一種智能化的避臺(tái)航線設(shè)計(jì)方法

湯青慧,陳 戈,劉艷艷

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100;2.青島理工大學(xué)管理學(xué)院,山東青島266520)

一種智能化的避臺(tái)航線設(shè)計(jì)方法

湯青慧1,2,陳 戈1,劉艷艷1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100;2.青島理工大學(xué)管理學(xué)院,山東青島266520)

為提高船舶氣象導(dǎo)航自動(dòng)化水平,實(shí)現(xiàn)避臺(tái)決策由經(jīng)驗(yàn)型向智能型轉(zhuǎn)變,提出1種高效、穩(wěn)定的繞避臺(tái)風(fēng)航線規(guī)劃算法?；陔娮雍D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)GPS、數(shù)字化氣象信息的多源信息集成,直觀顯示船舶和臺(tái)風(fēng)當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì),基于柵格模型設(shè)計(jì)避臺(tái)航線自動(dòng)生成算法,實(shí)現(xiàn)避臺(tái)航線在線實(shí)時(shí)規(guī)劃。仿真結(jié)果表明,該方法能夠根據(jù)氣象信息及時(shí)重建環(huán)境模型并獲取新的最優(yōu)航線,算法對(duì)環(huán)境的復(fù)雜性不敏感,具有穩(wěn)定性好、求解規(guī)模大、效率高的特點(diǎn)。

避臺(tái);航線規(guī)劃;動(dòng)態(tài)避障;氣象導(dǎo)航

臺(tái)風(fēng)是威脅船舶安全航行的最嚴(yán)重災(zāi)害性天氣之一,如何安全有效地繞避臺(tái)風(fēng),是我國(guó)航海界的一項(xiàng)重要課題。為使海上強(qiáng)天氣系統(tǒng)對(duì)船舶的影響降低到最低限度,往往要求船長(zhǎng)具有比較全面系統(tǒng)的氣象理論知識(shí)和豐富的海上經(jīng)驗(yàn),能夠?qū)邮盏降臍庀笮畔⑦M(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。由于過(guò)于依賴人工干預(yù),使得船舶無(wú)法利用現(xiàn)有形式的氣象信息對(duì)船舶進(jìn)行智能的氣象控制,船舶對(duì)氣象信息的綜合處理及分析能力無(wú)法提高,嚴(yán)重制約了氣象信息在航海實(shí)踐活動(dòng)中運(yùn)用的深度和廣度。充分發(fā)揮電子海圖(Electronic Chart and Display and Information System,ECDIS)綜合顯示的優(yōu)勢(shì),將數(shù)字化氣象信息、船舶運(yùn)動(dòng)信息與電子海圖進(jìn)行多源信息集成,提供更加豐富、直觀、科學(xué)的氣象決策依據(jù),在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的船舶繞避臺(tái)風(fēng)算法,實(shí)現(xiàn)避臺(tái)航線準(zhǔn)確、智能、實(shí)時(shí)在線規(guī)劃,對(duì)于提高氣象導(dǎo)航自動(dòng)化水平,保證人員、船舶安全具有非常重要的意義。

防避臺(tái)風(fēng)是1個(gè)復(fù)雜的決策過(guò)程,傳統(tǒng)的解決辦法是將臺(tái)風(fēng)中心的預(yù)報(bào)位置和本船的船位點(diǎn)標(biāo)繪在《臺(tái)風(fēng)位置標(biāo)示圖》上,研究本船與臺(tái)風(fēng)的相對(duì)位置以及相互間動(dòng)態(tài)的發(fā)展態(tài)勢(shì),然后用幾何相對(duì)運(yùn)動(dòng)標(biāo)繪的方法繪算出本船應(yīng)采取的避臺(tái)航向,常見的方法有扇形避臺(tái)法、海圖作業(yè)法、目標(biāo)圓法等[1-3]。這些方法均以經(jīng)驗(yàn)為主,給出的都是大致的行動(dòng)方案,使得決策的及時(shí)性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性較差。近年來(lái),出現(xiàn)了一些智能算法[4],為實(shí)現(xiàn)船舶避臺(tái)智能化做出了積極的探討。但是,在復(fù)雜環(huán)境下,該算法效率急劇下降,難以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。

隨著航海自動(dòng)化水平和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度的不斷提高,選擇較為精確的智能化避臺(tái)方法已成為可能。本文主要研究基于電子海圖平臺(tái)的GPS(Global Position System,GPS)、數(shù)字化氣象信息的多源信息集成,實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航線與臺(tái)風(fēng)路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)控,設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的船舶繞避臺(tái)風(fēng)算法,形成船舶規(guī)避臺(tái)風(fēng)的智能控制方案,為船舶安全有效地繞避臺(tái)風(fēng)提供技術(shù)手段。

