基于大數(shù)據(jù)分析的海上智能航線設(shè)計(jì)

韓佳彤

摘要：本文基于大數(shù)據(jù)分析方法提出了一種船舶智能航線設(shè)計(jì)方法。通過基礎(chǔ)電子海圖地理信息數(shù)據(jù)提取和航行知識(shí)專題數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，對(duì)船舶航線歷史大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出港口到港口、任意點(diǎn)到港口、任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的最優(yōu)航線，并以珠江口船舶航線設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了PC端和手機(jī)APP終端的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)分析 智能航線設(shè)計(jì) 手機(jī)APP

1.研究背景

目前，手機(jī)導(dǎo)航APP在陸地道路導(dǎo)航中應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，算法也很成熟，導(dǎo)航精確度也越來越高，且不僅適應(yīng)車載導(dǎo)航用戶，也能適應(yīng)步行者以及日常公交的換乘用戶使用。但是，市面上鮮有適用于水上導(dǎo)航的手機(jī)APP。在走訪海事部門及港航單位時(shí)，不少用戶提出研發(fā)水上導(dǎo)航軟件尤其是手機(jī)水上導(dǎo)航APP的需求。

陸上導(dǎo)航分類要素比較簡(jiǎn)單，主要是機(jī)動(dòng)車道、公交車道、人行道，道路邊界清晰，且不用考慮躲避障礙物等要素。而水上導(dǎo)航由于航路邊界模糊，水文氣象變化頻繁，水深動(dòng)態(tài)多變，和障礙物的影響，其定位與導(dǎo)航與陸上相比，具有動(dòng)態(tài)性、不可重復(fù)性等特點(diǎn)，使得定位精度比陸上低、系統(tǒng)也較陸上復(fù)雜，需要根據(jù)船舶的類型、吃水、船長(zhǎng)船寬來靈活選擇適合自己船舶的航路，還要隨時(shí)躲避水上島嶼、暗礁、沉船等障礙物，給水上航路的智能設(shè)計(jì)帶來一定困難。

珠江口水網(wǎng)密布，水域交通繁忙，航行規(guī)則復(fù)雜，兩岸港口碼頭眾多，各種類型船舶縱橫往來，有多座大型跨海橋梁、水上工程多，導(dǎo)致航行規(guī)則多而繁雜，且涉及粵港澳三地的水上交通協(xié)調(diào)，交通狀況復(fù)雜。對(duì)該水域智能航線的設(shè)計(jì)造成許多困難。

2.岸基wEB系統(tǒng)智能航線核心算法實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)珠江口海域范圍內(nèi)海洋空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

整理珠江口海域s-57電子海圖。分層分類錄入WEB系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。從電子海圖數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取有用信息：BOYLAT航標(biāo)、BRIDGR橋梁、SOUNDG水深點(diǎn)、DEPARE水深面、DEPCNT等深線、FAIRWY航道、LNDARE陸地島嶼、OBSTRN障礙物、ACHARE錨地、UWTROC礁石、WRECKS沉船等，導(dǎo)入岸基VEB數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2航行知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)管理

航行知識(shí)庫(kù)以開放、可擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)維護(hù)為原則，系統(tǒng)新建錄入珠江口海域范圍內(nèi)航行知識(shí)庫(kù)（空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）如下：航路、水上水下施工區(qū)、港口、航道、魚柵、網(wǎng)格水域、報(bào)告線、報(bào)告區(qū)、禁航區(qū)、禁停區(qū)、限速區(qū)、定線制區(qū)、拋錨區(qū)、重要標(biāo)志信息、危險(xiǎn)點(diǎn)、狹水道區(qū)、海事基地。登陸岸基系統(tǒng)管理員用戶可對(duì)航行知識(shí)庫(kù)進(jìn)行增刪改等編輯更新功能。知識(shí)庫(kù)越完善，為航線設(shè)計(jì)提供的參考信息更準(zhǔn)確。

2.3設(shè)計(jì)算法

第一步：按船舶長(zhǎng)度，寬度，最大吃水深，類型，速度五參數(shù)利用大數(shù)據(jù)分析方法和空間分析方法分別分析現(xiàn)有船舶歷史航跡大數(shù)據(jù)，根據(jù)電子海圖FAIRWY航道數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納采用人機(jī)交互的方式繪制出慣用航線，形成不同等級(jí)的滿足港口到港口傳統(tǒng)的固定航線。由于受到船舶五參數(shù)細(xì)分等級(jí)精度條件的影響，航線設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)有不同細(xì)微的差別，分級(jí)越精細(xì)，結(jié)果越準(zhǔn)確。

