本文摘要：摘要：為了減小船舶在海上航行面臨臺(tái)風(fēng)時(shí)所面臨的高風(fēng)險(xiǎn)，本文設(shè)計(jì)了兼顧全局與局部規(guī)劃的避臺(tái)路徑優(yōu)化方案。該避臺(tái)路徑優(yōu)化方案運(yùn)用A*算法與人工勢(shì)場(chǎng)法(APF)并加以改進(jìn)，分別應(yīng)用于全局規(guī)劃與局部規(guī)劃中。本文在A*算法的代價(jià)函數(shù)中加入了來自于燃油消耗與安
摘要：為了減小船舶在海上航行面臨臺(tái)風(fēng)時(shí)所面臨的高風(fēng)險(xiǎn)，本文設(shè)計(jì)了兼顧全局與局部規(guī)劃的避臺(tái)路徑優(yōu)化方案。該避臺(tái)路徑優(yōu)化方案運(yùn)用A*算法與人工勢(shì)場(chǎng)法(APF)并加以改進(jìn)，分別應(yīng)用于全局規(guī)劃與局部規(guī)劃中。本文在A*算法的代價(jià)函數(shù)中加入了來自于燃油消耗與安全性帶來的影響并采用了路徑更貼近實(shí)際航路的24鄰域節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展法，另外，本文解決了APF中局部極小值與不可達(dá)的問題，并引入了信息熵的概念來解決氣象因素不確定的問題。通過測(cè)試，該方法在船舶即將遭受臺(tái)風(fēng)影響且臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)存在不確定性的情況下，可以設(shè)計(jì)一條合理的避臺(tái)路徑。本文避臺(tái)路徑優(yōu)化方法在安全性的基礎(chǔ)上兼具經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，能夠?yàn)榇鞍踩叫斜苷咸峁┬碌姆椒ā?/p>
關(guān)鍵詞：航海技術(shù);船舶避臺(tái);路徑規(guī)劃;全局規(guī)劃;A*算法;人工勢(shì)場(chǎng)
0引言
船舶在進(jìn)行遠(yuǎn)洋航行時(shí)容易面臨方方面面的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是船舶在海上航行一旦遭遇臺(tái)風(fēng)，可能造成重大的人員與經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)避臺(tái)主要依靠船員個(gè)人的航海經(jīng)驗(yàn)與氣導(dǎo)公司推薦來制定，為了避免對(duì)船員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的過分依賴與解決氣導(dǎo)公司在時(shí)效性上的缺乏，需要為船舶設(shè)計(jì)有效的避臺(tái)路徑，以保障船舶的航行安全。在船舶避臺(tái)問題的研究中，樂高[1]設(shè)計(jì)了一種基于Dijkstra算法的船舶避臺(tái)路徑，但并沒有考慮航行環(huán)境對(duì)避臺(tái)路徑的影響。
Li-FengLu[2]基于偵測(cè)的波浪強(qiáng)度設(shè)計(jì)了避臺(tái)路徑，雖然其避臺(tái)路徑考慮了航行環(huán)境對(duì)船舶的影響，但其依托的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，無法應(yīng)用于避臺(tái)路徑的預(yù)測(cè)規(guī)劃。在避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)中，核心是提出合適的路徑規(guī)劃模型和算法。作為較為成熟的路徑規(guī)劃方法，A*算法結(jié)合了Best-FirstSearch算法與Dijkstra算法的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人路徑規(guī)劃[3]領(lǐng)域有成功應(yīng)用，但在船舶避臺(tái)問題上的應(yīng)用研究還較為欠缺。
雖然，A*算法具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但A*算法不適用于環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情況，而人工勢(shì)場(chǎng)法(APF)對(duì)于處理突發(fā)情況的路徑規(guī)劃具有一定優(yōu)勢(shì)。在APF研究中，宋建輝[4]通過改進(jìn)傳統(tǒng)APF算法，解決了局部最小值的問題。薛雙飛[5]針對(duì)船舶避讓海上風(fēng)電區(qū)的路徑規(guī)劃問題，設(shè)計(jì)了全局與局部的路徑方案。然而，其設(shè)計(jì)的方案只適用于風(fēng)電場(chǎng)區(qū)這樣的靜止區(qū)域，并不適合臺(tái)風(fēng)這樣具有移動(dòng)特性的障礙區(qū)域。針對(duì)上述問題，本文針對(duì)船舶在航行過程中即將遭遇臺(tái)風(fēng)的情況，考慮航行環(huán)境對(duì)船舶路徑規(guī)劃的影響，綜合運(yùn)用A*算法與APF并加以改進(jìn)。
