CN116592895B - 一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶导航技术领域，尤其涉及一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，包括如下流程：分别建立艏向保持转移策略及转艏快速转移策略的时效性模型，预估艏向保持转移策略消耗时间及转艏快速转移策略消耗时间；分别建立两种策略的安全性模型，并计算两种策略的全时段推进器使用率及；计算出两种策略评价系数及；比较和，选择和中比较小的方案作为船舶转移航路规划方案进行阵位转移，若和均为无穷大，不开展危险物处置作业。本发明提供的方法同时兼顾船舶安全性、作业快速性，从而在危险物处置时安排合理的船舶航路规划引导方案。
Description
技术领域
本发明涉及船舶导航技术领域，尤其涉及一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法。
背景技术
船舶动力定位系统，能够采用控制算法驱动船舶配备的推进器，自动抵御海上环境的干扰，实现船舶位置与艏向的精准控制，具有定位精度高、机动性强、不受海域深度限制等优点。尤其在特种船舶领域，越来越多的特种工程船舶配置了动力定位系统，比如布缆船、救捞船、海巡船、消防船等，这些配置了动力定位设备、具备精准位置姿态控制能力的船舶可统称为动力定位船舶。
水面危险物、爆炸物的识别、查证、处理，是动力定位船舶的典型应用场景。在进行水面危险物处置作业时，对船舶运动有严格的作业安全要求：船舶需要在水面危险物不同等级的安全半径外，选定3-5个观察阵位，从不同角度利用声呐、雷达、摄像头、ROV等侦测设备在观察阵位上对危险物进行识别、查证及处理。
而在对危险物进行识别、查证及处理过程中，船舶如何进行航路规划并进行定点定位保持，完成水面危险物识别、查证、处理作业，并且同时兼顾船舶安全性、作业快速性，从而安排合理的船舶航路规划引导方案是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，通过建立艏向保持转移策略与转艏快速转移策略的时效性模型，以及艏向保持转移策略与转艏快速转移策略的安全性模型，计算出艏向保持转移策略及转艏快速转移策略评价系数，择优选择评价系数较小的转移策略进行船舶航路规划，在保证满足船舶作业任务运动控制要求的前提下，兼顾船舶安全性和作业时效性，为水面危险物处置作业提供了可靠保障。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其包括如下步骤：
S1:当船舶面向水面危险物进行处置作业时，分别建立艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型，并根据相应的时效性模型计算艏向保持转移策略预估消耗时间及转艏快速转移策略预估消耗时间/>；
S2:分别建立艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型，并根据相应的安全性模型计算艏向保持转移策略全时段推进器使用率及转艏快速转移策略全时段推进器使用率/>；
S3: 根据式（1）计算出艏向保持转移策略评价系数，根据式（2）计算出转艏快速转移策略评价系数/>；
（1）；
（2）
其中为可调节的权重系数；t为阵位转移时间，/>为艏向保持转移策略全时段推进器使用率的最大值，/>为转艏快速转移策略全时段推进器使用率的最大值；
S4:比较和/>，选择/>和/>比较小的规划方案作为面向水面危险物处置作业时船舶转移航路规划方案进行阵位转移，若/>和/>均为无穷大，则船舶在当前海况下存在难以抵御环境载荷的失控风险，不适合开展危险物处置作业。
进一步，S1中船舶艏向保持转移策略的时效性模型建立包括如下步骤：
D1: 首先根据式（3）得到船舶转移实时线速度的约束：
（3）；
其中：为水面危险物与船舶实时位置连线相对风浪流环境合力方向/>的方位角,/>为船舶的实时纵向速度，/>为船舶所能达到的纵向速度极限，为船舶的实时横向速度，/>为船舶所能达到的横向速度极限，/>为船舶转移实时线速度，/>为用户设定的转移速度；
D2:根据艏向保持转移策略的时效性模型式（4）计算船舶从初始观察阵位转移至下一观察阵位的预估消耗时间：
（4）；
其中：为水面危险物与船舶初始观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，为水面危险物与船舶下一观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，/>为船舶环绕水面危险物的安全作业半径。
进一步，S1中转艏快速转移策略的时效性模型为式（5）：
（5）；
其中：为船舶转艏角速度，/>为船舶第一次转艏时间/>，/>为船舶第二次转艏时间/>；/>为受/>和/>约束的实际船速，/>为船舶纵向最大加速度，/>为船舶弧线循迹的加减速时间、/>为船舶弧线循迹的匀速运动时间，/>为弧线循迹时间，/>为从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角。
