本申請涉及路徑規(guī)劃，尤其涉及一種船舶航線規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、作為全球貿(mào)易中最重要的運(yùn)輸方式之一，海運(yùn)約占全球貨物運(yùn)輸?shù)?0%。作為海運(yùn)的必要工具，船舶將遇到各種復(fù)雜環(huán)境和緊急情況，導(dǎo)致船舶事故。因此，確保船舶運(yùn)輸安全已成為航運(yùn)業(yè)的重點(diǎn)之一。遠(yuǎn)洋船舶的高風(fēng)險地區(qū)主要包括海洋災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域。為了提高遠(yuǎn)洋船舶航行安全水平，迫切需要在高風(fēng)險區(qū)域開展航線規(guī)劃研究。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，船舶航線規(guī)劃的常用方法主要有rrt*算法，rrt*算法基于采樣原理，適用于高、復(fù)雜環(huán)境，能夠快速生成可行路徑，且具有概率完備性，算法參數(shù)較少，結(jié)構(gòu)簡單。

3、但rrt*算法的隨機(jī)性較強(qiáng)，使用rrt*算法規(guī)劃船舶航線收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要提供一種船舶航線規(guī)劃方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的rrt*算法規(guī)劃船舶航線收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)解的問題。

2、為了解決上述問題，本申請?zhí)峁┝艘环N船舶航線規(guī)劃方法，包括：

3、s101、獲取船舶航行起點(diǎn)、終點(diǎn)和航行海域信息，基于所述起點(diǎn)構(gòu)建隨機(jī)樹，所述航行海域信息包括可航海域、不可航海域和風(fēng)場信息；

4、s102、從所述航行海域信息中選取采樣點(diǎn)，從所述隨機(jī)樹中選取距離所述采樣點(diǎn)最近的鄰近點(diǎn)；

5、s103、計算終點(diǎn)、采樣點(diǎn)、不可航海域和風(fēng)場對所述鄰近點(diǎn)的合力，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)；

6、s104、判斷所述新節(jié)點(diǎn)與所述終點(diǎn)的距離是否小于閾值，若是，則輸出最優(yōu)航線，若不是，則返回s102。

7、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，從所述航行海域信息中選取采樣點(diǎn)，包括：

8、獲取隨機(jī)采樣概率和目標(biāo)偏置概率，并判斷隨機(jī)采樣概率是否大于目標(biāo)偏置概率；

9、若所述隨機(jī)采樣概率大于目標(biāo)偏置概率，則從所述航行海域信息中選取隨機(jī)點(diǎn)，并將所述隨機(jī)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)；

10、若所述隨機(jī)采樣概率不大于目標(biāo)偏置概率，則將所述終點(diǎn)作為采樣點(diǎn)。

11、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述目標(biāo)偏置概率的計算公式為：

12、

13、式中，表示目標(biāo)偏置概率，表示新節(jié)點(diǎn)，表示鄰近點(diǎn)，表示新節(jié)點(diǎn)和鄰近點(diǎn)間的向量，表示不可航海域，表示概率調(diào)整因子，表示初始目標(biāo)偏置概率，表示節(jié)點(diǎn)與不可航行海域間的預(yù)設(shè)安全距離，表示鄰近點(diǎn)與不可航海域的最近歐氏距離。

14、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述不可航海域包括障礙物區(qū)域和高風(fēng)險區(qū)域。

15、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述合力的計算公式為：

16、

17、

18、

19、

20、

21、

22、

23、

24、式中，表示鄰近點(diǎn)受到的合力，表示鄰近點(diǎn)受到的引力，表示終點(diǎn)對鄰近點(diǎn)的引力，表示鄰近點(diǎn)，表示終點(diǎn)，表示引力函數(shù)的距離閾值，和表示引力增益，表示采樣點(diǎn)對鄰近點(diǎn)的引力，表示采樣點(diǎn)，表示鄰近點(diǎn)受到的斥力，表示障礙物區(qū)域?qū)︵徑c(diǎn)的斥力，表示障礙物區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，和表示斥力增益，和表示斥力函數(shù)的距離閾值，表示高風(fēng)險區(qū)域?qū)︵徑c(diǎn)的斥力，表示高風(fēng)險區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，表示風(fēng)場力。

25、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)，包括：基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展一個步長生成新節(jié)點(diǎn)；

