船舶計劃航線航路段自動解算算法研究*

白曉勇 趙甲文 潘 念

(中船航海科技有限責任公司 北京 100070)

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船舶計劃航線航路段自動解算算法研究*

白曉勇 趙甲文 潘 念

(中船航海科技有限責任公司 北京 100070)

當前航路段是船舶計劃航線自動監控的關鍵參數，是計算偏航距、到下一轉向點的方位和距離等計劃航線監控參數的基礎。論文針對基于電子海圖的數字化航海作業過程，在構建一定的航路段解算規則基礎上，提出一種船舶計劃航線航路段自動解算算法，實現了復雜計劃航線航路段的自動解算。

航路點; 航路段; 偏航距; 方位和距離

Class Number U675.7

1 引言

航海作業通常以海圖為載體，根據航行意圖，綜合利用導航信息、目標信息和地理環境信息，制定航海計劃、標繪目標航跡、生成航行態勢，實施航行監控等一系列作業活動。其中，依據計劃航線開展航行監控是主要的航海作業活動之一。

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

采用電子海圖顯示與信息系統[1～5]開展航海作業時，綜合利用數字化計劃航線[6～7]、電子海圖、本船位置等信息自動判斷本船運行所處的航路段，并進一步根據航路段位置和本船位置自動計算偏航航線距離[8]、到達下一轉向點的方位和距離，提示航海人員提前做好轉向準備等。在安裝有自動舵[9～11]的船舶上，自動舵會根據接收的當前航路段信息自動完成操舵控制，實現船舶自動駕駛。可見，船舶計劃航線航路段自動解算是數字化航海作業的基礎，其重要性不言而喻。

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

2 現狀分析

計劃航線由一系列順序排列的航路點構成，具有n個航路點的計劃航線Route表示為以下結構：Route其中，P1為計劃航線的起點，Pn為計劃航線的終點。執行航行監控作業時，計劃航線的航路點也稱為轉向點。相鄰的兩個航路點Pi和Pi+1之間構成一個航路段Ei，航線Route對應的n-1個航路段序列表示為以下結構：Edge。船舶計劃航線航路段自動解算就是在加載計劃航線執行航行監控時，系統根據本船位置BP(Lon,Lat)自動遍歷計劃航線Route，解算本船所處的航路段Ei。

航路段自動解算過程的一個重要問題是如何根據本船位置變化自動判斷當前航路段發生切換。目前，經常被采用的一種處理方法是采用轉向臨界距離法進行控制。采用轉向臨界距離法進行航路段自動解算時，船舶從計劃航線第一個航路點開始，沿計劃航線順序航行，除第一個航路點外，為其余各航路點設置一個轉向臨界距離，當本船距下一個航路點的距離小于或等于轉向臨界距離時，判定為本船開始轉向，所在的航路段自動切換至下一個航路段。轉向臨界距離法判斷當前航路段示意圖見圖1。

圖1 轉向臨界距離法判斷當前航路段示意圖

在圖1中，本船到下一轉向點的距離為d，除P1外，各轉向點的轉向臨界距離為r，當首次滿足d≤r時，當前航路段從Ei切換至Ei+1。

當本船嚴格按照計劃航線規定的航路順序航行，在偏航距離較小時，轉向臨界距離法能夠正確自動解算當前航路段。如果本船在轉向點附近航行時偏航較大，距離轉向點的距離d始終大于轉向臨界距離為r時，將導致無法正確自動完成航路段切換。采用轉向臨界距離法進行航路段解算時，需要與人工手動指定航路段方法相結合，通過半手動的方式完成航路段解算來滿足航行要求。

3 算法改進設計

通過前文分析，轉向臨界距離法須結合手工作業完成解算任務，所以，我們在轉向臨界距離法基礎上，引入角分線規則和航路段終點垂線規則，對算法進行改進，達到無人工參與下的航路段全自動解算要求。