由于转艏快速转移策略的航路为两次转艏以及中间沿圆弧切线运行，因此其阵位转移时间等于两次转艏时间、/>与弧线循迹时间/>之和，并且弧线循迹时间又包括加速段、匀速段、减速段，因此转艏快速转移策略的时效性模型可由式（4）来表示，从而得到船舶从初始观察阵位转移至下一观察阵位的预估消耗时间。
进一步，S2中建立船舶艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型包括如下步骤：
E1：针对艏向保持转移策略和转艏快速转移策略，分别采用动力定位系统的运动规划模块进行运动引导，输出两种策略的对地引导速度的时间序列及引导艏向的时间序列/>；
当采用艏向保持转移策略时，引导艏向的时间序列为定值，对地引导速度的时间序列/>由式（6）迭代求得：
（6）；
其中：为船舶在圆弧上的实时方位角，/>为船舶在圆弧上前一时刻的方位角，/>为最大纵向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为最大横向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为用户设定速度对船舶转移合速度产生的约束，为环境有利艏向，/>为控制周期；
当采用转艏快速转移策略时，对地引导速度的时间序列、引导艏向的时间序列/>根据转艏快速转移的不同阶段如式（7）—（11）所示：
第一次原地转艏，
（7）；
弧线循迹加速段，
（8）；
弧线循迹匀速段，
（9）；
弧线循迹减速段，
，（10）；
第二次原地转艏，
（11）；
为第一次原地转艏的结束时间，/>为弧线循迹加速段的结束时间，/>为弧线循迹匀速段的结束时间，/>为弧线循迹减速段的结束时间；
E2：根据式（12）计算船舶的对水引导速度及船舶的相对风速，
（12）；
其中：为当前水流速度矢量，/>为当前风的速度矢量，/>为对地引导速度矢量的时间序列，其大小为步骤E1求得的/>，其方向为船舶所在安全作业圆弧的切线方向；
E3：根据式（13）求解船舶的风载荷时间序列，根据式（14）求解船舶的流载荷时间序列/>，根据式（15）求解船舶的浪载荷时间序列/>：
（13）；
其中:为船舶的纵向风载荷时间序列，/>为船舶的横向风载荷时间序列，/>为船舶的艏向风载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次风载荷系数，/>为船舶的横向无因次风载荷系数，为船舶的艏向无因次风载荷系数，/>为相对风向角时间序列，/>为空气密度，/>为相对风速时间序列，/>为正向风投影面积，/>为侧向风投影面积，/>为船舶总长；
（14）
其中：为船舶的纵向流载荷时间序列，/>为船舶的横向流载荷时间序列，/>为船舶的艏向流载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次流载荷系数，/>为船舶的横向无因次流载荷系数，为船舶的艏向无因次流载荷系数，/>为相对流向角时间序列，为海水密度，/>为船舶对水引导速度时间序列，/>为船舶垂线间长，为船宽，/>为吃水；
（15）
其中：为船舶的纵向浪载荷时间序列，/>为船舶的横向浪载荷时间序列，/>为船舶的艏向浪载荷时间序列，/>为船舶的纵向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的横向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的艏向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，波浪谱选用ITTC双参数波谱，/>为有义波高，/>为谱形心周期，为相对浪向角时间序列，/>为海水密度，/>为重力加速度，/>为船舶垂线间长，/>为波幅；
E4：根据式（16）计算船舶完成阵位转移的纵向三维控制力时间序列、横向三维控制力时间序列/>及艏向三维控制力时间序列/>；
（16）；
E5：结合船舶推进器配置，采用动力定位推力分配模块，由三维控制力时间序列、/>及/>计算全部推进器的控制指令时间序列，并归一化得到艏向保持转移策略全船推进器使用率序列/>，/>和转艏快速转移策略的全船推进器使用率序列/>，/>。
优化的，动力定位系统的运动规划模块按照如下要求进行运动引导：
动力定位系统的运动规划模块按照如下要求进行运动引导：
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度未达到最大速度时，船舶进行加速操作，对地引导速度的时间序列，/>为船舶的加速度；
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度达到最大速度时，船舶进行匀速操作，保持上一时刻对地引导速度，地引导速度的时间序列满足；
当船舶距目标点的剩余距离小于刹车距离时，船舶进行减速操作，对地引导速度的时间序列满足。
