[发明专利]一种基于ECDIS的航线自动设计系统及其构建方法

说明书

本发明公开了一种基于ECDIS的航线自动设计系统及其构建方法，采用空间数据库管理系统建立推荐航线及航线信息数据库，通过构建加权航路网络图，采用Dijkstra算法及推荐航线相结合求解最优航线，并运用Matlab进行建模仿真，对不同船舶进行航线优选仿真实验。本发明采用在推荐航线的基础上，利用人工智能及图论的方法以获得最优航线。基于ECDIS自动航线设计智能系统不仅可以实现计划航线自动生成，还具有极其方便的航线信息查询功能，最大限度地减少驾驶员的工作量，对保证船舶航行安全和节约船舶的航行运营成本具有重要的实际意义。

技术领域

本发明涉及航线设计领域，具体涉及一种基于ECDIS的航线自动设计系统及其构建方法。

背景技术

为保证船舶在海上航行的安全，其首要任务就是要制定出一条正确合理的航线，它是航海中一项非常重要而且十分复杂的任务。这项工作做得好与不好，直接影响到船舶在海上的航行安全，也会最终影响到船舶的营运利润。制定一条正确合理的航线应遵循的基本原则是：既安全又经济。

传统的航线设计相当繁琐复杂，主要包括核实港名、确定进出港时机、收集和查阅有关航线的资料、初(草)画航线、确定航线、预绘计划航线、绘制航线表、航行计划、制定航行措施等内容。在纸海图上进行航线设计时通常是由驾驶员先在纸海图上人工标绘航路点、作图，进而人工判断航线是否可行。这种人工作业方法可能由于障碍物尺寸小或海图破损，而掩盖真实海图数据，导致航行中因为信息判断失误，而酿成严重的不良后果。另一方面，由于手工操作，工作强度很大，并且航线设计结果的优劣完全取决于航海人员的经验、作业熟练程度及工作态度，这往往会给航行带来很多潜在的不安全因素。因此选择的航线不一定是安全又经济的最优航线。减轻这种工作量和工作难度，是目前需要解决的问题之一。

电子海图显示与信息系统(ECDIS)是现代航海发展史上重大的技术革命，作为一个实时的航行系统，ECDIS汇集了各种导航传感器以及自动雷达标绘仪(ARPA)和船舶自动识别系统(ASI)的信息，已经实现了船舶定位、航行计划、避碰、航迹保持等功能。

简单地实现航线设计功能是较容易的，ECDIS只需要为船舶驾驶人员提供航线设计接口，再由船舶驾驶人员根据查阅的航海图书资料、推荐航线，分析潮流、绕越障碍物，确定好计划航线的转向点之后，手动地通过图形界面或以数字形式输入到系统中。

目前，ECDIS产品已经具有一定的辅助航线设计能力。以英国船商公司的NS4000电子海图系统为例，航线设计时航路点由用户自己确定，电子海图自动检查航线是否穿过禁航与浅滩、岛礁等无法通行的区域。用户可以通过用鼠标在海图上选取点或者用键盘录入已经确定的航路点两种方式选取航路点。系统可以在用户获取航路点的过程中实时检查航路点是否可取，也可以在航线确定之后进行航线检查，然后根据系统提示调整航线。

如此设计的计划航线虽然使驾驶员的工作负荷有所减轻，但是与使用纸制海图进行计划航线设计并没有本质上的区别，船长及驾驶员的工作量依然繁重，没有发挥出电子海图系统的智能性和自动化。在ECDIS中，如果航线设计、航路监视完全自动进行，不仅可以大大减轻航海作业人员的工作强度，而且可以增强航行安全性。

近年来，利用计算机的自动解算功能，探索矢量地图最优路径的问题引起了国内外众多学者的关注。经过概括、归纳，比较有代表性的方法有以下几种：

A.以Dijkstra算法为基础，对其优化，这是目前国内的研究热点。按其主要思想又可分为两类：①通过减少需要搜索的节点数来提高算法的执行效率，②通过优化D算法优先级队列的实现来提高算法的执行效率。吴凤平等，将船舶最小事故航线选择问题转化为不含负权的最短路问题，运用Dijkstra算法进行求解。叶清，基于多个港口形成的交通运输网，将最短航线问题分解为由起点到终点和由终点到起点求解最短航线两个子问题，然后利用Dijkstra算法进行最佳航线的选择。王科和Anel，分别基于Dijkstra算法，对军事航线的最优化问题进行了研究。李兴峰，基于碍航物多边形来建立加权网络图，采用改进的Dijkstra算法求解最短航线。