本發(fā)明涉及航線自動規(guī)劃，具體是涉及一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、海運是全球貿(mào)易和運輸?shù)闹匾M成部分，而船舶路徑規(guī)劃是確保海上航行的效率、安全性、經(jīng)濟性的關(guān)鍵?？煽康囊?guī)劃依賴于海量的數(shù)據(jù)，然而海洋環(huán)境的復(fù)雜性、船舶航行行為的復(fù)雜性等因素都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不確定性增加，對大量動態(tài)數(shù)據(jù)進行高效處理和分析是一項挑戰(zhàn)。另外，復(fù)雜的海洋地形和障礙物對船舶路徑規(guī)劃提出了更高要求，現(xiàn)有一些路徑規(guī)劃方法在精度和計算復(fù)雜度上存在一定限制，在大規(guī)模數(shù)據(jù)和實時應(yīng)用中難以高效運行，得到的規(guī)劃路徑往往不能應(yīng)用于實際操作中，現(xiàn)實中仍依賴于駕駛者經(jīng)驗對規(guī)劃路徑進行修正。

2、近年來，基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的自動化船舶路徑規(guī)劃方法得到廣泛應(yīng)用，如何高效整合和利用數(shù)據(jù)成為船舶路徑規(guī)劃的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述提到的路徑規(guī)劃效率和可靠性問題，提供一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法。通過圖論改進數(shù)據(jù)處理技術(shù)和路徑規(guī)劃算法，提升系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力，能夠顯著提高路徑規(guī)劃的效率和可靠性，結(jié)合路徑本地化措施，最終得到更符合實際操作的規(guī)劃路徑。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、s1：收集船舶歷史ais數(shù)據(jù)，對船舶歷史ais數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取船舶軌跡并得到歷史軌跡數(shù)據(jù)，構(gòu)建船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集；

5、s2：利用步驟s1所構(gòu)建的船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集，通過聚類算法對數(shù)據(jù)集中的軌跡點和軌跡進行聚類，獲得關(guān)鍵航路點和關(guān)鍵航道，并分析歷史軌跡以確定關(guān)鍵航路點之間的連接關(guān)系，以關(guān)鍵航路點作為節(jié)點，以關(guān)鍵航道作為有向邊連接節(jié)點，建立海上航道有向圖網(wǎng)絡(luò)；利用歷史軌跡數(shù)據(jù)計算關(guān)鍵航路點和有向邊權(quán)重信息，計算有向邊通行距離和估計通行速度，從而計算通行時間；

6、s3：利用步驟s2建立的海上航道有向圖網(wǎng)絡(luò)信息，基于圖論通過路徑搜索算法搜索計算出不同路徑代價下從當(dāng)前點到達目的地的最優(yōu)路徑；

7、s4：利用步驟s3獲取的最優(yōu)路徑的信息進行路徑本地化，通過路徑自動避讓算法進行避讓，通過b樣條插值對整體路徑進行平滑處理，得到可通行的最終路徑規(guī)劃結(jié)果。

8、進一步地，所述步驟s1中的預(yù)處理包括異常數(shù)據(jù)剔除、條件篩選、軌跡提取、降采樣操作。

9、首先，刪除存在空值和不符合邏輯值范圍的數(shù)據(jù)并確定數(shù)據(jù)經(jīng)緯度范圍；

10、然后，根據(jù)ais數(shù)據(jù)中的船舶類型條目劃分出多個船舶類型軌跡數(shù)據(jù)，選擇特定船型的數(shù)據(jù)用于提取軌跡；

11、最后，利用線性插值進行軌跡降采樣。

12、進一步地，所述步驟s2包括以下步驟：

13、首先，初始化關(guān)鍵點提取參數(shù)，包括最小轉(zhuǎn)向夾角、最小停泊時長，當(dāng)軌跡夾角小于最小轉(zhuǎn)向夾角或軌跡點位置的小變化幅度持續(xù)時間超過最小停泊時長時，這些軌跡點被判定為關(guān)鍵點。

14、其次，初始化聚類參數(shù)，包括最大距離閾值和最小距離閾值，作為關(guān)鍵點之間的距離約束，將得到的聚類中心作為關(guān)鍵航路點。

15、然后，基于關(guān)鍵航路點對歷史軌跡進行分析，確定關(guān)鍵航路點之間的連接關(guān)系，獲取關(guān)鍵航道。以關(guān)鍵航路點為節(jié)點，以關(guān)鍵航道作為有向邊連接節(jié)點，建立海上航道的有向圖網(wǎng)絡(luò)。

