路径中航行，增加整个船舰队列的水流推动力，从而达到节能的目的，在水流阻力为反作用力时，以最小队列宽度在最佳路径中航行，减少水流阻力，从而达到节能的目的，进一步地，还根据各个位置处的水流阻力和各个船舰的行驶数据来分配船舰队列中的位置，不仅考虑单个船舰的能源消耗率与水流阻力的关系还考虑到船舰后方波动阻力大小，能够使用较小的能源消耗来抵挡较大的水流阻力，并开辟了一条阻力较小的航道，减小后续船舰的水流阻力，从而提高整个船舰队列的节能效率，并且在行驶过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在船舰队列中的位置，通过上述技术方案的相互作用和配合，使整个船舰队列在行驶过程中的节省了能源消耗，提高了能源的利用率。
上述的实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
上述的实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
上述的仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：通过电子海图获取船舰的航道地形信息，通过障碍物检测单元获取避碰路径，基于所述航道地形信息和所述避碰路径获取最佳行驶路径；
步骤S2：通过机器学习建立航道阻力模型和各个船舰的波动阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；
步骤S3：通过所述航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据所述船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和所述最佳行驶路径的宽度范围内获取船舰队列队形；
步骤S4：还基于所述航道阻力模型实时计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并根据各个船舰的能源消耗率、所述各个船舰后方的波动阻力和所述船舰队列中各个位置处的阻力计算所述各个船舰的行驶数据，基于所述各个船舰的行驶数据和各个位置处的阻力确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系；
步骤S5：在航行的过程中，周期性的计算所述船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据与上次保存的行驶数据的差值调整所述船舰前一个船舰的行驶速度或者调整所述船舰在所述船舰队列中的位置。
2.根据权利要求1所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，步骤S1中，通过计算全部船舰的吃水深度，根据所述全部船舰的吃水深度获取最大吃水深度，基于所述电子海图和所述最大吃水深度获取水下障碍物的位置信息，所述障碍物检测单元包括雷达感应器，根据所述雷达感应器检测船舰周围的障碍物位置信息，基于所述障碍物位置信息获取所述避碰路径。
3.根据权利要求1所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，步骤S3中，根据所述船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值获取船舰队列队形，包括：根据所述船舰队列前方的水流阻力的大小和方向计算所述水流阻力在船舰航行方向上的阻力分量，在所述阻力分量与所述航行方向一致时，所述阻力分量为正值，全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围以最大编队宽度行驶，在所述阻力分量与所述航行方向不一致时，所述阻力分量为负值，所述全部船舰在最佳行驶路径的宽度范围内以最小编队宽度行驶。
4.根据权利要求1所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，步骤S4中，船舰的能源消耗率为行驶预设距离能源消耗量与船舰重量、船舰阻力、湿面积、行驶速度和水流阻力的乘积的比值再乘以权重系数，所述能源消耗率的表达式为：
其中，i为第i船舰,
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰行驶预设距离能源消耗量，/>
为第i船舰的载重和携载货物的重量之和，/>
为第i船舰位置处的水流阻力，/>
为第i船舰的行驶速度，/>
为权重系数，/>
为第i船舰的湿面积，i的取值范围为1到N的正整数，N为参与编队的船舰的总数量。
5.根据权利要求4所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，所述步骤S4中，基于所述行驶数据和各个位置处的阻力确定所述各个船舰与所述船舰队列队形中位置的对应关系，包括如下步骤：
