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基于A-star算法的近海船舶路径优化研究
| 论文题名： | 基于A-star算法的近海船舶路径优化研究 |
| 关键词： | 近海航行;路径优化;A-star算法;海图处理;环境建模 |
| 摘要： | 推动海洋经济发展，提升海洋经济效益是我国海洋强国战略的重要体现。船舶运输是交通运输的重要组成部分，是实现海洋经济发展的主要途径，与陆地运输相比，具有运输能力强、成本低、范围广等优势。对于国际航线航行的船舶，航行障碍物单一，沿既定航线航行即可，而近海与远海相比，环境较复杂、路径规划难度更大。为近海航行的船舶提供安全、高效的参考航线具有重要的应用价值。 A-star算法是交通环境信息已知条件下搜索最短路径的最有效方法，但船舶航行显然不能仅考虑距离最短，是在保证通航安全的前提下追求距离较短。论文充分考虑船舶通航的安全需求，结合近海环境特征，设计安全模型并对A-star算法予以优化，为船舶航行提供有效的安全路径。论文的主要研究工作如下： 1.近海通航环境建模。概述近海区域通航环境、分析通航障碍物类型及特征，提出海图处理方法：采用FCM模糊聚类算法提取海图要素，使用HSV色域对海图进行二值化处理。设计栅格类结构并使用栅格法对海图环境建模，提出通航安全模型，引入危险区域、亚危险区域与安全区域思想，对单障碍物与多障碍物的安全模型方案展开设计。 2.结合近海船舶通航需求对A-star算法进行三点优化：（1）启发式函数优化。参照设计的安全模型，对岛屿、礁石、浅水区等静态障碍物因素，以及风、浪自然因素进行量化分析，纳入启发式函数评估公式中，使规划的路径兼顾安全与距离，引入三条权重系数约束，动态调整A-star算法启发式函数权值，实现搜索效率与质量的平衡；（2）多层邻域扩展搜索优化。将标准A-star算法的8邻域搜索扩大至24邻域，有效解决规划路径存在的转折次数多、路径不平滑等问题；（3）搜索模式与数据结构优化。引入双向搜索并动态更新目标点，采用最小二叉堆替代顺序结构实现Open列表，有效提升算法搜索效率。最后提出船舶路径综合优化算法，阐述基于路径优化算法航线规划的全步骤。 3.实验与结果分析。将实验评价指标设计为安全值、路径长度、转折次数与算法执行时间，使用仿真海图进行组内与组外对比试验，其中组内分别对比算法三个优化点，逐一验证有效性。组外则与同类算法进行对比，验证算法搜索效率与路径规划质量。 经理论分析与实验验证，本文基于A-star算法引入的三点优化是有效的，优化后的算法规划的路径距离较短、转折点少且平滑，具备良好的搜索效率且路径规划时间在合理范围内。能够为在近海区域航行的船舶提供航线参考，规避静态障碍物与局部高风浪区域，充分保障通航安全，具有较强应用价值。 |
| 作者： | 田淼淼 |
| 专业： | 计算机技术 |
| 导师： | 张维石 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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