船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算算法研究*

白曉勇 趙甲文 潘 念

(中船航海科技有限責(zé)任公司 北京 100070)

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船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算算法研究*

白曉勇 趙甲文 潘 念

(中船航海科技有限責(zé)任公司 北京 100070)

當(dāng)前航路段是船舶計(jì)劃航線自動(dòng)監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)，是計(jì)算偏航距、到下一轉(zhuǎn)向點(diǎn)的方位和距離等計(jì)劃航線監(jiān)控參數(shù)的基礎(chǔ)。論文針對基于電子海圖的數(shù)字化航海作業(yè)過程，在構(gòu)建一定的航路段解算規(guī)則基礎(chǔ)上，提出一種船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算算法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜計(jì)劃航線航路段的自動(dòng)解算。

航路點(diǎn); 航路段; 偏航距; 方位和距離

Class Number U675.7

1 引言

航海作業(yè)通常以海圖為載體，根據(jù)航行意圖，綜合利用導(dǎo)航信息、目標(biāo)信息和地理環(huán)境信息，制定航海計(jì)劃、標(biāo)繪目標(biāo)航跡、生成航行態(tài)勢，實(shí)施航行監(jiān)控等一系列作業(yè)活動(dòng)。其中，依據(jù)計(jì)劃航線開展航行監(jiān)控是主要的航海作業(yè)活動(dòng)之一。

采用傳統(tǒng)的紙海圖作業(yè)時(shí)，航海人員用鉛筆在紙海圖上標(biāo)繪計(jì)劃航線，按照傳感器探測的船位在紙海圖上標(biāo)繪本船位置，通過人工觀測判斷本船運(yùn)行所處的航路段，并在紙海圖上量算船舶偏離計(jì)劃航線的距離。在操控船舶航行時(shí)，將船舶偏離計(jì)劃航線的距離嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)，確保航行安全。

采用電子海圖顯示與信息系統(tǒng)[1～5]開展航海作業(yè)時(shí)，綜合利用數(shù)字化計(jì)劃航線[6～7]、電子海圖、本船位置等信息自動(dòng)判斷本船運(yùn)行所處的航路段，并進(jìn)一步根據(jù)航路段位置和本船位置自動(dòng)計(jì)算偏航航線距離[8]、到達(dá)下一轉(zhuǎn)向點(diǎn)的方位和距離，提示航海人員提前做好轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備等。在安裝有自動(dòng)舵[9～11]的船舶上，自動(dòng)舵會(huì)根據(jù)接收的當(dāng)前航路段信息自動(dòng)完成操舵控制，實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)駕駛。可見，船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算是數(shù)字化航海作業(yè)的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。

本文首先對部分現(xiàn)有的航路段解算算法進(jìn)行分析，闡述其算法局限性，在此基礎(chǔ)上提出一種適用范圍更廣的船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算算法。

2 現(xiàn)狀分析

計(jì)劃航線由一系列順序排列的航路點(diǎn)構(gòu)成，具有n個(gè)航路點(diǎn)的計(jì)劃航線Route表示為以下結(jié)構(gòu)：Route其中，P1為計(jì)劃航線的起點(diǎn)，Pn為計(jì)劃航線的終點(diǎn)。執(zhí)行航行監(jiān)控作業(yè)時(shí)，計(jì)劃航線的航路點(diǎn)也稱為轉(zhuǎn)向點(diǎn)。相鄰的兩個(gè)航路點(diǎn)Pi和Pi+1之間構(gòu)成一個(gè)航路段Ei，航線Route對應(yīng)的n-1個(gè)航路段序列表示為以下結(jié)構(gòu)：Edge。船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算就是在加載計(jì)劃航線執(zhí)行航行監(jiān)控時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)本船位置BP(Lon,Lat)自動(dòng)遍歷計(jì)劃航線Route，解算本船所處的航路段Ei。