优化的，在建立船舶艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型前，预先明确用户输入信息、船舶的参数信息以及环境信息，其中用户输入信息包括水面危险物的位置、船舶环绕水面危险物的安全作业半径/>、初始观察阵位位置/>、下一观察阵位位置/>、从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角/>、环境有利艏向/>、用户设定的转移速度/>、用户设定的转艏角速度/>；船舶参数信息包括船舶所能达到的纵向速度极限/>、船舶所能达到的横向速度极限/>、船舶所能达到的最大转艏角速度/>、船舶纵向最大加速度/>、船舶的风浪流载荷系数曲线、推进器能力及配置；环境信息包括当前作业海域的风速、风向、流速、流向、波高、波浪周期、浪向。
发明的有益效果
本发明提供的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，具有如下优点：
1.本发明针对海上危险物、爆炸物的识别、查证、处理等典型场景，严格根据危险物处置的安全作业规程和船舶操控需求，在保证安全性的前提下，兼顾了船舶作业的安全性和时效性，为危险物处置作业提供了定量化的船舶航路规划辅助决策。
2.本发明提出了阵位转移的时效性模型，综合考虑了船舶纵向速度、横向速度、加速度、转艏速度、用户设定速度等限制因素，能够准确预估从当前观察阵位转移到下一观察阵位的时间消耗，为水面危险物处置作业提供了直观依据。
3.本发明提出了阵位转移的安全性模型，综合考虑了船舶运动需求、风浪流环境干扰、船舶推进器配置等多重因素，以船舶动力定位系统推力分配输出的推进器使用率作为安全性参考指标，为水面危险物处置作业的安全性进行预报，且在最优决策中赋予安全性一票否决权，显著提升了船舶阵位转移航路的安全性。
4.本发明提出了艏向保持转移策略和转艏快速转移策略两种备选策略，分别开展了备选策略的时效性、安全性分析，并定量计算他们的综合评价系数，为水面危险物处置作业的航路规划提供了规范化、可操作的新思路。
附图说明
图1是本发明船舶阵位转移航路规划方法流程总图。
图2是本发明艏向保持转移策略转移航路规划图。
图3是本发明转艏快速转移策略转移航路规划图。
图4是本发明转艏快速转移策略运动时序图。
具体实施方式
一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，船舶阵位转移航路规划方法流程总图如附图1所示，其中附图1中阵位转移策略1代表艏向保持转移策略，阵位转移策略2代表转艏快速转移策略，具体包括如下步骤：
S1: 当船舶面向水面危险物进行处置作业时，分别建立艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型，艏向保持转移策略的时效性模型即图1中所述的时效性模型1，转艏快速转移策略的时效性模型即图1中所述的时效性模型2，并根据相应的时效性模型计算艏向保持转移策略预估消耗时间及转艏快速转移策略预估消耗时间；
在建立船舶艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型前，需要预先明确用户输入信息、船舶的参数信息以及环境信息，这些信息都是可预先获知或者是可以通过实时监测获知的。
其中用户输入信息包括水面危险物的位置、船舶环绕水面危险物的安全作业半径/>、初始观察阵位位置/>、下一观察阵位位置/>、从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角/>、环境有利艏向/>、用户设定的转移速度/>、用户设定的转艏角速度/>；船舶参数信息包括船舶所能达到的纵向速度极限/>、船舶所能达到的横向速度极限/>、船舶所能达到的最大转艏角速度/>、船舶纵向最大加速度/>、船舶的风浪流载荷系数曲线、推进器能力及配置；环境信息包括当前作业海域的风速、风向、流速、流向、波高、波浪周期、浪向。
S2: 分别建立艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型，如图1中的安全性模型1及安全性模型2，并根据相应的安全性模型计算艏向保持转移策略全时段推进器使用率及转艏快速转移策略全时段推进器使用率/>；
S3:根据式（1）计算出艏向保持转移策略评价系数，根据式（2）计算出转艏快速转移策略评价系数/>；
（1）；
（2）；
其中为可调节的权重系数；t为阵位转移时间，/>为艏向保持转移策略全时段推进器使用率的最大值，/>为转艏快速转移策略全时段推进器使用率的最大值；
S4:比较和/>，选择/>和/>比较小的规划方案即为图1中的最优决策，以此作为面向水面危险物处置作业时船舶转移航路规划方案进行阵位转移，若/>和/>均为无穷大，则船舶在当前海况下存在难以抵御环境载荷的失控风险，不适合开展危险物处置作业。这样规划控制，当/>和/>均为无穷大，说明船舶在当前海况下存在难以抵御环境载荷的失控风险，则船舶驶离水面危险物，停止开展危险物处置作业，防止发生危险，进一步提高了船舶进行水面危险物处置作业的安全性，严格执行了安全一票否决制。
本发明中船舶的艏向保持转移策略是指在船舶由当前阵位向下一个阵位转移的过程中，船舶艏向保持不变，始终保持抵御环境载荷的姿态，船舶沿着半径为的圆弧向下一观察阵位转移，/>为船舶环绕水面危险物的安全作业半径，艏向保持转移策略具体转移航路规划如附图2所示。
