基于實況氣象的動態航線規劃方法設計

陳國安

基于實況氣象的動態航線規劃方法設計

陳國安

（海軍92730部隊 572016）

海洋運輸是國際間商品交換中最重要的運輸方式之一。海洋上突如其來的惡劣天氣時刻威脅著運輸船舶的安全，因此，對這些運輸船舶進行氣象導航是非常有必要的。受局部天氣和海況變化影響的航線網絡具有動態通達特征，遠洋船舶需據此進行計劃航線的修正。本文通過建立動態通達網絡模型，以船訊網提供的氣象信息作為數據來源，通過改進算法，設計了一種最優航線規劃方法。

航線規劃；氣象導航；通達網絡；最優決策

由于船舶在海上航行是一種處于海水與大氣兩種介質中，它是一種受著多種因素影響的復雜運動。為了保證航行安全、爭取最大可能的經濟效益，或某些特定的要求如節能、定時、平穩、舒適等，需要選擇合適的航行線路。

本文研究所針對的是基于實時氣象信息的航線規劃方法，能夠在全局規劃的基礎上不斷優化更新航路，在面對多變的航洋環境中顯然具有更加有效和深遠的意義，同時，對于提高船舶的安全性以及經濟性也有很大的改觀。

1 動態通達網絡模型

1.1 動態通達網絡定義

動態通達網絡G（V，E）的要素定義如下：

（1）節點集合V。V中的網絡節點Vi是港口集H[港口編號]、航線集L自身的交點集K[航線編號1，航線編號2]、航線集L與有障礙區域O的交點集B[有障礙區域編號]等三類點集的并集，其屬性項定義為Vi[節點編號，類型編碼，港口編號，航線編號1，航線編號2，有障礙區域編號，影響有障礙區域序列]。其中，根據節點來源，類型編碼分別用“H”、“K”、“B”區分，影響有障礙區域序列則以“，”為分隔符存儲多個包含節點的有障礙區域編號，其他屬性項內容則分別與3類點集的對應屬性項內容一致。

（2）網絡弧段集E。E中的網絡弧段ei是航線集L[航線編號]中航線被節點集合K、B分割后生成的航線段，其屬性項定義為ei[弧段編號，節點編號1，節點編號2，航線編號，弧段長度，禁航時段序列]。其中，節點編號1和節點編號2分別存儲弧段端點對應的節點編號；航線編號則與弧段所在航線的對應屬性一致；禁航時段序列采用分隔符“；”將多個有障礙區域的分段影響時間信息連接成一維序列化字符串存儲，而單個禁航時段的具體格式為“（序號，有障礙區域編號，禁航開始時間，禁航結束時間）”。

1.2 有障礙區域多邊形提取

（1）靜障礙區域。根據出現時間的持續性，靜比有障礙區域分為臨時性和永久性兩類。提取這些區域邊界的特征點地理坐標，生成靜有障礙區域多邊形集合Os={osi，1≤i≤m}。m為靜有障礙區域個數，osi的生存周期為[tsk，tek]。

（2）動障礙區域。臺風等極端天氣在空間上沿可預測方向以一定的作用半徑移動，進而形成移動有障礙區域OD=｛okD，1≤k≤n｝（n為有障礙區域中心個數）。移動有障礙區域的描述參數包括初始時刻中心坐標影響半徑 rk、移向 Ck、移速 vk，其在時段[tks，tke]的空間影響范圍可以通過移動軌跡緩沖帶計算得到的多邊形來表示。

1.3 動態通達網絡模型建立

動態通達網絡的實時構建是快速、有效整合航線規劃所需信息的基礎算法，是將有障礙區域與靜態航線網絡疊加，確定航行時間段的過程，具體如圖1所示。

圖1 動態通達網絡的建立流程圖

2 最優航線規劃算法

2.1 續航判斷算法

航線通達性判斷是確定船舶經過航線上任一弧段時，航行是否受到有障礙區域影響的過程，這是決定后續航線是否需要調整的重要依據。具體方法如下：

（1）設擬航行航線的航線段序列為 Ek{e1，e2，…，ek}，初始化。通達性指示變量flagi=0；

（2）設當前船位為P0，航速為V，決策轉向時間為t0，計算當前船位P0沿航線到航線段ei起點的累計距離Di，則船舶到達時間為t1=t0＋Di/V；

（3）設航線弧段ei的長度為di，則船舶離開航線段終點的時間t2=t1=di/V，確定航線段 ei的擬通行時段 Ti[t1，t2]；

（4）提取航線段ei的[禁航時段序列]，分段解析獲取禁航時間段序列F{F1，F2，…，Ft}，循環判斷 Ti與 Fi，的時間區間是否相交，如果相交，則令flagi=1；