航路段自動(dòng)解算過程的一個(gè)重要問題是如何根據(jù)本船位置變化自動(dòng)判斷當(dāng)前航路段發(fā)生切換。目前，經(jīng)常被采用的一種處理方法是采用轉(zhuǎn)向臨界距離法進(jìn)行控制。采用轉(zhuǎn)向臨界距離法進(jìn)行航路段自動(dòng)解算時(shí)，船舶從計(jì)劃航線第一個(gè)航路點(diǎn)開始，沿計(jì)劃航線順序航行，除第一個(gè)航路點(diǎn)外，為其余各航路點(diǎn)設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)向臨界距離，當(dāng)本船距下一個(gè)航路點(diǎn)的距離小于或等于轉(zhuǎn)向臨界距離時(shí)，判定為本船開始轉(zhuǎn)向，所在的航路段自動(dòng)切換至下一個(gè)航路段。轉(zhuǎn)向臨界距離法判斷當(dāng)前航路段示意圖見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)向臨界距離法判斷當(dāng)前航路段示意圖

在圖1中，本船到下一轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離為d，除P1外，各轉(zhuǎn)向點(diǎn)的轉(zhuǎn)向臨界距離為r，當(dāng)首次滿足d≤r時(shí)，當(dāng)前航路段從Ei切換至Ei+1。

當(dāng)本船嚴(yán)格按照計(jì)劃航線規(guī)定的航路順序航行，在偏航距離較小時(shí)，轉(zhuǎn)向臨界距離法能夠正確自動(dòng)解算當(dāng)前航路段。如果本船在轉(zhuǎn)向點(diǎn)附近航行時(shí)偏航較大，距離轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離d始終大于轉(zhuǎn)向臨界距離為r時(shí)，將導(dǎo)致無法正確自動(dòng)完成航路段切換。采用轉(zhuǎn)向臨界距離法進(jìn)行航路段解算時(shí)，需要與人工手動(dòng)指定航路段方法相結(jié)合，通過半手動(dòng)的方式完成航路段解算來滿足航行要求。

3 算法改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過前文分析，轉(zhuǎn)向臨界距離法須結(jié)合手工作業(yè)完成解算任務(wù)，所以，我們在轉(zhuǎn)向臨界距離法基礎(chǔ)上，引入角分線規(guī)則和航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則，對算法進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到無人工參與下的航路段全自動(dòng)解算要求。

3.1 角分線規(guī)則

角分線規(guī)則將船舶越過相鄰兩段計(jì)劃航線夾角的角分線作為計(jì)劃航線航路段跳轉(zhuǎn)的依據(jù)。航路段E1和航路段E2的夾角角分線為l1，航路段E2和航路段E3的夾角角分線為l2，執(zhí)行航行監(jiān)控時(shí)，本船B順序從航線起點(diǎn)P1出發(fā)并沿計(jì)劃航線航行，在船舶越過角分線l1前，參照航路段E1開展航海計(jì)算，并確定下一轉(zhuǎn)向點(diǎn)為航路段E1的終點(diǎn)P2；當(dāng)本船越過角分線l1后，當(dāng)前航路段變?yōu)镋2，所有的航海計(jì)算均以E2為準(zhǔn)。角分線規(guī)則示意圖見圖2。

圖2 角分線規(guī)則示意圖

3.2 航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則

航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則是在每個(gè)航路段終點(diǎn)對應(yīng)的航路點(diǎn)處做航路段的垂線，本船B沿航路段航行越過該垂線時(shí)，判定該航路段航行完畢，進(jìn)入下一個(gè)航路段。仍以圖1所示的計(jì)劃航線為例，分別在點(diǎn)P1和P2點(diǎn)做航路段E1和E2的垂線l1和l2，本船B跨越l1和l2時(shí)，實(shí)現(xiàn)航路段切換。航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則示意圖見圖3。

圖3 航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則示意圖

3.3 算法設(shè)計(jì)

改進(jìn)的航路段自動(dòng)解算算法以轉(zhuǎn)向臨界距離法為基礎(chǔ)，引入角分線規(guī)則和航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則，對本船距離轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離d始終大于轉(zhuǎn)向臨界距離r而導(dǎo)致無法正確自動(dòng)完成航路段切換的問題進(jìn)行修正，其算法示意圖見圖4。

