本發(fā)明涉及航線自動規(guī)劃，具體是涉及一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法。

背景技術：

1、海運是全球貿易和運輸?shù)闹匾M成部分，而船舶路徑規(guī)劃是確保海上航行的效率、安全性、經濟性的關鍵。可靠的規(guī)劃依賴于海量的數(shù)據(jù)，然而海洋環(huán)境的復雜性、船舶航行行為的復雜性等因素都會導致數(shù)據(jù)的不確定性增加，對大量動態(tài)數(shù)據(jù)進行高效處理和分析是一項挑戰(zhàn)。另外，復雜的海洋地形和障礙物對船舶路徑規(guī)劃提出了更高要求，現(xiàn)有一些路徑規(guī)劃方法在精度和計算復雜度上存在一定限制，在大規(guī)模數(shù)據(jù)和實時應用中難以高效運行，得到的規(guī)劃路徑往往不能應用于實際操作中，現(xiàn)實中仍依賴于駕駛者經驗對規(guī)劃路徑進行修正。

2、近年來，基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的自動化船舶路徑規(guī)劃方法得到廣泛應用，如何高效整合和利用數(shù)據(jù)成為船舶路徑規(guī)劃的關鍵。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述提到的路徑規(guī)劃效率和可靠性問題，提供一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法。通過圖論改進數(shù)據(jù)處理技術和路徑規(guī)劃算法，提升系統(tǒng)的實時響應能力，能夠顯著提高路徑規(guī)劃的效率和可靠性，結合路徑本地化措施，最終得到更符合實際操作的規(guī)劃路徑。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案來實現(xiàn)：

3、一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、s1：收集船舶歷史ais數(shù)據(jù)，對船舶歷史ais數(shù)據(jù)進行預處理，提取船舶軌跡并得到歷史軌跡數(shù)據(jù)，構建船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集；

5、s2：利用步驟s1所構建的船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集，通過聚類算法對數(shù)據(jù)集中的軌跡點和軌跡進行聚類，獲得關鍵航路點和關鍵航道，并分析歷史軌跡以確定關鍵航路點之間的連接關系，以關鍵航路點作為節(jié)點，以關鍵航道作為有向邊連接節(jié)點，建立海上航道有向圖網絡；利用歷史軌跡數(shù)據(jù)計算關鍵航路點和有向邊權重信息，計算有向邊通行距離和估計通行速度，從而計算通行時間；

6、s3：利用步驟s2建立的海上航道有向圖網絡信息，基于圖論通過路徑搜索算法搜索計算出不同路徑代價下從當前點到達目的地的最優(yōu)路徑；

7、s4：利用步驟s3獲取的最優(yōu)路徑的信息進行路徑本地化，通過路徑自動避讓算法進行避讓，通過b樣條插值對整體路徑進行平滑處理，得到可通行的最終路徑規(guī)劃結果。

8、進一步地，所述步驟s1中的預處理包括異常數(shù)據(jù)剔除、條件篩選、軌跡提取、降采樣操作。

9、首先，刪除存在空值和不符合邏輯值范圍的數(shù)據(jù)并確定數(shù)據(jù)經緯度范圍；

10、然后，根據(jù)ais數(shù)據(jù)中的船舶類型條目劃分出多個船舶類型軌跡數(shù)據(jù)，選擇特定船型的數(shù)據(jù)用于提取軌跡；

11、最后，利用線性插值進行軌跡降采樣。

12、進一步地，所述步驟s2包括以下步驟：

13、首先，初始化關鍵點提取參數(shù)，包括最小轉向夾角、最小停泊時長，當軌跡夾角小于最小轉向夾角或軌跡點位置的小變化幅度持續(xù)時間超過最小停泊時長時，這些軌跡點被判定為關鍵點。

14、其次，初始化聚類參數(shù)，包括最大距離閾值和最小距離閾值，作為關鍵點之間的距離約束，將得到的聚類中心作為關鍵航路點。

15、然后，基于關鍵航路點對歷史軌跡進行分析，確定關鍵航路點之間的連接關系，獲取關鍵航道。以關鍵航路點為節(jié)點，以關鍵航道作為有向邊連接節(jié)點，建立海上航道的有向圖網絡。