第二步：將第一步得到的航線拓?fù)涮幚?，編輯完善，重新生成一張能進(jìn)行最短路徑分析的航線數(shù)據(jù)表。航線拓?fù)涮幚砝每臻g拓?fù)涮幚矸?，將各個(gè)類別得到的所有航線矢量數(shù)據(jù)線統(tǒng)一拓?fù)涮幚?，得到類似路網(wǎng)拓?fù)鋱D的有向線段集合和節(jié)點(diǎn)集合，存儲(chǔ)為慣用航線導(dǎo)航控件數(shù)據(jù)表。該表能計(jì)算最短路徑分析。如圖1所示。

2.4任意點(diǎn)到任意點(diǎn)繞開障礙物航線設(shè)計(jì)

第一步設(shè)計(jì)障礙物：將海上島嶼、暗礁、沉船、禁航區(qū)、水深不能滿足船舶吃水的區(qū)域等船舶不能通行的統(tǒng)稱為障礙物?？蓪⒄系K物繪制更新在島嶼圖層數(shù)據(jù)上，并且繪制時(shí)考慮一定區(qū)域的安全緩沖帶，繪制區(qū)域邊框節(jié)點(diǎn)盡量不用太精細(xì)太密，以便減少服務(wù)端算法負(fù)荷。

第二步：設(shè)計(jì)起點(diǎn)到終點(diǎn)繞開障礙物航線：如圖2所示：S為本船位置，D點(diǎn)為目的地，航線自動(dòng)搜索的步驟如下：

（1）在海圖上設(shè)定起點(diǎn)D、設(shè)定終點(diǎn)S，系統(tǒng)連接起終兩點(diǎn)。起終兩點(diǎn)連接線無穿越障礙物，則得到起終兩點(diǎn)連線作為航線返回給客戶，算法退出。

2.5港口到港口最優(yōu)航線設(shè)計(jì)

主要依托慣用航線數(shù)據(jù)，根據(jù)起點(diǎn)港口位置和終點(diǎn)港口位置，找到航線路徑中的起始節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，采用Dijkstra算法，根據(jù)拓?fù)涮幚淼膽T用航線數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算最短路徑，并增加滿足船舶吃水深權(quán)重值。Dijkstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑。主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止。

任意點(diǎn)到港口的航線設(shè)計(jì)：第一種情況：任意點(diǎn)在珠江口水域外圍區(qū)域：從起點(diǎn)首先找到最近入口點(diǎn)，如圖3中A、B、C、D、E。比如從臺(tái)灣海峽方向任意點(diǎn)。進(jìn)入到找到最近節(jié)點(diǎn)C，則分兩段航線結(jié)果組合返回最終結(jié)果，第一段：從起點(diǎn)到入口點(diǎn)C采用繞開障礙物的方法得到，第二段，以C入口點(diǎn)沿慣用航線找到最近到達(dá)港口的航線。

第二種：任意起點(diǎn)在珠江口水域區(qū)域內(nèi)。首先以任意起點(diǎn)為圓心，采用繞開障礙物算法找到距離最近的慣用航線，然后以最近航線作為起始航線，采用慣用航線求最短距離到達(dá)港口。

2.6任意點(diǎn)到任意點(diǎn)的航線設(shè)計(jì)

結(jié)合以上所有算法，在珠江口水域附近海圖上給定任意起點(diǎn)，任意終點(diǎn)，得到從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最近航線。

3.移動(dòng)APP終端設(shè)計(jì)

手機(jī)移動(dòng)APP端可以通過MMSI綁定船舶，在網(wǎng)絡(luò)在線情況的下，利用岸基系統(tǒng)核心算法功能，將任意起點(diǎn)、任意終點(diǎn)（可以選擇港口，或者海圖上任意點(diǎn)），提交到岸基后臺(tái)，岸基系統(tǒng)計(jì)算最優(yōu)航線返回給APP，APP收到返回的航線后繪制顯示在海圖上，并可保留歷史搜索航線。如圖5。

4結(jié)語

隨著陸上定位與導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，海洋定位與導(dǎo)航技術(shù)也相應(yīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，精度越來越高，應(yīng)用越來越廣泛。目前我國(guó)沿海已建立無線信標(biāo)差分系統(tǒng)，全面覆蓋了我國(guó)沿海地區(qū)，可達(dá)到米級(jí)精度。且隨著船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）覆蓋范圍和定位精度的提高，為水上導(dǎo)航提供了基本條件。相信隨著水上導(dǎo)航技術(shù)的成熟，基于位置與導(dǎo)航功能的手機(jī)APP應(yīng)用的范圍也將更為廣泛，在一些諸如監(jiān)控、緊急救援等突發(fā)事件中將發(fā)揮更大的應(yīng)用潛力。