转艏快速转移策略是指在船舶由当前阵位向下一个阵位转移的过程中，在当前阵位完成船舶转艏至半径为的圆弧切线方向后，保持纵向航行至下一观察阵位，再完成船舶转艏至抵御环境载荷方向，进入观察态势，转艏快速转移策略具体转移航路规划如附图3所示。
这两种转移策略各有利弊，艏向保持转移策略始终保持艏向抵御环境载荷，具有较为优异的安全性能，但受限于船体横向移动速度慢等因素，转移时间较长，能量消耗大；而转艏快速转移策略充分利用了船舶纵向航行速度快的优势，转移时间较短，但在环境较为恶劣时，存在船舶横向迎流、超出推进器推进能力的风险，安全性不及艏向保持转移策略。因此本申请兼顾这两种策略的优缺点，对两种策略的时效性及安全性进行综合评价，后选出最优的阵位转移策略，从而完成船舶航路规划，在保证满足船舶作业任务运动控制要求的前提下，兼顾船舶安全性和作业时效性，为水面危险物处置作业提供了可靠保障。
进一步，S1中船舶艏向保持转移策略的时效性模型建立包括如下步骤：
D1:首先根据式（3）得到船舶转移实时线速度的约束：
（3）；
其中：为水面危险物与船舶实时位置连线相对风浪流环境合力方向/>的方位角,/>为船舶的实时纵向速度，/>为船舶所能达到的纵向速度极限，为船舶的实时横向速度，/>为船舶所能达到的横向速度极限，/>为船舶转移实时线速度，/>为用户设定的转移速度；
由于在艏向保持转移策略中，船舶艏向保持不变，始终保持抵御环境载荷的姿态，船舶沿着半径为R的圆弧向下一观察阵位转移，合速度的方向即为圆弧切线方向，船舶转移实时线速度的大小受到船舶所能达到的纵向速度极限/>、船舶所能达到的横向速度极限/>、用户设定转移速度/>的三重约束，因此船舶转移实时线速度/>的约束可表示为式（3）。
D2:根据艏向保持转移策略的时效性模型式（4）计算船舶从初始观察阵位转移至下一观察阵位的预估消耗时间：
（4）；
其中：为水面危险物与船舶初始观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，为水面危险物与船舶下一观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，/>为船舶环绕水面危险物的安全作业半径。
进一步，S1中转艏快速转移策略的时效性模型为式（5）：
（5）；
其中：为船舶转艏角速度，/>为船舶第一次转艏时间/>，/>为船舶第二次转艏时间/>；/>为受/>和/>约束的实际船速，/>为船舶纵向最大加速度，/>为船舶弧线循迹的加减速时间、为船舶弧线循迹的匀速运动时间，/>为弧线循迹时间，/>为从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角。
转艏快速转移策略的阵位转移时间等于两次转艏时间与弧线循迹时间之和，弧线循迹时间又包括加速段、匀速段及减速段，因此可以用式（5）来计算整个转艏快速转移策略所需的阵位转移时间，具体转艏快速转移策略运动时序图如附图4所示。
从上述两种阵位转移策略的时效性模型可以看出，模型综合考虑了船舶纵向速度、横向速度、加速度、转艏速度、用户设定速度等限制因素，能够准确预估从当前观察阵位转移到下一观察阵位的时间消耗，为水面危险物处置作业的航路规划提供了直观依据。
进一步，S2中建立船舶艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型包括如下步骤：
E1：针对艏向保持转移策略和转艏快速转移策略，分别采用动力定位系统的运动规划模块进行运动引导，输出两种策略的对地引导速度的时间序列及引导艏向的时间序列/>；
当采用艏向保持转移策略时，引导艏向的时间序列为定值，艏向始终保持抵御环境载荷的方向，对地引导速度的时间序列由式（6）迭代求得：
（6）；
其中：为船舶在圆弧上的实时方位角，/>为船舶在圆弧上前一时刻的方位角，/>为最大纵向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为最大横向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为用户设定速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为环境有利艏向，/>为控制周期；
当采用转艏快速转移策略时，由于阵位转移过程包含两次原地转艏和弧线循迹，弧线循迹时间又包括加速段、匀速段、减速段，其对地引导速度的时间序列、引导艏向的时间序列/>根据转艏快速转移的不同阶段如式（7）—（11）所示：
第一次原地转艏，
（7）；
弧线循迹加速段，
（8）；
弧线循迹匀速段，
（9）；
弧线循迹减速段，
（10）；
第二次原地转艏，
（11）；
为第一次原地转艏的结束时间，/>为弧线循迹加速段的结束时间，/>为弧线循迹匀速段的结束时间，/>为弧线循迹减速段的结束时间；
E2：根据式（12）计算船舶的对水引导速度及船舶的相对风速，根据预先获知的对地引导速度以及当前风、浪、流等环境信息，就可以根据式（11）计算出船舶的对水引导速度/>及船舶的相对风速/>：
