基于電子海圖的船舶路徑規(guī)劃模擬器開發(fā)

李榮川，陳 寧

（1. 海裝上海局駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200129；2. 江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

近些年來，隨著我國對外貿(mào)易的日益增長，船運運輸及船舶數(shù)量日益增大，海上施工項目的數(shù)量也不斷增加，復雜的水域環(huán)境很容易會造成通航船舶碰撞以及擱淺，因此在復雜水域內(nèi)如何確保船舶安全避開障礙物成為人們越來越關(guān)注的問題[1]。同時，隨著智能船舶的發(fā)展，基于電子海圖的路徑規(guī)劃算法成為保證船舶安全航行的一種有效方法。開發(fā)一種基于電子海圖的船舶路徑規(guī)劃模擬器顯得尤為重要，讓船員充分的理解如何根據(jù)水文、氣象等條件來制定航線，以調(diào)動船員的學習積極性[2]。

模擬器為培訓船員路徑規(guī)劃教學過程的可視化提供了強有力的手段。C#是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它使得程序員可以快速地編寫各種基于MICROSOFT.NET平臺的應用程序并且提供了一系列的工具和服務來最大程度地開發(fā)利用計算與通訊領(lǐng)域，已廣泛應用于高等學校和培訓機構(gòu)的教學試驗中?；赩isual Studio C#設計和實現(xiàn)的船舶路徑規(guī)劃模擬器充分考慮了人機交互的友好性和可擴展性，每條航線都可以查詢或者修改當前航線的所有航點，船員在直觀感受航線制定的同時，可以自己動手修改或者增加航點，加深對培訓內(nèi)容的理解和掌握。模擬器可提高教學的靈活性，為船員動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供沃土。

1 系統(tǒng)內(nèi)容及實現(xiàn)

模擬器利用C#與SQL Server通訊[3]，在電腦上模擬AIS信號，將所用數(shù)據(jù)存入SQL Server，并通過C#可視化界面顯示出所有有效數(shù)據(jù)，最終在電子海圖上實現(xiàn)航線模擬。其中與航線有關(guān)的所有航點都需經(jīng)過AIS數(shù)據(jù)加密才能通過串口輸送到電子海圖里，每2個航點之間形成一段航線，通過C#實現(xiàn)船只虛擬移動，來模擬實際船只的航行。該信號模擬器的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 信號模擬器的系統(tǒng)原理框圖

模擬器操作簡單，船舶只需選擇目的地港口、出發(fā)地港口、船型、桅桿高度、載貨量和吃水深度，點擊查詢按鈕就可以顯示所有的航點，如果查詢條件不滿足要求，界面顯示為空，說明需調(diào)整檢索條件，繼續(xù)檢索。如果在局部范圍考慮水文和氣象條件需繞行，船員可以修改航點或者增加刪除航點實現(xiàn)繞行，但變化后的航點間的船艏向和航程需重新計算[4]，系統(tǒng)界面右側(cè)提供計算的功能，船員需輸入相鄰航點之間的經(jīng)緯度點擊計算按鈕便可得最新的船艏向、航程、剩余航程、經(jīng)度增加量和緯度增加量。信號模擬界面如圖2所示。

1.1 AIS數(shù)據(jù)的加密

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是一種新型的通信導航系統(tǒng)，它使用自組織時分多址（SOTDMA）連接方式，在世界任一海域?qū)崟r進行多船間、船岸間的動靜態(tài)航行信息以及其他與航行安全相關(guān)信息的交換[5]。船舶的IMO號、MMSI號、船名、船舶經(jīng)緯度、時間、對地航速、航向信息、吃水深度、ETA等信息都需經(jīng)過AIS數(shù)據(jù)加密過后才能成為可被設備識別的暗碼[6]。在開始仿真之前，首先要把1臺正在工作的電子海圖的串口與PC機的串口連接，通過RS232信號線進行通訊，然后打開模擬系統(tǒng)，選擇對應的航線進行模擬，模擬器模擬AIS信號并傳輸?shù)诫娮雍D上顯示。電子海圖與計算機連接如圖3所示。

圖2 信號模擬界面顯示

圖3 電子海圖與計算機連接

AIS數(shù)據(jù)加密是將船舶的各項數(shù)據(jù)的十進制轉(zhuǎn)化為對應位數(shù)的二進制，當加密數(shù)據(jù)時，需要先將16進制的數(shù)轉(zhuǎn)化為每字節(jié)存放6位的有效數(shù)據(jù)，然后將6位有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8位ASCII，然后根據(jù)標準的 AIVDM 語句格式進行打包處理[7]。

1.2 航點獲取與存儲

軟件VS2015編程獲取和存儲電子海圖對應海域的環(huán)境信息，其中包括陸地、島嶼、海床和等深線等障礙物的信息，生成模擬船只航行的海洋環(huán)境空間。將已經(jīng)獲取的海洋環(huán)境模型進行柵格化，并設置柵格的大小，啟用基于電子海圖信息的遺傳算法進行航線規(guī)劃[8]，獲取一條航線對應的多個航點。航點獲取軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 全局路徑規(guī)劃程序流程圖