本文對(duì)傳統(tǒng)A*算法中的實(shí)際代價(jià)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)篩選策略進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的A*算法能夠更好的符合船舶航行中面臨的實(shí)際海況，用以船舶避臺(tái)路徑的全局規(guī)劃方案。除了全局規(guī)劃，本文還基于APF進(jìn)行改進(jìn)，為船舶提供局部的避臺(tái)路徑規(guī)劃方案，改善了傳統(tǒng)APF算法中目標(biāo)不可達(dá)、易陷入局部極小值的缺陷。并且，考慮到臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)確性，作者通過在斥力函數(shù)中引入信息熵，使得改進(jìn)后的APF算法能考慮氣象的不確定性，為船舶提供有效的局部路徑規(guī)劃方案。
1問題描述
針對(duì)船舶即將遭遇臺(tái)風(fēng)且必須設(shè)計(jì)避臺(tái)方案的情況，以保障安全為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合理的避臺(tái)方案，提高航行效率，降低對(duì)ETA的影響，降低運(yùn)輸成本。避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)問題是路徑規(guī)劃問題，依靠船舶AIS數(shù)據(jù)與氣象預(yù)報(bào)、水文信息等數(shù)據(jù)，本文考慮臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑、影響范圍等氣象預(yù)報(bào)的不確定性，在航行安全的前提下，以航行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，為船舶在風(fēng)、浪影響下的全局與局部避臺(tái)路徑規(guī)劃問題設(shè)計(jì)有效的算法。
本文中，全局規(guī)劃是指在最初識(shí)別到臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，利用氣象預(yù)報(bào)信息進(jìn)行的避臺(tái)路徑設(shè)計(jì);而局部規(guī)劃是指在執(zhí)行避臺(tái)路徑的過程中，當(dāng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)與實(shí)際路徑存在偏差，即受到氣象預(yù)報(bào)的不確定性影響時(shí)，對(duì)全局避臺(tái)路徑進(jìn)行修正。最終利用全局與局部避臺(tái)方案為船舶設(shè)計(jì)出一條具有安全性與經(jīng)濟(jì)性的避臺(tái)航路。
2船舶避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)
以往的研究中，船舶避臺(tái)路徑的設(shè)計(jì)通常建立在海洋環(huán)境是已知、確定的條件下，缺少對(duì)氣象不確定性的考慮。因此，通過考慮臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑及影響范圍的不確定性，從全局和局部規(guī)劃需求出發(fā)，為船舶設(shè)計(jì)有效、可靠的避臺(tái)路徑。
2.1避臺(tái)路徑流程設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的避臺(tái)路徑包含船舶在識(shí)別到臺(tái)風(fēng)威脅到臺(tái)風(fēng)威脅結(jié)束，因此本文的避臺(tái)路徑流程的設(shè)計(jì)思路主要為四部分：(一)識(shí)別危險(xiǎn)源。(二)依據(jù)預(yù)報(bào)路徑，影響范圍，分析采取不同方案的成本與危險(xiǎn)性。(三)在情況改變時(shí)，對(duì)方案的重新進(jìn)行評(píng)估。(四)避臺(tái)結(jié)束。
通過設(shè)計(jì)整體避臺(tái)路徑流程，既考慮到對(duì)全局避臺(tái)路徑的設(shè)計(jì)，也兼顧了由于氣象不確定性導(dǎo)致的局部避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)，最終獲得一條安全與經(jīng)濟(jì)性并存的合理避臺(tái)路徑。
3實(shí)例分析
TyphoonNakri于2019年11月5日21時(shí)強(qiáng)度到達(dá)熱帶風(fēng)暴，11月8日升格為臺(tái)風(fēng)并達(dá)到巔峰強(qiáng)度，11月11日0時(shí)在越南登陸。本文僅研究臺(tái)風(fēng)在海上移動(dòng)時(shí)對(duì)船舶造成的影響。基于TyphoonNakri的發(fā)生位置，本文利用中國(guó)南海及附近區(qū)域二值圖作為底圖，臺(tái)風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)信息數(shù)據(jù)來自中央氣象臺(tái)，氣象水文數(shù)據(jù)來自中氣導(dǎo)(https://www.meteochina.com/)，進(jìn)行避臺(tái)路徑模擬設(shè)計(jì)。