（5）對航線所有航線段進行步驟（2）～（4）的計算判斷，并對所有flagi值（1≤i）求并，若結果為 1，航線不通達，反之，通達。

2.2 改航判斷算法

改航算法是要避開有障礙區域O的情況下，獲取船舶位置P0附近的其他多條航線并確定由在這些航線上距離P0最近的點所構成的所有轉向點的集合S。其設計算法如下：

（1）以當前位置P0為中心，選取一個較小的半徑做緩沖區，獲取鄰近航線段集合 Lk{li，l2，…，lk}；

（2）在鄰近航線段li上取P0的最近點P1，以連線P0P1作為可航渡的測試線；

（3）如果連線P0P1與O中有障礙區域均不相交，則船舶可以直接通過P0P1繞行到航線段li上；否則，在距P0最近的有障礙區域Om的邊界上尋找一個點Pt，使P0P1與P0Pt之間的方位差最大，由Pt替代P0，遞歸進行步驟（3），直到P0P1之間不存在有障礙區域；

（4）記錄所有鄰近航線上距離P0最近的點Pli到S中，為最短繞行航線搜索算法提供基礎數據。

3 實驗與分析

3.1 場景模擬

（1）靜態航線網絡。本文以東南亞海域為例，根據大洋航路圖、航路設計圖等資料選取香港（h1）、馬尼拉（h）2、胡志明（h）3、哥打基納巴盧（h4）、文萊（h5）、詩巫（h6）、古晉（h7）、新加坡（h8）8 個主要港口和連接港口的15條己知經驗航線。

（2）有障礙區域域數據。以2013年菲律賓西部海域蘇祿海海而生成的臺風“清松”為例，參數為：1月3日20時，臺風中心位置（9.1°N，119.5°E）；預計 1 月 7日 20時，臺風中心位置（6.2°N，108.1°E），根據航跡計算公式推算得到臺風未來96h的移動方向C為75°SW、平均移速v為18.8km/h，7 級風圈半徑約為 120km[見圖 2（b）]。

（3）動態通達網絡。按§1所述方法將臺風運動軌跡帶與靜態航線網絡疊加，得到包含20個網絡節點（H類8個、K類4個、B類8個），31條網絡弧段（4條受有障礙區域影響）的動態通達網絡[見圖2（b）]。

（4）艦船計劃航線。某船從新加坡至香港，航速35km/h，單位油耗2.4917t/h，續航能力 A 為 2500km[見圖 2（a）]。

（5）決策時點與需求。以船舶接收到臺風預報信息的時間1月3日08：00為決策時點，對應的決船舶位置為P0[見圖2（b）]，現需要基于前述數據信息對船舶未來航線進行規劃。

圖2 船舶航線規劃的場景數據及規劃結果

3.2 規劃結果

（1）續航性判斷。據§2.2.1算法知該計劃航線受臺風影響不可通行。

（2）改航算法搜索。按照§2.2.2 算法，結果見圖 2（c）和圖 2（d）。將兩條最短航線加入最短繞行航線集，比較長度得到最佳繞行航線。

4 結論

本文方法能夠實現航線安全性、可達性和經濟性的最佳結合，實驗算法也驗證了規劃技術路線的可操作性。后續研究中，將綜合考慮有障礙區域動態變化、大風浪中船舶失速、船舶停靠等候避讓決策等多種要素的綜合影響，使航線規劃方法更加科學、合理。

Design of Dynamic Route Planning Method Based on Live Weather

Chen Guo An
（Navy 92730 572016）

Ocean transportation is a most important form of transportation in international commodity exchange.The bad weather on the ocean always causes damage to the ships.As a result,ship weather routing is necessary.Routes of ships on voyage should be adjusted or replanned because of the influences of heavy weather or had situation in local sea area.In this paper we present an optimal route planning approach based om a dynamic access network model,the meteorological information provided to the shipping news network as a data source,and using improved algorithm.

route planning；weather routing；dynamic access network；optimal decision

U692.3+1

A

1004-7344（2016）31-0256-02

2016-10-21