1 基于ECDIS的多源信息集成

如圖1所示,地面上任意一點(diǎn)都是三維空間中的點(diǎn),其位置由某種參照系統(tǒng)來(lái)確定,常見的地理坐標(biāo)系采用橢球面定義地球上的位置,即任意一點(diǎn)的平面位置通過(guò)地理坐標(biāo)經(jīng)、緯度來(lái)描述。氣象傳真圖中定位數(shù)據(jù)以及從GPS接收的本船位置數(shù)據(jù)均采用地理坐標(biāo),而電子海圖最常用的是以WGS84坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的墨卡托投影坐標(biāo)。要想在同一坐標(biāo)系上疊加顯示就必須將坐標(biāo)統(tǒng)一起來(lái),把各點(diǎn)的地理坐標(biāo)換算成繪制電子海圖時(shí)的平面坐標(biāo),然后再與計(jì)算機(jī)屏幕上的像素點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 墨卡托投影坐標(biāo)變換Fig.1 Mercator projection transformation

(1)墨卡托投影坐標(biāo)變換

橢球面上某點(diǎn)的地理坐標(biāo)(λ,φ)到墨卡托平面直角坐標(biāo)(x,y)的轉(zhuǎn)化公式如下:

式中:

x,y—墨卡托直角坐標(biāo);

λ,φ—地理坐標(biāo)系的經(jīng)度和緯度;

q—等量緯度,

r0—投影常數(shù),在切圓柱投影中r0=Rcosφ0,在割圓柱投影中r0=Rcosφ0;

R—基準(zhǔn)緯度處橢球的卯酉圈曲率半徑,

φ0—墨卡托投影的基準(zhǔn)緯度;

λ0—中央經(jīng)線的經(jīng)度;

a—地球橢球長(zhǎng)半徑;

e—地球橢球第一偏心率。

(2)平面坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)變換

圖2 墨卡托投影坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)變換Fig.2 Coordinate transformation from Mercator to screen

如圖2所示,電子海圖平面直角坐標(biāo)的原點(diǎn)在左下角,橫坐標(biāo)向右遞增,縱坐標(biāo)向上遞增;而Windows屏幕坐標(biāo)的原點(diǎn)在左上角,橫坐標(biāo)向右遞增,縱坐標(biāo)向下遞增。要在屏幕上顯示多源集成信息,還需進(jìn)行海圖直角坐標(biāo)向屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。設(shè)海圖直角坐標(biāo)為(x0,y0),橫幅為W0,縱幅為H0;屏幕坐標(biāo)為(x1,y1),橫幅為W1,縱幅為H1,則有如下變換關(guān)系:

當(dāng)2個(gè)坐標(biāo)系的橫幅和縱幅之比不一致時(shí),k= min(κ1,κ2)

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了電子海圖、數(shù)字化氣象信息和船位的完整結(jié)合,使用戶可以直觀地觀測(cè)到船舶所在海域的氣象信息,為避離臺(tái)風(fēng)提供更加豐富、直觀、科學(xué)的氣象決策依據(jù)。

2 避臺(tái)決策模型

根據(jù)船舶計(jì)劃航線和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑,判斷當(dāng)前和未來(lái)時(shí)刻的船-臺(tái)相對(duì)位置,是決定船舶是否采取避離措施的重要基礎(chǔ)。見圖3,假設(shè)船舶的航向和速度分別為TCA和vA,速度矢量為vA,預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)方向和速度分別為TCB和vB,速度矢量為vB,預(yù)報(bào)起始時(shí)刻

t0船位于地理坐標(biāo)A0(φA0,λA0)點(diǎn),臺(tái)風(fēng)中心位于

B0(φB0,λB0)點(diǎn),則任意時(shí)刻t,船位A(φA,λA)和臺(tái)風(fēng)中心位置B(φB,λB)點(diǎn)的坐標(biāo)為:

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)法則,利用速度三角形法[5]可求得臺(tái)風(fēng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vR=vB-vA。圖3中直線L為臺(tái)風(fēng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線,過(guò)A0作相對(duì)運(yùn)動(dòng)線L的垂線,A0L0即為未來(lái)船-臺(tái)最近遭遇距離DCPA。

圖3 船臺(tái)綜合態(tài)勢(shì)圖Fig.3 Ship-typhoon comprehensive trend

結(jié)合不同的船舶的船齡、船型、載貨情況以及在大風(fēng)浪中的失速情況,確定船舶與臺(tái)風(fēng)中心的安全距離Rsafe(一般取臺(tái)風(fēng)7級(jí)大風(fēng)圈半徑),當(dāng)DCPA≥Rsafe時(shí),船舶是安全的,可以保持原航線繼續(xù)航行;若DCPA