3.1 角分線規則

角分線規則將船舶越過相鄰兩段計劃航線夾角的角分線作為計劃航線航路段跳轉的依據。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，執行航行監控時，本船B順序從航線起點P1出發并沿計劃航線航行，在船舶越過角分線l1前，參照航路段E1開展航海計算，并確定下一轉向點為航路段E1的終點P2；當本船越過角分線l1后，當前航路段變為E2，所有的航海計算均以E2為準。角分線規則示意圖見圖2。

圖2 角分線規則示意圖

3.2 航路段終點垂線規則

航路段終點垂線規則是在每個航路段終點對應的航路點處做航路段的垂線，本船B沿航路段航行越過該垂線時，判定該航路段航行完畢，進入下一個航路段。仍以圖1所示的計劃航線為例，分別在點P1和P2點做航路段E1和E2的垂線l1和l2，本船B跨越l1和l2時，實現航路段切換。航路段終點垂線規則示意圖見圖3。

圖3 航路段終點垂線規則示意圖

3.3 算法設計

改進的航路段自動解算算法以轉向臨界距離法為基礎，引入角分線規則和航路段終點垂線規則，對本船距離轉向點的距離d始終大于轉向臨界距離r而導致無法正確自動完成航路段切換的問題進行修正，其算法示意圖見圖4。

圖4 改進的航路段自動解算算法示意圖

在圖4中，在轉向臨界距離法基礎上，對轉向點P2至Pn-1出的航路段切換算法引入角分線規則，當本船距這些轉向點的距離超過轉向臨界距離r完成轉向時，以角分線規則判定是否完成航路段切換；當航行至最后一個轉向點時，引入航路段終點垂線規則，如果本船始終無法進入最后一個轉向點半徑為r的圓周范圍內時，判定本船是否穿越最后一個航路段終點垂線，如果穿越，則認為到達目的地，航行結束，否則，繼續進行航線監控。

引入角分線規則和航路段終點垂線規則的改進算法流程圖見圖5。

圖5 改進的航路段自動解算算法流程圖

根據上述算法流程圖，改進的行路段自動解算算法包括以下十步：

第1步，初始化計劃航線和本船船位，本船從計劃航線起點P1開始航行，當前航路段初始化為E1;

第2步，計算n-1個航路段對應的航線夾角A{A1,A2,…,Ai,…,An-1}，并且每次本船位置Pb(Lon,Lat)更新后，根據新船位執行算法的第2步至第6步；

第3步，本船當前航路段為Ei(1≤i

第4步，根據方位Bi和航線夾角Ai，判斷本船是否已越過角分線；

第5步，計算本船距下一轉向點的距離Di，判斷Di是否不大于轉向臨界距離r；

第6步，計算當前航路段，如果第4步和第5步任何一個條件成立，則當前航路段為Ei+1，如果兩個條件都不成立，則當前航路段為Ei；

第7步，航行至最后一個航路段，即i=n-1時，計算本船到航路點Pn的方位Bn和距離Dn。

第8步，根據方位Bn判斷是否越過終點垂線;

第9步，根據距離Dn和轉向臨界距離r判斷本船是否進入轉向點半徑為r的圓周范圍內；

第10步，滿足第8步和第9步兩個條件之一，則本船到達目的地，航行結束，否則持續計算當前航路段為En-1。改進的航路段自動解算算法流程圖見圖5。

4 結語

本文首先闡述了轉向臨界距離法進行計劃航線航路段解算算法原理，并論述了其算法不足，然后以轉向臨界距離法為原型，通過引入角分線規則和航路段終點垂線規則實現了算法改進，給出算法流程圖。

改進的船舶計劃航線航路段自動解算算法為原理算法，實際工程應用中，可在此算法的基礎上增加航路段記錄、航線安全范圍控制等約束條件實現個性化的算法功能。

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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：船舶導航。趙甲文，男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶導航。潘念，男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶導航。

U675.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.013