步骤S41：根据各个船舰的能源消耗率和所述各个船舰后方的波动阻力计算所述各个船舰的行驶数据，所述各个船舰的行驶数据表达式为：
其中，
为第i船舰的航行数据，/>
为第i船舰的能源消耗率，/>
为第i船舰后方的波动阻力，/>
为第i船舰的能源消耗率的权重系数，/>
为第i船舰后方的波动阻力的权重系数；
步骤S42：所述船舰队列中第一行的船舰为领航舰，所述船舰队列以预设速度行驶，根据所述船舰队列中未编排船舰的位置中获取阻力最大的位置，并基于所述阻力最大的位置处的水流阻力和通过所述各个船舰的行驶数据表达式计算未编排位置的船舰在所述阻力最大位置处的行驶数据，并将所述未编排位置的船舰中行驶数据最小的船舰放置在所述阻力最大的位置处；
步骤S43：重复所述步骤S42,获取所述船舰队列中每一位置对应的船舰。
6.根据权利要求1所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，所述步骤S5中，周期性的计算第i船舰的第一行驶数据，并将所述第一行驶数据与所述第i船舰上次保存的第二行驶数据进行比较获取第一差值，在所述第一差值小于第一阈值时，正常行驶；
在所述第一差值大于所述第一阈值时，在所述第一行驶数据小于所述第二行驶数据时，正常行驶；在所述第一行驶数据大于所述第二行驶数据时，计算第i+1船舰在第i船舰位置处的第三行驶数据，在所述第一行驶数据小于所述第三行驶数据时，正常行驶，并保存所述第一行驶数据至存储单元，在所述第一行驶数据大于所述第三行驶数据时，计算所述第一行驶数据和所述第三行驶数据的第二差值，在所述第二差值小于第二阈值时，通过第i船舰位置处前方的第j船舰的波动阻力模型获取第一速度，所述第j船舰在所述第一速度行驶时满足行驶数据与上次保存的第j船舰的行驶数据之间的差值小于所述第一阈值，通过通信单元将第一速度信息发送给所述第j船舰，所述第j船舰接收所述第一速度信息并以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进以减小所述第i船舰的波动阻力，其中所述第一速度大于船舰队列的预设速度；
在所述第二差值大于所述第二阈值或者不能获取所述第一速度时，将所述第i船舰驶出对应的位置，依次计算第k船舰在第k-1位置处的行驶数据及第i船舰在第k-1位置处的行驶数据,在第i船舰在第k-1位置处的行驶数据小于第k船舰在第k-1位置处的行驶数据时，将所述第i船舰放置在第k-1位置处，将第i+1船舰至第k-1船舰向前平移一个位置，其中，k的取值范围为i+2到N的正整数。
7.根据权利要求6所述一种智能船舰节能航向编队方法，其特征在于，所述第j船舰以所述第一速度在安全距离范围内脉冲式前进，包括：在所述第j船舰与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离时以第一速度向前航行，在所述第j船舰与前方船舰的距离小于等于第二安全距离时，所述第j船舰暂停至与所述第i船舰的距离小于等于第一安全距离。
8.一种智能船舰节能航向编队系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-7任意一项所述的智能船舰节能航向编队方法，所述系统包括：
地形获取单元，用于从电子海图获取船舰的航道的地形信息；
障碍物检测单元，用于获取避碰路径；
路径规划单元，用于基于地形信息和避碰路径实时获取最佳行驶路径；
机器学习单元配置为：通过机器学习建立各个船舰的波动阻力模型和航道中的航行阻力模型，基于所述各个船舰的波动阻力模型获取所述各个船舰后方位置处的波动阻力，基于所述航道阻力模型获取航道中各个位置处的阻力；
存储单元，用于保存船舰队列中各个船舰的行驶数据；
计算单元配置为：通过航道阻力模型计算船舰队列前方的水流阻力，根据船舰队列前方的水流阻力在船舰航行方向上的贡献值和最佳行驶路径的宽度范围内获取船船舰舰队列队形；
还基于航道阻力模型计算所述船舰队列队形中各个位置处的阻力，并基于各个位置处的阻力计算各个船舰的行驶数据，行驶数据包括所述各个船舰在所述各个位置处能源消耗率和各个船舰后方的波动阻力之和，基于行驶数据确定各个船舰与船舰队列队形中位置的对应关系；
在航行的过程中，周期性的计算船舰队列队形中各个船舰的行驶数据，并根据船舰的行驶数据的与上次保存的行驶数据的差值调整船舰前一个船舰的行驶速度，在通过调整船舰的前一个船舰的行驶速度不能使船舰的行驶数据满足要求的情况下，调整船舰在船舰队列中的位置；
通信单元，用于实现编队系统和船舰队列中船舰之间的通信。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序指令，其中在所述程序指令运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述的智能船舰节能航向编队方法。
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