（12）；
其中：为当前水流速度矢量，/>为当前风的速度矢量，/>为对地引导速度矢量的时间序列，其大小为步骤E1求得的/>，其方向为船舶所在安全作业圆弧的切线方向；
E3：根据式（13）求解船舶的风载荷时间序列，根据式（14）求解船舶的流载荷时间序列/>，根据式（15）求解船舶的浪载荷时间序列/>：根据船舶的引导艏向、引导速度及对水速度、船舶的相对风速及相对风向，利用已知的船舶风浪流载荷系数曲线，带入风浪流环境载荷公式，即可求解风、流、浪环境载荷力的时间序列：
（13）；
其中：为船舶的纵向风载荷时间序列，/>为船舶的横向风载荷时间序列，/>为船舶的艏向风载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次风载荷系数，/>为船舶的横向无因次风载荷系数，为船舶的艏向无因次风载荷系数，/>为相对风向角时间序列，/>为空气密度，/>为相对风速时间序列，/>为正向风投影面积，/>为侧向风投影面积，/>为船舶总长；
（14）；
其中：为船舶的纵向流载荷时间序列，/>为船舶的横向流载荷时间序列，/>为船舶的艏向流载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次流载荷系数，/>为船舶的横向无因次流载荷系数，为船舶的艏向无因次流载荷系数，/>为相对流向角时间序列，为海水密度，/>为船舶对水引导速度时间序列，/>为船舶垂线间长，/>为船宽，/>为吃水；
（15）；
其中：为船舶的纵向浪载荷时间序列，/>为船舶的横向浪载荷时间序列，/>为船舶的艏向浪载荷时间序列，/>为船舶的纵向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的横向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的艏向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，波浪谱选用ITTC双参数波谱，/>为有义波高，/>为谱形心周期，为相对浪向角时间序列，/>为海水密度，/>为重力加速度，/>为船舶垂线间长，/>为波幅；
E4：以抵御船舶风浪流环境载荷、驱动船舶完成阵列转移的航路规划引导为目标，就可以根据式（16）计算船舶完成阵位转移的纵向三维控制力时间序列、横向三维控制力时间序列/>及艏向三维控制力时间序列/>；
（16）；
E5：结合船舶推进器配置，采用动力定位推力分配模块，由三维控制力时间序列、/>及/>计算全部推进器的控制指令时间序列，并归一化得到艏向保持转移策略全船推进器使用率序列/>，/>和转艏快速转移策略的全船推进器使用率序列/>，/>。
这里所述的动力定位推力分配模块为现有技术，不属于本专利保护范围，其具体控制过程可以根据专利公开号为CN108845576B，专利名称为一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法获知。
从上述两种阵位转移策略的安全性模型可以看出，模型综合考虑了船舶运动需求、风浪流环境干扰、船舶推进器配置等多重因素，以船舶动力定位系统推力分配输出的推进器使用率作为安全性参考指标，为水面危险物处置作业的安全性进行预报，且在最优决策中赋予安全性一票否决权，显著提升了船舶阵位转移航路的安全性。
优化的，动力定位系统的运动规划模块按照如下要求进行运动引导：
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度未达到最大速度时，船舶进行加速操作，对地引导速度的时间序列，/>为船舶的加速度；
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度达到最大速度时，船舶进行匀速操作，保持上一时刻对地引导速度，地引导速度的时间序列满足；
当船舶距目标点的剩余距离小于刹车距离时，船舶进行减速操作，对地引导速度的时间序列满足。采取此方式对船舶进行运动引导，可以既兼顾船舶转移的时效性，又兼顾船舶转移的安全性，为船舶进行水面危险物处置作业提供可靠保障。
综上所述，本发明提出的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，通过建立艏向保持转移策略与转艏快速转移策略的时效性模型，以及艏向保持转移策略与转艏快速转移策略的安全性模型，计算出艏向保持转移策略及转艏快速转移策略评价系数，择优选择评价系数较小的转移策略进行船舶航路规划，在保证满足船舶作业任务运动控制要求的前提下，兼顾船舶安全性和作业时效性，为水面危险物处置作业提供了可靠保障，为水面危险物处置作业的航路规划提供了规范化、可操作的新思路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:当船舶面向水面危险物进行处置作业时，分别建立艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型，并根据相应的时效性模型计算艏向保持转移策略预估消耗时间及转艏快速转移策略预估消耗时间/>；