3 算法介紹

3.1 構(gòu)建環(huán)境模型

環(huán)境建模是實(shí)現(xiàn)物理空間到算法處理抽象空間的1個(gè)映射,本文采用柵格模型進(jìn)行障礙物環(huán)境模型的構(gòu)建,以規(guī)則矩陣柵格為組織形式,將規(guī)劃海域進(jìn)行二維離散化處理劃分為m×n個(gè)正方形柵格。柵格陣左上角為坐標(biāo)原點(diǎn),水平向右為X軸遞增方向,豎直向下為Y軸遞增方向,每個(gè)網(wǎng)格作為1個(gè)像素或者像元Grid= (i,j,ATTR),其中,(i,j)代表柵格所處的行、列號(hào),ATTR表示該柵格的屬性信息。本文以顏色值作為柵格屬性,ATTR[i][j]=白色,表示是自由柵格;A TTR [i][j]為彩色,表示為障礙柵格,不同的顏色值代表不同的障礙物。則避臺(tái)問(wèn)題可描述為:給定起始柵格和目標(biāo)柵格,求從起始柵格出發(fā),繞過(guò)障礙柵格,找到一條通往目標(biāo)柵格的最短航線。

3.2 算法的基本思想

如圖4所示,將給定的起點(diǎn)S和終點(diǎn)T連起來(lái),得到探測(cè)線S T,用以探測(cè)航行途中是否有障礙物。如果S T與障礙物相離或者相切,則S、T之間可以直線航行,S T直線段就是最短的設(shè)計(jì)航線。如果S T與某個(gè)障礙物相交,船舶將試圖從進(jìn)入點(diǎn)P緊貼障礙物航行,直至到達(dá)Q點(diǎn)后繼續(xù)沿著S T方向航行,如此生成一條局部避障航線S-P-R-Q-T。觀察發(fā)現(xiàn),從S可以直航至R,從R也可以直航至T,最短的設(shè)計(jì)航線應(yīng)該是圖中直切障礙物邊界的航線S-R-T。這種形狀,就像在S、T之間緊緊拉著一根橡皮筋,由于障礙物的存在,橡皮筋不能直穿障礙物而沿著障礙物邊界拉伸,橡皮筋所具有的彈性使得航線趨于最短。

圖4 算法基本思想示意圖Fig.4 Basic thought of algorithm

3.3 算法步驟

定義1 對(duì)任意兩柵格點(diǎn)GiGj,若由GiGj決定的線段所經(jīng)過(guò)的任意柵格點(diǎn)都是自由柵格,則稱GiGj是通透的。

定義2 如果節(jié)點(diǎn)N的臨近單元中至少有1個(gè)單元為障礙單元,則稱N為邊界單元。

定義3 障礙物包圍盒是由各障礙物的邊界單元以循環(huán)鏈表的形式逐點(diǎn)存儲(chǔ)而成的繞障包圍圈。

圖4中,探測(cè)線S T與障礙物包圍盒的交點(diǎn)P和Q把障礙物包圍盒分為2部分,任取其中一段如S-RT替換S T上P和Q之間的線段,可得到局部避障航線S-P-R-Q-T。接下來(lái),將按照以下步驟對(duì)局部避障航線進(jìn)行優(yōu)化,得到1條最短的安全航線。

步驟1 讀取離散化的局部避障航線的前2個(gè)節(jié)點(diǎn),分別記作N1和N2,如果N2為終點(diǎn),轉(zhuǎn)步驟6;

步驟2 讀取局部避障航線的下一節(jié)點(diǎn),如果該點(diǎn)為終點(diǎn),轉(zhuǎn)步驟6;否則將該節(jié)點(diǎn)記作N3;

步驟3 判斷N1、N2、N3是否共線,如果3點(diǎn)共線,刪除N2節(jié)點(diǎn),并把N3賦給N2,轉(zhuǎn)步驟2;

步驟4 如果N1、N2、N3不共線,進(jìn)一步判斷N1和N3是否通透,若通透,將N2刪除,并判斷N1是否為起點(diǎn)S,如果N1是起點(diǎn)S,將N3賦給N2,轉(zhuǎn)步驟2;否則,將N1賦給N2,將N1的前一柵格賦給N1,轉(zhuǎn)步驟3;

步驟5 如果N1、N2、N3不共線,且N1和N3不通透,則將對(duì)應(yīng)顏色值的障礙物包圍盒上的邊界點(diǎn)加入到局部避障航線的N1和N2之間,并將該邊界點(diǎn)賦給N1,轉(zhuǎn)步驟3;