3.12019年第24號(hào)臺(tái)風(fēng)的避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)
2019年11月5日，滿載400000MT某散貨船由Dongjiakou前往TanahMerah時(shí)，依據(jù)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息船舶即將遭遇TyphoonNakri。以該船即將遭遇臺(tái)風(fēng)情景為例，為其設(shè)計(jì)避臺(tái)路徑能夠安全通過中國(guó)南海區(qū)域，避免遭受TyphoonNakri影響。該船滿載情況下經(jīng)濟(jì)航速11kn，由北向南航行，航程1253NM，預(yù)計(jì)航行時(shí)長(zhǎng)為5天。若繼續(xù)按照原定航路航行，依據(jù)最初氣象預(yù)報(bào)，臺(tái)風(fēng)正以35kn的速度向東移動(dòng)，七級(jí)風(fēng)圈半徑為124NM，該船即將在圖7中“X”位置與臺(tái)風(fēng)七級(jí)風(fēng)圈遭遇。
3.2方案分析
依據(jù)避臺(tái)路徑規(guī)劃結(jié)果，可以得到在全部避臺(tái)路徑過程當(dāng)中，進(jìn)行全局避臺(tái)路徑規(guī)劃一次，航行距離311.87NM，進(jìn)行局部避臺(tái)路徑規(guī)劃一次，航行距離991.5NM。避臺(tái)路徑整體航程1303.37NM。相較于原計(jì)劃航路航程增加50.37NM，增加油耗約23.08MT。
綜上所述，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)A*算法與APF均可適用，不僅可以在臺(tái)風(fēng)生成前期利用預(yù)報(bào)預(yù)警信息設(shè)計(jì)全局避臺(tái)路徑，又可以在航行過程中考慮氣象的不確定性設(shè)計(jì)局部避臺(tái)路徑。因此，本文所設(shè)計(jì)的避臺(tái)路徑在安全性與穩(wěn)定性上均保持在合理水平上，對(duì)船舶避臺(tái)可起到一定技術(shù)支撐作用。
氣象服務(wù)論文范例：平安區(qū)2019年氣候特點(diǎn)及氣象災(zāi)害影響分析
4結(jié)論
本文改進(jìn)了A*算法，在其代價(jià)函數(shù)中加入了船舶油耗與失速所帶來的影響，更貼近船舶在面臨臺(tái)風(fēng)時(shí)所需要考慮的實(shí)際情況。改進(jìn)了APF，解決了可能發(fā)生的局部最小值與不可達(dá)問題，在斥力勢(shì)場(chǎng)函數(shù)中引入了信息熵以適應(yīng)氣象因素的不確定性。最后以某散貨船為例，測(cè)試了本文方案在躲避臺(tái)風(fēng)TyphoonNakri時(shí)的效果。結(jié)果表明：在考慮船舶失速與油耗代價(jià)的情況下，能夠根據(jù)最初的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)進(jìn)行全局避臺(tái)路徑的規(guī)劃。在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑與預(yù)報(bào)路徑發(fā)生較大偏差時(shí)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別偏差，根據(jù)偏差與船舶航行位置進(jìn)行局部避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同影響范圍與路徑的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警信息進(jìn)行相應(yīng)的避臺(tái)路徑設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)(References)：
[1]樂高.基于ArcGIS的船舶避臺(tái)航線規(guī)劃系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué),2015.LEG.ResearchandimplementationofshiprouteplanningsystemforavoidingtyphoonbasedonArcGIS[D].WuhanUniversityofTechnology,2015.(inChinese)
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[3]張旭,程傳奇,郝向陽,等.一種兼顧全局與局部特性的機(jī)器人動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃算法[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2018,35(03):315-320.
作者：王軍*，朱芍頤，王冠卓，王美蓉
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