S2:分别建立艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型，并根据相应的安全性模型计算艏向保持转移策略全时段推进器使用率及转艏快速转移策略全时段推进器使用率/>；
S3:根据式（1）计算出艏向保持转移策略评价系数，根据式（2）计算出转艏快速转移策略评价系数/>；
（1）；
（2）
其中为可调节的权重系数；t为阵位转移时间，/>为艏向保持转移策略全时段推进器使用率的最大值，/>为转艏快速转移策略全时段推进器使用率的最大值；
S4:比较和/>，选择/>和/>比较小的规划方案作为面向水面危险物处置作业时船舶转移航路规划方案进行阵位转移，若/>和/>均为无穷大，则船舶在当前海况下存在难以抵御环境载荷的失控风险，不适合开展危险物处置作业。
2.根据权利要求1所述的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于：S1中艏向保持转移策略的时效性模型建立包括如下步骤：
D1:首先根据式（3）得到船舶转移实时线速度的约束：
（3）；
其中：为水面危险物与船舶实时位置连线相对风浪流环境合力方向/>的方位角,为船舶的实时纵向速度，/>为船舶所能达到的纵向速度极限，为船舶的实时横向速度，/>为船舶所能达到的横向速度极限，/>为船舶转移实时线速度，/>为用户设定的转移速度；
D2:根据艏向保持转移策略的时效性模型式（4）计算船舶从初始观察阵位转移至下一观察阵位的预估消耗时间：
（4）；
其中：为水面危险物与船舶初始观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，/>为水面危险物与船舶下一观察阵位连线相对环境合力方向的方位角，/>为船舶环绕水面危险物的安全作业半径。
3.根据权利要求2所述的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于：S1中转艏快速转移策略的时效性模型为式（5）：
（5）；
其中：为船舶转艏角速度，/>为船舶第一次转艏时间/>，/>为船舶第二次转艏时间/>；/>为受/>和/>约束的实际船速，/>为船舶纵向最大加速度，/>为船舶弧线循迹的加减速时间、/>为船舶弧线循迹的匀速运动时间，/>为弧线循迹时间，/>为从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角。
4.根据权利要求3所述的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于：S2中建立船舶艏向保持转移策略的安全性模型及转艏快速转移策略的安全性模型包括如下步骤：
E1：针对艏向保持转移策略和转艏快速转移策略，分别采用动力定位系统的运动规划模块进行运动引导，输出两种策略的对地引导速度的时间序列及引导艏向的时间序列/>；
当采用艏向保持转移策略时，引导艏向的时间序列为定值，对地引导速度的时间序列/>由式（6）迭代求得：
（6）；
其中：为船舶在圆弧上的实时方位角，/>为船舶在圆弧上前一时刻的方位角，/>为最大纵向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为最大横向速度对船舶转移合速度产生的约束，/>为用户设定的转移速度，/>为环境有利艏向，为控制周期；
当采用转艏快速转移策略时，对地引导速度的时间序列、引导艏向的时间序列根据转艏快速转移的不同阶段如式（7）—（11）所示：
第一次原地转艏，
（7）；
弧线循迹加速段，
（8）；
弧线循迹匀速段，
（9）；
弧线循迹减速段，
，（10）；
第二次原地转艏，
（11）；
为第一次原地转艏的结束时间，/>为弧线循迹加速段的结束时间，/>为弧线循迹匀速段的结束时间，/>为弧线循迹减速段的结束时间；
E2：根据式（12）计算船舶的对水引导速度及船舶的相对风速/>，
（12）；
其中：为当前水流速度矢量，/>为当前风的速度矢量，/>为对地引导速度矢量的时间序列，其大小为步骤E1求得的/>，其方向为船舶所在安全作业圆弧的切线方向；
E3：根据式（13）求解船舶的风载荷时间序列，根据式（14）求解船舶的流载荷时间序列/>，根据式（15）求解船舶的浪载荷时间序列/>：
（13）；
其中:为船舶的纵向风载荷时间序列，/>为船舶的横向风载荷时间序列，/>为船舶的艏向风载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次风载荷系数，/>为船舶的横向无因次风载荷系数，为船舶的艏向无因次风载荷系数，/>为相对风向角时间序列，/>为空气密度，/>为相对风速时间序列，/>为正向风投影面积，/>为侧向风投影面积，/>为船舶总长；
（14）
其中：为船舶的纵向流载荷时间序列，/>为船舶的横向流载荷时间序列，/>为船舶的艏向流载荷时间序列，/>为船舶的纵向无因次流载荷系数，/>为船舶的横向无因次流载荷系数，为船舶的艏向无因次流载荷系数，/>为相对流向角时间序列，为海水密度，/>为船舶对水引导速度时间序列，/>为船舶垂线间长，为船宽，/>为吃水；
（15）