16、之后，計算有向邊的地理距離，根據(jù)歷史軌跡數(shù)據(jù)識別出位于每條有向邊預設范圍內且方向相同的相似航段，計算這些相似航段的平均通行速度，作為有向邊的估計通行速度，從而計算通行時間。以通行關鍵航路點的歷史軌跡數(shù)量為節(jié)點權重，以節(jié)點中各出邊的軌跡數(shù)量占總出邊軌跡數(shù)量的比例為有向邊權重。

17、進一步地，所述步驟s3包括以下步驟：

18、首先，計算航路圖網中全部有向邊的路徑代價，路徑代價包括路徑的通行概率、通行時間或通行距離，其中通行概率由有向邊權重計算得到。

19、其次，根據(jù)船舶當前點和目的地，利用路徑搜索算法搜索不同路徑代價下通行的最優(yōu)路徑。

20、進一步地，所述步驟s4包括以下步驟：

21、首先，在途徑非航行區(qū)域時，采用非航行區(qū)域自動規(guī)避算法進行避讓；若路徑途徑非航行區(qū)域，獲取路徑與該區(qū)域相交部分的中垂線，在中垂線上按照距離區(qū)域邊緣更近的方向，并以預設步長搜索中間節(jié)點，連接中間節(jié)點到兩端端點以創(chuàng)建新路徑，循環(huán)上述搜索操作，直至新路徑不再途徑非航行區(qū)域。

22、其次，按照路徑方向逐個刪除預設范圍內沒有非航行區(qū)域且權重低于預設閾值的中間節(jié)點。如果刪除某個節(jié)點導致路徑再次經過非航行區(qū)域，則恢復路徑到刪除的前一狀態(tài)。在距離超過預設值的節(jié)點之間先使用線性插值增加控制點，再采用b樣條插值平滑路徑。

23、之后，根據(jù)平滑前的路徑建立一定寬度的緩沖區(qū)，并去除緩沖區(qū)內的非航行區(qū)域。該緩沖區(qū)用于限制路徑節(jié)點平滑后的偏移，避免平滑操作后的重復操作。

24、最后，得到路徑規(guī)劃結果，重新計算規(guī)劃路徑通行距離和時間。

25、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

26、本發(fā)明提供的基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方案將概率圖論應用于ais數(shù)據(jù)，利用圖論構建海上航路的有向圖網絡，以節(jié)點和有向邊分別代表航運關鍵點和具有方向的航道，并以權重信息表示其繁忙程度，抽象表示船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)，能夠準確反映船舶航行規(guī)律；結合路徑本地化方法，可以實現(xiàn)可通行的、更符合實際航行規(guī)律的路徑規(guī)劃。

技術特征：

1.一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s1中的預處理包括異常數(shù)據(jù)剔除、條件篩選、軌跡提取、降采樣操作；先刪除存在空值和不符合邏輯值范圍的數(shù)據(jù)并確定數(shù)據(jù)經緯度范圍，再根據(jù)ais數(shù)據(jù)中的船舶類型條目劃分出多個船舶類型軌跡數(shù)據(jù)，選擇特定船型的數(shù)據(jù)用于提取軌跡，再利用線性插值進行軌跡降采樣。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s2的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s3的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟s4的實現(xiàn)方式包括以下步驟：

技術總結
一種基于圖論的本地化船舶路徑規(guī)劃方法，涉及航線自動規(guī)劃。收集船舶歷史AIS數(shù)據(jù)，預處理后構建船舶歷史軌跡數(shù)據(jù)集；對數(shù)據(jù)集中的軌跡點和軌跡聚類，識別關鍵航路點和航道，以關鍵點為節(jié)點，關鍵航道為有向邊，構建海上航道有向圖網絡；根據(jù)歷史軌跡數(shù)據(jù)，識別位于航道網絡中每條有向邊的相似航段，將平均速度作為邊的預估通行速度，計算通行時間、通行距離和通行概率作為路徑代價。路徑搜索算法計算不同路徑代價下從船舶當前點到達目的地的最優(yōu)路徑；途徑非航行區(qū)域時，采用路徑自動規(guī)避算法避讓；對整體路徑平滑處理，得到規(guī)劃路徑，完成船舶軌跡的圖形表示和海上航道網絡的構建，實現(xiàn)本地化船舶路徑自主規(guī)劃，提高路徑規(guī)劃的智能化和效率。

技術研發(fā)人員：李姜輝,劉津良,劉春山
受保護的技術使用者：廈門大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19