26、所述步長的計算公式為：

27、

28、式中，表示第次的步長，表示第次的步長，表示初始拓展步長，表示步長調(diào)節(jié)因子，表示新節(jié)點(diǎn)，表示鄰近點(diǎn)，表示新節(jié)點(diǎn)和鄰近點(diǎn)間的向量，表示不可航海域。

29、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)，包括：

30、基于所述合力，確定擴(kuò)展方向，將所述擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)向所述擴(kuò)展方向擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)，判斷所述新節(jié)點(diǎn)與所述不可航行海域是否發(fā)生碰撞；

31、若所述新節(jié)點(diǎn)與所述不可航行海域不發(fā)生碰撞，則將所述新節(jié)點(diǎn)插入所述隨機(jī)樹中；

32、若所述新節(jié)點(diǎn)與所述不可航行海域發(fā)生碰撞，則基于所述合力和不可航行海域信息計算修改方向，將所述擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)向所述修改方向擴(kuò)展生成更新后的新節(jié)點(diǎn)，將所述更新后的新節(jié)點(diǎn)插入所述隨機(jī)樹中。

33、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，基于所述合力，確定擴(kuò)展方向，包括：

34、判斷所述合力是否為零；

35、若所述合力為零，則將所述鄰近點(diǎn)指向所述擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的方向作為擴(kuò)展方向；

36、若所述合力不為零，則將所述合力的方向作為擴(kuò)展方向。

37、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，基于所述合力和不可航行海域信息計算修改方向，包括：

38、確定所述新節(jié)點(diǎn)和所述鄰近點(diǎn)的中點(diǎn)，計算所述新節(jié)點(diǎn)和所述中點(diǎn)間的線段的長度，將所述新節(jié)點(diǎn)和所述中點(diǎn)間的線段的長度作為長軸值，并計算短軸值，基于所述長軸值和短軸值，確定以所述中點(diǎn)為圓心的橢圓；

39、從所述橢圓中選取距離所述終點(diǎn)最近的短軸端點(diǎn)，將所述鄰近點(diǎn)指向所述短軸端點(diǎn)的方向作為修改方向。

40、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述短軸值的計算公式為：

41、

42、式中，表示第次的短軸值，表示第次的短軸值，為短軸的調(diào)節(jié)因子，表示更新前的新節(jié)點(diǎn)，表示鄰近點(diǎn)。

43、本申請的有益效果是：本申請?zhí)峁┑拇昂骄€規(guī)劃方法，引入人工勢場法，融合航行海域的風(fēng)場環(huán)境，采用擴(kuò)展方向?qū)崟r調(diào)整方法來控制隨機(jī)樹的拓展方向，以克服rrt*算法盲目擴(kuò)展的不足，提高了算法收斂速度慢和最優(yōu)解的質(zhì)量。

技術(shù)特征：

1.一種船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，從所述航行海域信息中選取采樣點(diǎn)，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，所述目標(biāo)偏置概率的計算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，所述不可航海域包括障礙物區(qū)域和高風(fēng)險區(qū)域。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，所述合力的計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)，包括：基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展一個步長生成新節(jié)點(diǎn)；

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，基于所述合力，確定擴(kuò)展方向，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，基于所述合力和不可航行海域信息計算修改方向，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的船舶航線規(guī)劃方法，其特征在于，所述短軸值的計算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種船舶航線規(guī)劃方法，屬于路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，其中，該方法包括：S101、獲取船舶航行起點(diǎn)、終點(diǎn)和航行海域信息，基于所述起點(diǎn)構(gòu)建隨機(jī)樹，所述航行海域信息包括可航海域、不可航海域和風(fēng)場信息；S102、從所述航行海域信息中選取采樣點(diǎn)，從所述隨機(jī)樹中選取距離所述采樣點(diǎn)最近的鄰近點(diǎn)；S103、計算終點(diǎn)、采樣點(diǎn)、不可航海域和風(fēng)場對所述鄰近點(diǎn)的合力，基于所述合力的方向，將隨機(jī)樹擴(kuò)展生成新節(jié)點(diǎn)；S104、判斷所述新節(jié)點(diǎn)與所述終點(diǎn)的距離是否小于閾值，若是，則輸出最優(yōu)航線，若不是，則返回S102。本申請通過引入人工勢場法，實(shí)時調(diào)整控制隨機(jī)樹的拓展方向，提高了算法收斂速度慢和最優(yōu)解的質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：馬勇,劉成立,嚴(yán)新平,陳慧慧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9