其中：为船舶的纵向浪载荷时间序列，/>为船舶的横向浪载荷时间序列，/>为船舶的艏向浪载荷时间序列，/>为船舶的纵向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的横向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，/>为船舶的艏向二阶波浪漂移力无因次载荷系数，波浪谱选用ITTC双参数波谱，/>为有义波高，/>为谱形心周期，/>为相对浪向角时间序列，/>为海水密度，/>为重力加速度，/>为船舶垂线间长，/>为波幅；
E4：根据式（16）计算船舶完成阵位转移的纵向三维控制力时间序列、横向三维控制力时间序列/>及艏向三维控制力时间序列/>；
（16）；
E5：结合船舶推进器配置，采用动力定位推力分配模块，由三维控制力时间序列、及/>计算全部推进器的控制指令时间序列，并归一化得到艏向保持转移策略全船推进器使用率序列/>，/>和转艏快速转移策略的全船推进器使用率序列，/>。
5.根据权利要求4所述的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于：动力定位系统的运动规划模块按照如下要求进行运动引导：
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度未达到最大速度时，船舶进行加速操作，对地引导速度的时间序列，/>为船舶的加速度；
当船舶距目标点的剩余距离大于刹车距离且速度达到最大速度时，船舶进行匀速操作，保持上一时刻对地引导速度，地引导速度的时间序列满足；
当船舶距目标点的剩余距离小于刹车距离时，船舶进行减速操作，对地引导速度的时间序列满足。
6.根据权利要求1述的一种水面危险物处置作业的船舶航路规划方法，其特征在于：在建立船舶艏向保持转移策略的时效性模型及转艏快速转移策略的时效性模型前，预先明确用户输入信息、船舶的参数信息以及环境信息，其中用户输入信息包括水面危险物的位置、船舶环绕水面危险物的安全作业半径/>、初始观察阵位位置/>、下一观察阵位位置/>、从初始观察阵位到下一观察阵位对应的圆心角/>、环境有利艏向/>、用户设定的转移速度/>、用户设定的转艏角速度/>；船舶参数信息包括船舶所能达到的纵向速度极限/>、船舶所能达到的横向速度极限/>、船舶所能达到的最大转艏角速度、船舶纵向最大加速度/>、船舶的风浪流载荷系数曲线、推进器能力及配置；环境信息包括当前作业海域的风速、风向、流速、流向、波高、波浪周期、浪向。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108876065A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-11-23 | 武汉理工大学 | 一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法 |
| CN113053170A (zh) * | 2019-12-29 | 2021-06-29 | 广东华风海洋信息系统服务有限公司 | 一种实现智能航行系统的方法 |
| WO2021230356A1 (ja) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | 船舶の自動誘導方法、船舶の自動誘導プログラム、船舶の自動誘導システム、及び船舶 |
| CN114611206A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-06-10 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种动力定位船的环境最优艏向定位方法 |
| CN115826606A (zh) * | 2023-02-14 | 2023-03-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种自升式船舶平台的动力定位控制方法 |
| CN115855065A (zh) * | 2023-02-17 | 2023-03-28 | 亿海蓝（北京）数据技术股份公司 | 航路动态规划方法及系统、可读存储介质 |
| CN115933743A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 上海航天控制技术研究所 | 一种针对目标窗口交会的轨迹规划方法 |
| CN115979275A (zh) * | 2023-03-20 | 2023-04-18 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法 |
| CN115994456A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-04-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种用于船舶推力分配的全回转推进器推力衰减处理方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3644014A1 (en) * | 2018-10-23 | 2020-04-29 | Offshore Navigation Limited | An apparatus for determining an optimal route of a maritime ship |
