一种船舶航海路径规划方法技术

本发明专利技术属于船舶海运技术领域，具体为一种船舶航海路径规划方法，包括步骤1：建立航线下船舶路径规划的数学模型，包括环境模型的建立、航线模型的建立和路径规划算法的评价标准建立；步骤2：研究船舶海上的失速特性，包括海洋环境对船舶速度的影响、气象环境的建立、气象环境对船舶运动的失速特性研究、建立临界速度的计算方法；步骤3：建立粒子群算法，包括粒子群算法的建立、免疫算法的建立、免疫

【技术实现步骤摘要】
一种船舶航海路径规划方法


[0001]本专利技术涉及船舶海运
，具体为一种船舶航海路径规划方法。

技术介绍

[0002]中国作为世界第二大经济体，2020年中国GDP总额占全球经济总额的 17％。自2001年加入WTO后，我国的进出口贸易量飞速增长，中国海运进口量年均复合增速达到12％，出口增速保持4％以上；其中2009
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2020期间,随着中国固定资产投资以及工业生产进一步扩大，全球海运贸易增量(289亿吨) 中约65％由中国贡献。2020年，中国海运进口贸易量已经占到全球总量的1/4。航运具有运量大、运距长、成本低、低碳环保等优点，当前国际货运运输80％靠航运，尤其我国90％的进出口货运通过航运完成。航运业的发展水平和便利程度，不仅已经成为影响“中国制造”在国际竞争中成本优势的重要因素，更有助于我国在经济双循环建设中碳中和、碳达峰的目标实现。
[0003]影响航运的因素很多，其中环境因素作为主要因素之一不能忽略。环境因素包括天气、海况、水域等，也包括船舶自身的环境因素。影响海运安全的气象海况条件包括能见度、风、洋流和潮汐等。海上是自由选择航路的水域，但海域航道宽度、航道深度、航道弯曲角度、航道交叉等对航运安全有一定的影响，海域交通因素也非常重要。海域船舶交流流量、海域通航秩序是衡量海域交通环境的重要指标。
[0004]伴随着电子信息技术的发展，电子图像信息显示系统广泛的应用于船舶航海运输中。相比于传统的图纸模式，该系统能提供更准确、详细的环境信息，且具有自动判断功能，能对障碍物、相关标识物进行精准定位，极大的推动了整个航海业的发展。相应的，为提高该系统的精准性和有效性，国内外大量开展了相关路径规划的研究，提出了多种路径规划的智能算法，这些算法广泛的应用于船舶的航海运输中，使目前的船舶路径规划更加智能、高效。
[0005]路径规划算法的定义是移动设备在具有障碍物的环境中按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态到目标状态的无碰路径。路径规划算法的其中一种分类方法是分为全局路径规划和局部路径规划。全局路径规划是根据环境全局的信息，这包括移动设备在当前状态下探测不到的信息。全局规划将环境信息存储在一张图中，利用这张图找到可行的路径。全局算法往往需要耗费大量的计算时间，不适于快速变化的动态环境，同时由于全局路径规划需要事先获得全局环境信息，也不适于未知环境下的规划任务。局部路径规划只考虑移动设备的瞬时环境信息，因此计算量减小，速度大大提高。但是局部路径规划算法有时不一定能够使其到达目标点，造成算法全局不收敛。为此我们提出一种新型的船舶航海路径规划方法解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本部分的目的在于概述本专利技术的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使
本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0007]鉴于现有船舶航海路径规划方法中存在的问题，提出了本专利技术。
[0008]因此，本专利技术的目的是提供一种船舶航海路径规划方法，得出混合了免疫算法的粒子群算法收敛速度更快，全局搜索性和求解过程都最好。
[0009]为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]一种船舶航海路径规划方法，其包括如下步骤：
[0011]步骤1：建立航线下船舶路径规划的数学模型，包括环境模型的建立、航线模型的建立和路径规划算法的评价标准建立；
[0012]步骤2：研究船舶海上的失速特性，包括海洋环境对船舶速度的影响、气象环境的建立、气象环境对船舶运动的失速特性研究、建立临界速度的计算方法；
[0013]步骤3：建立粒子群算法，包括粒子群算法的建立、免疫算法的建立、免疫
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粒子群算法的结合应用和免疫
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粒子群算法的仿真分析；
[0014]步骤4：航线设计算法的仿真及结果分析，包括改进粒子群算法在航线设计中的应用、航线仿真设计仿真平台的设计和仿真及结果分析。
[0015]作为本专利技术所述的一种船舶航海路径规划方法的一种优选方案，其中：所述步骤1中环境模型的建立包括栅格法建模和墨卡托投影，航线模型的建立包括航段数量、位置变量、航向变量、速度变量和航线计算，路径规划算法的评价标准建立包括安全考虑因素和经济性考虑因素。