步驟6 算法結(jié)束。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

2005年8月11日06··00,在菲律賓以東洋面生成2005年第10號(hào)臺(tái)風(fēng)珊瑚,中央氣象臺(tái)預(yù)報(bào)此臺(tái)風(fēng)向西北方向移動(dòng),在未來(lái)72 h登陸我國(guó)廣東沿海(見圖5)。某輪從新加坡駛往新港,此時(shí)正位于南海中部。12日21··00(U TC),臺(tái)風(fēng)中心位置(20.3°N,119.1°E),移向315(°),移速6 kn,7級(jí)大風(fēng)圈半徑320 n mile。此時(shí),本船船位(16.8°N,112.5°E),航向183(°),航速22 kn。船臺(tái)距離為797.9 n mile,由于船臺(tái)距離較遠(yuǎn),不構(gòu)成威脅,保持原航線繼續(xù)航行。13日06··00(U TC),臺(tái)風(fēng)中心位置T(22.4°N,117.6°E),移向340(°),移速11 kn,7級(jí)大風(fēng)圈半徑350 n mile,此時(shí),本船船位M (19.6°N,115.8°E),航向165(°),航速18 kn。船臺(tái)距離為363.5 n mile,船舶處于風(fēng)險(xiǎn)區(qū),利用本文提出的算法重新生成新航線,結(jié)果見圖6。圖中圓內(nèi)區(qū)域?yàn)闊釒庑?級(jí)以上大風(fēng)區(qū)域,虛線為計(jì)劃航線,實(shí)線為繞避臺(tái)風(fēng)的新航線,新航線可達(dá)到安全避離臺(tái)風(fēng)的目的。

圖5 臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑Fig.5 Forecast path of typhoon

圖6 新生成的避臺(tái)航線Fig.6 Route of typhoon avoidance

4.1 效率分析

圖7 算法效率對(duì)比Fig.7 Comparision of Algorithm efficiency

為驗(yàn)證本文所提出算法的性能,將其與傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)算法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果見圖7。由于充分利用了柵格模型像素間的鄰接關(guān)系,本文提出的算法具有較高的搜索效率,圖中搜索耗時(shí)均不超過(guò)1 s。同時(shí),由于算法的執(zhí)行效率主要取決于起點(diǎn)S到終點(diǎn)T的距離、S T途徑障礙物的數(shù)目,而與其它的障礙物無(wú)關(guān)。因此,算法對(duì)環(huán)境的復(fù)雜度不敏感,穩(wěn)定性好,在障礙物小而多的環(huán)境中優(yōu)勢(shì)更加明顯。4.2適用性分析

當(dāng)?shù)K航物形狀復(fù)雜時(shí),通常的做法是用凸包圍盒近似表示礙航物,極易造成搜索結(jié)果非優(yōu)。本文提出的算法中,障礙物可以為任意形狀,使算法更具一般性、通用性、適用性。當(dāng)障礙物信息發(fā)生改變,能夠根據(jù)更新的環(huán)境信息,重建環(huán)境模型,實(shí)現(xiàn)航行過(guò)程中航線調(diào)整和優(yōu)化,滿足在航船舶動(dòng)態(tài)避臺(tái)的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于電子海圖平臺(tái)進(jìn)行GPS和數(shù)字化氣象信息的疊加顯示,設(shè)計(jì)避臺(tái)航線自動(dòng)生成算法,實(shí)現(xiàn)了避臺(tái)決策的智能化和自動(dòng)化。系統(tǒng)能夠直觀、實(shí)時(shí)顯示船舶和臺(tái)風(fēng)的位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),為用戶提供更加完備、直觀、科學(xué)的氣象決策依據(jù),大大提高了避臺(tái)決策的速度、精度和安全性。算法具有穩(wěn)定性好、效率高的特點(diǎn)。后續(xù)研究將綜合考慮流、浪、潮等多種氣象因素的影響,使得規(guī)劃的航線更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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Abstract: To improve the automatic level of marine meteorological navigation and realize typhoon avoidance from experience to intelligence,an efficient and stable algorithm is designed based on the grid model. The movement information of typhoon and ships are superpositioned on the electronic chart display platform.Simulation results show that the method can realize real-time route planning and obtain new optimal routes according to the environmental model reconstructed by the meteorological information,which is non-sensitive to the environment complexity and has characteristics of stability,large-scale computation and high performance.

Key words: typhoon avoidance;route planning;dynamic obstacle avoidance;meteorological navigation

責(zé)任編輯 陳呈超

An Intelligent Method for Route Planning of Typhoon Avoidance

TANG Qing-Hui1,2,CHEN Ge1,LIU Yan-Yan1
(1.Institute of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Institute of Management,Qingdao Technological University,Qingdao 266520,China)

P231

A

1672-5174(2011)06-104-05

青島市市南區(qū)科技發(fā)展基金項(xiàng)目(2010407XX)“虛擬帆船運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)開發(fā)”資助

2010-09-18;

2011-02-28

湯青慧(1978-),女,講師。E-mail:seaytangqh@163.com