-
2023
- 2023-07-13 CN CN202310856179.XA patent/CN116592895B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108876065A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-11-23 | 武汉理工大学 | 一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法 |
| CN113053170A (zh) * | 2019-12-29 | 2021-06-29 | 广东华风海洋信息系统服务有限公司 | 一种实现智能航行系统的方法 |
| WO2021230356A1 (ja) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | 船舶の自動誘導方法、船舶の自動誘導プログラム、船舶の自動誘導システム、及び船舶 |
| CN114611206A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-06-10 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种动力定位船的环境最优艏向定位方法 |
| CN115933743A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 上海航天控制技术研究所 | 一种针对目标窗口交会的轨迹规划方法 |
| CN115826606A (zh) * | 2023-02-14 | 2023-03-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种自升式船舶平台的动力定位控制方法 |
| CN115855065A (zh) * | 2023-02-17 | 2023-03-28 | 亿海蓝（北京）数据技术股份公司 | 航路动态规划方法及系统、可读存储介质 |
| CN115979275A (zh) * | 2023-03-20 | 2023-04-18 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法 |
| CN115994456A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-04-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种用于船舶推力分配的全回转推进器推力衰减处理方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| Research on Path Planning Method of Unmanned Boat Based on Improved Artificial Potential Field Method;L. Zhang, Y. Han and B. Jiang;《2022 6th Asian Conference on Artificial Intelligence Technology (ACAIT)》;1-10 * |
| The angle guidance path planning algorithms for unmanned surface vehicle formations by using the fast marching method;Yuanchang Liu, Richard Bucknall;《Applied Ocean Research》;327-344 * |
| 刘裕旭 ; 赵立刚 ; 刘苑.大流量下主干航路规划方案的评估研究.《航空计算技术》.2019,79-82+86. * |
| 基于船舶数据的轨迹挖掘方法及框架构建;张炜林;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;1-62 * |
| 基于运动模型的水面无人艇路径规划;贾胜伟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;1-95 * |
| 郭胜童 ; 徐凯 ; 彭宜蔷.全球智能船舶及规范发展动向.《中国船检》.2019,29-34. * |
| 非常规天气的安全评估技术与动态改航规划;雷鸣;骆文杰;王亮;齐松岭;冯瑶;赵纬经;;科技创新与应用(第05期);全文 * |
Also Published As
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