[0016]作为本专利技术所述的一种船舶航海路径规划方法的一种优选方案，其中：所述步骤2中海洋环境对船舶速度的影响包括风的影响、浪的影响和海流影响。
[0017]作为本专利技术所述的一种船舶航海路径规划方法的一种优选方案，其中：所述步骤3在基本的粒子群算法包含以下几个步骤：
[0018](1)初始化粒子群，初始化信息包括每个粒子的随机位置和随机速度；
[0019](2)根据自适应方程，计算每个粒子的自适应度；
[0020](3)对于每个粒子，将当前的自适应度与历史最佳位置所对应的自适应度做比较；若当前自适应值更高，则将当前的自适应度作为历史最佳位置；
[0021](4)对于每个粒子，将当前的自适应度与群体历史最佳的位置所对应的自适应度做比较；若当前的自适应值更高，则将当前的自适应度作为群体最佳位置；
[0022](5)根据公式更新每个粒子的速度和位置；
[0023](6)如果未找到最佳，则返回到步骤(2)；若达到了最佳迭代数量或者最佳自适应度小于给定的阈值，则算法结束。
[0024]作为本专利技术所述的一种船舶航海路径规划方法的一种优选方案，其中：所述步骤3在基本的粒子群算法包含以下几个步骤：
[0025](1)初始化粒子群，初始化信息包括每个粒子的随机位置和随机速度；
[0026](2)根据自适应方程，计算每个粒子的自适应度；
[0027](3)对于每个粒子，将当前的自适应度与历史最佳位置所对应的自适应度做比较；若当前自适应值更高，则将当前的自适应度作为历史最佳位置；
[0028](4)对于每个粒子，将当前的自适应度与群体历史最佳的位置所对应的自适应度
做比较；若当前的自适应值更高，则将当前的自适应度作为群体最佳位置；
[0029](5)根据公式更新每个粒子的速度和位置；
[0030](6)如果未找到最佳，则返回到步骤(2)；若达到了最佳迭代数量或者最佳自适应度小于给定的阈值，则算法结束。
[0031]5.根据权利要求1所述的一种船舶航海路径规划方法，其特征在于：所述步骤3免疫
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粒子群算法步骤描述如下；
[0032](1)随机初始化粒子，如果记忆库中有粒子，使用记忆库中的粒子；如果记忆库中无粒子，则随机初始化粒子。；
[0033](2)依然选取公式作为求解函数，计算各个粒子的适应度；
[0034](3)粒子的促进和抑制通过粒子的期待繁殖率计算，此处引入免疫算法，我们把每个粒子设计为抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶航海路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立航线下船舶路径规划的数学模型，包括环境模型的建立、航线模型的建立和路径规划算法的评价标准建立；步骤2：研究船舶海上的失速特性，包括海洋环境对船舶速度的影响、气象环境的建立、气象环境对船舶运动的失速特性研究、建立临界速度的计算方法；步骤3：建立粒子群算法，包括粒子群算法的建立、免疫算法的建立、免疫
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粒子群算法的结合应用和免疫
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粒子群算法的仿真分析；步骤4：航线设计算法的仿真及结果分析，包括改进粒子群算法在航线设计中的应用、航线仿真设计仿真平台的设计和仿真及结果分析。2.根据权利要求1所述的一种船舶航海路径规划方法，其特征在于：所述步骤1中环境模型的建立包括栅格法建模和墨卡托投影，航线模型的建立包括航段数量、位置变量、航向变量、速度变量和航线计算，路径规划算法的评价标准建立包括安全考虑因素和经济性考虑因素。3.根据权利要求1所述的一种船舶航海路径规划方法，其特征在于：所述步骤2中海洋环境对船舶速度的影响包括风的影响、浪的影响和海流影响。4.根据权利要求1所述的一种船舶航海路径规划方法，其特征在于：所述步骤3在基本的粒子群算法包含以下几个步骤：(1)初始化粒子群，初始化信息包括每个粒子的随机位置和随机速度；(2)根据自适应方程，计算每个粒子的自适应度；(3)对于每个粒子，将当前的自适应度与历史最佳位置所对应的自适应度做比较；若当前自适应值更高，则将当前的自适应度作为历史最佳位置；(4)对于每个粒子，将当前的自适应度与群体历史最佳的位置所对应的自适应度做比较；若当前的自适应值更高，则将当前的自适应度作为群体最佳位置；(5)根据公式更新每个粒子的速度和位置；(6)如果未找到最佳，则返回到步骤(2)；若达到了最佳迭代数量或者最佳自适应度小于给定的阈值，则算法结束。5.根据权利要求1所述的一种船舶航海路径规划方法，其特征在于：所述步骤3免疫
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粒子群算法步骤描述如下；(1)随机初始化粒子，如果记忆库中有粒子，使用记忆库中的粒子；如果记忆库中无粒子，则随机初始化粒子。(2)选取求解函数，计算各个粒子的适应度；(3)粒子的促进和抑制通过粒子的期待繁殖率...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红波，孙季红，周正，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：