16、之后，計算有向邊的地理距離，根據(jù)歷史軌跡數(shù)據(jù)識別出位于每條有向邊預(yù)設(shè)范圍內(nèi)且方向相同的相似航段，計算這些相似航段的平均通行速度，作為有向邊的估計通行速度，從而計算通行時間。以通行關(guān)鍵航路點的歷史軌跡數(shù)量為節(jié)點權(quán)重，以節(jié)點中各出邊的軌跡數(shù)量占總出邊軌跡數(shù)量的比例為有向邊權(quán)重。

17、進一步地，所述步驟s3包括以下步驟：

18、首先，計算航路圖網(wǎng)中全部有向邊的路徑代價，路徑代價包括路徑的通行概率、通行時間或通行距離，其中通行概率由有向邊權(quán)重計算得到。

19、其次，根據(jù)船舶當(dāng)前點和目的地，利用路徑搜索算法搜索不同路徑代價下通行的最優(yōu)路徑。

20、進一步地，所述步驟s4包括以下步驟：

21、首先，在途徑非航行區(qū)域時，采用非航行區(qū)域自動規(guī)避算法進行避讓；若路徑途徑非航行區(qū)域，獲取路徑與該區(qū)域相交部分的中垂線，在中垂線上按照距離區(qū)域邊緣更近的方向，并以預(yù)設(shè)步長搜索中間節(jié)點，連接中間節(jié)點到兩端端點以創(chuàng)建新路徑，循環(huán)上述搜索操作，直至新路徑不再途徑非航行區(qū)域。

22、其次，按照路徑方向逐個刪除預(yù)設(shè)范圍內(nèi)沒有非航行區(qū)域且權(quán)重低于預(yù)設(shè)閾值的中間節(jié)點。如果刪除某個節(jié)點導(dǎo)致路徑再次經(jīng)過非航行區(qū)域，則恢復(fù)路徑到刪除的前一狀態(tài)。在距離超過預(yù)設(shè)值的節(jié)點之間先使用線性插值增加控制點，再采用b樣條插值平滑路徑。

23、之后，根據(jù)平滑前的路徑建立一定寬度的緩沖區(qū)，并去除緩沖區(qū)內(nèi)的非航行區(qū)域。該緩沖區(qū)用于限制路徑節(jié)點平滑后的偏移，避免平滑操作后的重復(fù)操作。

24、最后，得到路徑規(guī)劃結(jié)果，重新計算規(guī)劃路徑通行距離和時間。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

26、本發(fā)明提供的基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方案將概率圖論應(yīng)用于ais數(shù)據(jù)，利用圖論構(gòu)建海上航路的有向圖網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)點和有向邊分別代表航運關(guān)鍵點和具有方向的航道，并以權(quán)重信息表示其繁忙程度，抽象表示船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)，能夠準確反映船舶航行規(guī)律；結(jié)合路徑本地化方法，可以實現(xiàn)可通行的、更符合實際航行規(guī)律的路徑規(guī)劃。

技術(shù)特征：

1.一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s1中的預(yù)處理包括異常數(shù)據(jù)剔除、條件篩選、軌跡提取、降采樣操作；先刪除存在空值和不符合邏輯值范圍的數(shù)據(jù)并確定數(shù)據(jù)經(jīng)緯度范圍，再根據(jù)ais數(shù)據(jù)中的船舶類型條目劃分出多個船舶類型軌跡數(shù)據(jù)，選擇特定船型的數(shù)據(jù)用于提取軌跡，再利用線性插值進行軌跡降采樣。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s2的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s3的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s4的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，涉及航線自動規(guī)劃。收集船舶歷史AIS數(shù)據(jù)，預(yù)處理后構(gòu)建船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集；對數(shù)據(jù)集中的軌跡點和軌跡聚類，識別關(guān)鍵航路點和航道，以關(guān)鍵點為節(jié)點，關(guān)鍵航道為有向邊，構(gòu)建海上航道有向圖網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)歷史軌跡數(shù)據(jù)，識別位于航道網(wǎng)絡(luò)中每條有向邊的相似航段，將平均速度作為邊的預(yù)估通行速度，計算通行時間、通行距離和通行概率作為路徑代價。路徑搜索算法計算不同路徑代價下從船舶當(dāng)前點到達目的地的最優(yōu)路徑；途徑非航行區(qū)域時，采用路徑自動規(guī)避算法避讓；對整體路徑平滑處理，得到規(guī)劃路徑，完成船舶軌跡的圖形表示和海上航道網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，實現(xiàn)本地化船舶路徑自主規(guī)劃，提高路徑規(guī)劃的智能化和效率。

技術(shù)研發(fā)人員：李姜輝,劉津良,劉春山
受保護的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19