模擬器的航線主要依賴于多個航點的選取，通過全局路徑規(guī)劃程序的計算，將得到一條航線對應的多個航點，記錄多個轉(zhuǎn)向點。將所有航點一一輸入到系統(tǒng)中，此時數(shù)據(jù)庫將存儲所有航點，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫存儲航點

為了方便起見，規(guī)定格式：37°25.4′寫作37 254 000，便于后期的航線規(guī)劃和模擬。表1為通過全局路徑規(guī)劃程序得到的從煙臺港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的一條航線中的所有航點數(shù)據(jù)。

表1 航點數(shù)據(jù)

2 航線計劃表的計算

2.1 任意相鄰2點之間的距離

通過2點之間的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計算兩點之間距離[9]，具體計算為

式中：D為相鄰2點的距離；R為地球半徑；(L,B)、(L′,B′)分別為相鄰2點的經(jīng)緯度。

2.2 總航程和剩余航程的計算

總航程的具體計算為

式中：n為總航段數(shù)。

當前航點剩余航程的具體計算式為

式中：m為當前航點總航段數(shù)。

航程和剩余航程的計算有利于船員掌握船舶航行的整體狀況，對船舶的安全航行有著重要的意義。一方面，確定相鄰航點之間的航程能夠使船員明確距離下一個轉(zhuǎn)向點還有多遠的距離，另一方面，對實現(xiàn)經(jīng)濟航線和計算船舶能效營運指數(shù)（EEOI）有很大的幫助[10]，這對制定航行計劃表也有著很大的參考價值。

2.3 任意相鄰2點之間的航向

已知航點A(x1,y1)、航點B(x2,y2)，先求出A、B的象限角：具體計算如式（4）：

再根據(jù)條件將象限角θ轉(zhuǎn)換為方位角α[11]：

1）當x1－x2＞0時，y1－y2＞0，α=θ。

2）當x1－x2＜0時，y1－y2＞0，α=θ+ 180°。

3）當x1－x2＜0時，y1－y2＜0，α=θ+ 180°。

4）當x1－x2＞0時，y1－y2＜0，α=θ+ 360°。

在我國沿海地區(qū)的航行過程中，認為船首向近似等于方位角，因此這里把方位角的值填入船首向的值[12]。

2.4 緯度增加量、經(jīng)度增加量的計算

通過船艏向計算緯度增加量a、經(jīng)度增加量b，具體計算為

1）當α∈(0°, 90°)，a＝10，b＝a/tan(90°－α)。

2）當α∈(90°, 180°)，a＝-10，b＝a/tan(180°－α)。

3）當α∈(180°, 270°)，a＝-10，b＝a/tan(α－180°)。

4）當α∈(270°, 360°)，a＝10，b＝-a/tan(α－270°)。

模擬器通過疊加緯度增加量和經(jīng)度增加量不斷改變當前船舶的經(jīng)緯度數(shù)值，從而直接決定了船舶模擬航行的速度。

3 航線規(guī)劃設計

將所有航點依次連接，連接成一條航線。該航線應具備躲避障礙物，有富裕水深[13]的特點，是能夠滿足當前氣象條件的安全航線。如果出現(xiàn)需要臨時調(diào)整航線時，通過調(diào)整某一航點或者增加航點來實現(xiàn)繞行[14]。如圖6為煙臺港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線。

圖6 煙臺港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線

4 模擬航線航行

模擬器最終將向船員展示所指定航線的安全性和可靠性，在前面的所有準備工作做完之后，點擊開始模擬按鈕，C#將以一個定時器的時間間隔不斷地向電子海圖發(fā)送AIS數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)依據(jù)航線規(guī)劃出的所有航點，以緯度增加和經(jīng)度增加的形式同時變化，實現(xiàn)虛擬船只的移動，可以在電子海圖上清晰地看到船只按照航線規(guī)劃的路徑形式航行，并且到達下一個轉(zhuǎn)向點之后準確轉(zhuǎn)向，途中可以翻看電子海圖周圍的環(huán)境，包括水文情況和航道信息。讓船員在掌握理論知識以后，更好地鞏固和驗證航線規(guī)劃的安全性和可靠性[15]，很具有教學價值。如圖7為煙臺港萊州港區(qū)到大連港大港港區(qū)的某條航線模擬航行時的電子海圖上的顯示界面。

圖7 模擬航行時的電子海圖界面顯示

5 結(jié)論

模擬器界面簡單，易操作。船員可以親自編寫航線，并根據(jù)電子海圖上的信息和理論認識到驗證航線的可靠性，可以改變船只的信息，也可以繪制定制航線，可操作性強。操作思路清晰，演示便捷，實現(xiàn)了在教室就能夠?qū)W習如何繪制航線并且觀察航行過程中可能遇到的危險，教師對航海學知識的講解更直觀。模擬器為課程理論教學和試驗教學的有機結(jié)合提供了幫手，為試驗教學提供了強有力的載體，已經(jīng)應用在輔助性教學中。該系統(tǒng)改善了課程教學效果，發(fā)揮了船員的積極主動性，對船員動手和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有較大的幫助。