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原文传递基于数据驱动的船舶航路识别及路径规划

论文题名：	基于数据驱动的船舶航路识别及路径规划
关键词：	船舶航行;航路识别;路径规划;数据驱动
摘要：	随着全球互联、大数据、人工智能在各个领域取得跨世纪的进展突破，各个国家也开始将关注聚焦于海上智能交通。船舶路径规划是海上智能交通的一个重要研究内容，其目的是解决船舶由起点到终点的航线设计问题。安全和高效是船舶路径规划需要解决的主要问题，高水平的船舶路径规划算法应使船舶在尽量安全的前提下使用最高效的路径从起点到达终点。在已有的船舶路径规划算法中，航线长度和危险避让考虑较多，海上交通模式考虑较少，容易使航线进入一些重要交通流的反方向上，或使船舶进入一些海图上没有标识的危险水域，如养殖区或捕鱼区。因此，有必要对船舶的历史轨迹进行分析，识别出海上交通模式，并在船舶路径规划中加以考虑，使船舶符合海上交通模式的要求，进而提高船舶自动路径规划的实用性。　　随着通信、计算机和网络技术在海上信息化的发展，重点水域的船舶轨迹数据可方便的通过传感器和网络获取。这些设施全天候运行，产生了大量的数据。如何从大量的、动态的、模糊的、复杂的、甚至是混乱的数据中获取有价值的信息，服务于具体的应用成为研究的重点。船舶轨迹数据中隐藏着船舶经常使用的船舶航路，通过对船舶轨迹数据的分析，可以识别出船舶航路信息。这些船舶航路被船舶长期使用，具有一定的规律，在船舶路径规划中可加以考虑。为了达到这一目的，本文使用AIS数据和电子海图数据识别船舶航路，并连接形成船舶航路网络。在船舶航路网络上实现的船舶路径规划可使航线更符合海上交通的一般运行模式。　　为了从大量的AIS数据中高效的识别出船舶航路数据，并应用于船舶路径规划，本文主要做了以下工作：　　（1）提出了一种基于TPR-tree时空数据索引的AIS动态数据检索方法，使用哈希表对TPR-tree的叶节点位置进行管理，用以提高AIS数据的更新速度，可实现动/静态检索位置的距离查询。通过检索实验证明，AIS动态数据的检索时间长度受船舶数量的影响较小；非叶节点包含最大节点数为10时，AIS数据的插入和检索效率总体最优；加入哈希表的数据索引方法比没有加入哈希表的TPR-tree在插入速度上能提高1倍以上；检索结果不会发生误检和漏检的情况。　　（2）使用可达方向和可达速度范围对DOTS算法进行改进，提出了一种称为DOTS的AIS轨迹在线压缩算法，可同时保留重要的位置、航向和速度信息，且时间复杂度不会增加。使用DOTS与经典的位置保留算法和方向保留算法在距离误差、方向误差、速度误差和停止保留率几个方面进行比较，DOTS算法的平均同步欧氏距离误差在任何压缩率下都能保持在10m以下，最大同步欧氏距离误差在压缩率为1%时仅有127m；平均方向误差在任何压缩率时都能保持在2°以内，最大方向误差可得到限制；平均速度误差在任何压缩率下都可保持在0.5kn以下，最大速度误差可得到限制；停止保留率在任何压缩率下都能保留在90%以上；综合表现比经典的位置保留算法和方向保留算法都要好。从宏观交通流的显示效果看，DOTS算法在压缩率只有10%时仍能很好的保留原始轨迹的形状。从微观的方向保留可视化效果看，DOTS算法能更好的选择采样点避免简化轨迹违反原始轨迹的语义。　　（3）提出了一种考虑陆地挤压效应的船舶航路识别算法。算法将轨迹受地形挤压发生形状变化的拐点作为转向点，使用HDBSCAN对转向点进行聚类，将类的外包凸多边形作为转向区域。然后根据船舶轨迹在转向区域间的连接状况对轨迹进行分割、分类和清洗。最后使用分类后的轨迹计算航路的中心线和边线，并连接航路形成船舶航路网络。在轨迹分类中，设计了一种基于SSPD的船舶轨迹相似尺度，可同时衡量轨迹的形状相似性和方向一致性，且不受轨迹点采样率变化的影响。　　（4）提出了一种基于航路网络和遗传算法的船舶路径规划方法。首先，使用最短路径生成算法在船舶航路网上生成一系列路径集作为遗传算法的初始种群。然后使用遗传算法结合电子海图生成的可航水域得出最优路径。遗传算法的适应度函数同时考虑了危险物距离和船舶航路的符合性。以宁波港虾峙门航道口到北仑港的路径规划为例进行实验，比较分析没有考虑航路符合性的路径规划和考虑航路符合性的路径规划结果，没有考虑船舶航路符合性生成的航线有4处反航道航行，考虑船舶航路符合性的航线能够沿着已有航道航行。进行10次实验，从航线可视化效果看，最后得到的航线都在规定的航道上，没有发生航线随机变化的情况；分析适应度值随遗传代数的变化曲线，在第11次迭代时适应度值就趋于稳定，证明初始种群的选择可使遗传算法快速收敛。　　本文提出的船舶路径规划方法在由AIS轨迹识别出的船舶航路网络和电子海图数据上完成，可同时保证生成的航线既满足碍航物的安全距离要求，又符合海上习惯航路规则。
作者：	张远强
专业：	交通信息工程及控制
导师：	史国友
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021