圖4 改進(jìn)的航路段自動(dòng)解算算法示意圖

在圖4中，在轉(zhuǎn)向臨界距離法基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)向點(diǎn)P2至Pn-1出的航路段切換算法引入角分線規(guī)則，當(dāng)本船距這些轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離超過轉(zhuǎn)向臨界距離r完成轉(zhuǎn)向時(shí)，以角分線規(guī)則判定是否完成航路段切換；當(dāng)航行至最后一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)時(shí)，引入航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則，如果本船始終無法進(jìn)入最后一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)半徑為r的圓周范圍內(nèi)時(shí)，判定本船是否穿越最后一個(gè)航路段終點(diǎn)垂線，如果穿越，則認(rèn)為到達(dá)目的地，航行結(jié)束，否則，繼續(xù)進(jìn)行航線監(jiān)控。

引入角分線規(guī)則和航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則的改進(jìn)算法流程圖見圖5。

圖5 改進(jìn)的航路段自動(dòng)解算算法流程圖

根據(jù)上述算法流程圖，改進(jìn)的行路段自動(dòng)解算算法包括以下十步：

第1步，初始化計(jì)劃航線和本船船位，本船從計(jì)劃航線起點(diǎn)P1開始航行，當(dāng)前航路段初始化為E1;

第2步，計(jì)算n-1個(gè)航路段對應(yīng)的航線夾角A{A1,A2,…,Ai,…,An-1}，并且每次本船位置Pb(Lon,Lat)更新后，根據(jù)新船位執(zhí)行算法的第2步至第6步；

第3步，本船當(dāng)前航路段為Ei(1≤i

第4步，根據(jù)方位Bi和航線夾角Ai，判斷本船是否已越過角分線；

第5步，計(jì)算本船距下一轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離Di，判斷Di是否不大于轉(zhuǎn)向臨界距離r；

第6步，計(jì)算當(dāng)前航路段，如果第4步和第5步任何一個(gè)條件成立，則當(dāng)前航路段為Ei+1，如果兩個(gè)條件都不成立，則當(dāng)前航路段為Ei；

第7步，航行至最后一個(gè)航路段，即i=n-1時(shí)，計(jì)算本船到航路點(diǎn)Pn的方位Bn和距離Dn。

第8步，根據(jù)方位Bn判斷是否越過終點(diǎn)垂線;

第9步，根據(jù)距離Dn和轉(zhuǎn)向臨界距離r判斷本船是否進(jìn)入轉(zhuǎn)向點(diǎn)半徑為r的圓周范圍內(nèi)；

第10步，滿足第8步和第9步兩個(gè)條件之一，則本船到達(dá)目的地，航行結(jié)束，否則持續(xù)計(jì)算當(dāng)前航路段為En-1。改進(jìn)的航路段自動(dòng)解算算法流程圖見圖5。

4 結(jié)語

本文首先闡述了轉(zhuǎn)向臨界距離法進(jìn)行計(jì)劃航線航路段解算算法原理，并論述了其算法不足，然后以轉(zhuǎn)向臨界距離法為原型，通過引入角分線規(guī)則和航路段終點(diǎn)垂線規(guī)則實(shí)現(xiàn)了算法改進(jìn)，給出算法流程圖。

改進(jìn)的船舶計(jì)劃航線航路段自動(dòng)解算算法為原理算法，實(shí)際工程應(yīng)用中，可在此算法的基礎(chǔ)上增加航路段記錄、航線安全范圍控制等約束條件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的算法功能。

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Algorithm in Current Route Leg Automatic Computing

BAI Xiaoyong ZHAO Jiawen PAN Nian

(CSSC Marine Technology Co.,Ltd, Beijing 100070)

The current route leg is a key parameter during the ship automatic monitoring, and which is the basic feature for calculating cross track distance, the distance and bearing to the next waypoint. This paper presents a current route leg computing algorithm based on the method using perpendicular lines to waypoints (including route terminal). It is an effective and efficient solution to calculate route monitoring parameters in anfractuous routes by constructing computational rules.

waypoints, route legs, cross track distance, distance and bearing

2016年5月11日,

2016年6月26日

白曉勇，男，碩士，工程師，研究方向：船舶導(dǎo)航。趙甲文，男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶導(dǎo)航。潘念，男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶導(dǎo)航。

U675.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.013