[发明专利]一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法

说明书

一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法，其特征是包括以下步骤：1)指定规划海域。2)海上地形评估。3)海上气象水文风险评价。4)设定约束条件和起点、目标点。5)变速航迹规划算法的实现。6)航迹评价。本发明改进Dijkstra算法使其能够对海面舰艇作战的航迹进行变速规划，在时间维度上对即将到来的风险进行提前增速或合理减速或原地停留实现规避，从而取得时间维度上的优势，避免空间维度上航路的复杂。除此之外，1)算法本身包含对海上地形的评估和栅格地图的预处理，使得航路很大程度上减少了搁浅的风险，并兼顾航路简单有效。2)在对数天的预报资料进行时间维度的规划后，最终能够给出最优出发和到达时间。

技术领域

本发明涉及航迹规划技术，具体是一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法。

背景技术

在经济全球化背景下，国际货物贸易主要依靠海上运输，航迹规划对于海上船舶航行安全具有举足轻重的作用。航迹规划也是军事海洋水文保障的重要组成部分，已被广泛应用于水下机器人、水下无人航行器、潜艇等装备的导航系统中。随着大数据、云计算、物联网等信息化采集分析技术的蓬勃发展，基于海洋水文要素的航迹规划已成为保障舰船航行安全的关键环节，也是提高武器装备作战效能的关键技术。

现有航迹规划方法重点关注空间维度上的避险，即改变航路使船舶在距风险区一定距离时，保持某种弯度绕过风险区。对于实际航行保障任务来说，这些方法规划出来的路径非常复杂，航路的弯折次数及路程长度也会增加。航路弯折次数增多，会增加船体颠簸甚至侧翻的风险；海上气象水文环境错综复杂，风暴潮、台风和小型海啸等罕见极端天气常常难以被准确预测。路程的增加使得海上航行实际时间比预算时间多，可能会错失避开风险区的机会，增加海上航行安全风险。另外，船舶在实际航行过程中的速度是变化的，而传统航迹规划算法通常假设航速不变，这使得算法的实用性降低。当海洋环境发生变化时，规划出的航线面临无法执行或重新规划的问题。由于假定航速不变，传统航迹规划算法无法给出最优出发时间和到达时间，只能由决策者主观确定出发时间和到达时间，人为操作痕迹过强，航迹规划效率需要进一步提升。

本文选取了一个较为接近的新技术作为对比参考对象，该技术名称“考虑复杂气象变化的智能船舶动态航线规划方法”，于2021年3月见刊上海海事大学学报(下称技术B)。不难看出该技术B的方案核心是通过构建人工威胁场，然后通过八方向的A*算法进行航迹规划。人工威胁场是经一系列的风险评估得到，其意义是把风险量化成0～1的数值以便算法进行规划路径。人工威胁场的构建大同小异，其“小异”体现在选取的指标不同，评估方法不同等细节差异，最后呈现的结果都是“大同”，即0～1标准化、正向化的风险值。那么技术B真正的核心是A*算法支持其进行航迹规划。A*算法是Dijkstra算法的变式，在同一人工威胁场上都能产出相同的风险最小路，唯一差别是理论上搜索效率不同， A*是启发式搜索，深度优先效率较高；Dijkstra算法则是广度优先，效率较低。在实际应用于船舶航迹规划中两者的效率相差并不明显，从避险的性能来看A* 其实就是Dijkstra算法，两者避险行为一致。所以在与技术B进行对比时，其实是与Dijkstra算法进行对比。Dijkstra优点是性能稳定，在有解情况下必能给到最优解之一。应用于船舶航迹规划中缺点也较为明显，它代表了常规的避险行为，即还存在仅在空间维度进行避险问题，且规划的日航速不能改变的问题，也不能给出最优的出发和到达时间等。

综上所述，基于空间维度的航迹规划算法可能会增加船舶航行的风险，航速不变的假设不符合实际情形，规划的航行存在精度低、效率低等现实难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于改进Dijkstra的变速航迹规划方法。首先对栅格地图进行海上地形的评估，并对其进行预处理，使得规划出的航路可以减少搁浅的风险。其次，改进Dijkstra算法综合考虑空间维度和时间维度，实现变速规划，通过提前增速或合理减速或原地停留进行风险的规避，从而取得时间维度上的优势，避免了航线在空间维度上的复杂。本方法还可以对变速航线进行一个识别、剪裁操作，提供最优出发时间和最优到达时间作为决策参考。