一种海上船舶航线规划方法及系统与流程

本技术涉及船舶航线规划，尤其是涉及一种海上船舶航线规划方法及系统。

背景技术：

1、随着海上风电、海上油气开发、海洋工程施工及海洋观测等活动的持续开展，海上固定设施的数量不断增加，船舶在海上设施密集区域内执行运输、巡检、维护及施工保障等任务时，需要在已知的静态海域环境中规划由起点至目标位置的安全航行路径。与开阔海域相比，海上风电场、海上平台作业区及其他设施密集水域通常存在大量具有固定空间位置的风机基础、升压站、平台、施工区域及其他限制航行区域，多个静态设施之间形成具有不同宽度和不同空间方向的间隙和通道，使得船舶可航行空间呈现出明显的分割、交汇和狭窄通道特征。

2、现有船舶路径规划方法中，一类方法通常将规划海域离散为栅格地图，并采用a*、theta等图搜索算法在可通行栅格中搜索由起点至终点的路径。该类方法能够在静态障碍物条件下获得较短的规划路径，其中，theta通过引入节点间的视线关系，使路径不再局限于栅格边缘连接，在一定程度上能够减少传统栅格路径中的折线，提高路径的几何连续性。然而，基于栅格的路径搜索方法通常主要从局部栅格是否可通行的角度进行节点扩展和路径连接，其判断对象主要是单个位置点或相邻位置之间的局部连接关系，而对于海上设施之间形成的整体航行通道及相邻通道之间能否实现连续航行的关系考虑不足。

3、具体而言，在海上静态设施密集区域内，两个设施之间可能存在几何意义上的自由空间，但该自由空间并不必然能够形成适用于特定船舶的连续航行通道。例如，当设施之间的间距较小时，虽然船舶参考点可以通过对应区域，但考虑船舶自身的船长、船宽及安全余量后，船体可能无法安全通过；又例如，相邻两个通道分别具有不同的延伸方向，即使船舶能够分别通过两个通道，其在两个通道交汇或切换的位置仍可能由于航向变化过大、转弯空间不足或船舶最小转弯半径限制而无法完成连续转向。因此，单纯依据障碍物占用与否或者局部视线关系判断路径是否可通行，可能产生局部上可行、但从整体船舶航行过程来看无法执行的路径。因此，有必要针对海上静态设施密集环境，研究一种能够结合船舶自身航行特性构建连续可航行通道关系，并在此基础上进行高效路径规划的方法，从而提高规划路径与船舶实际航行过程之间的一致性。

技术实现思路

1、为了提高规划路径与船舶实际航行过程之间的一致性，本技术提供了一种海上船舶航线规划方法及系统，采用如下的技术方案：

2、第一方面，本发明提供了一种海上船舶航线规划方法，包括：

3、获取海上静态设施分布数据，构建栅格化环境模型；获取船舶主尺度参数以确定船舶的安全通行约束条件，所述安全通行约束条件至少包含船舶的几何包络尺寸和最小转弯半径；

4、提取所述栅格化环境模型中的可通行区域骨架，根据所述可通行区域骨架生成候选航行通道，并计算各候选航行通道的通道属性，所述通道属性至少包括通道宽度和通道方向角序列；

5、根据所述安全通行约束条件对相邻候选航行通道之间的连通性进行判断，若满足所述安全通行约束条件，则判定相邻候选航行通道之间具有航行连续性，基于所有具有航行连续性的通道构建可航行通道拓扑图；

6、在所述可航行通道拓扑图中搜索由起点至终点的最优通道序列，在所述最优通道序列围成的局部子空间内进行精细路径搜索，并对搜索得到的路径进行曲率平滑和可执行性校验，输出船舶最终航线。

7、可选地，所述几何包络尺寸包括等效圆形包络半径，所述等效圆形包络半径根据船舶长度、船宽及安全余量确定；

8、在所述栅格化环境模型构建完成后建立有符号距离场，并采用所述几何包络尺寸对静态障碍物进行形态学膨胀处理，将膨胀后的障碍物外部区域定义为船舶参考点的安全通行区域。

9、可选地，所述可通行区域骨架提取的过程包括：

10、采用形态学细化算法对所述安全通行区域进行骨架提取，并对提取得到的骨架图进行短枝剔除处理，将剩余的骨架边作为候选航行通道；

11、所述通道宽度为沿通道中心线法线方向上的最大内切圆直径，所述通道方向角序列为沿通道中心线各离散点处的切线方向角集合。

12、可选地，判断是否满足安全通行约束条件的过程包括：

13、若相邻两通道交汇处的实际可用宽度满足船舶几何包络通过条件，且由所述通道方向角序列计算得到的相邻通道间的转向需求满足所述最小转弯半径的约束，则判断满足所述安全通行约束条件。

14、可选地，所述转向需求满足的约束包括：

15、若满足，则判断该相邻两通道间的转向需求满足所述最小转弯半径的约束，否则判断不满足；

16、其中，为交汇处的可用通道宽度，为船舶的最小转弯半径，为相邻两通道在交汇节点处的航向变化量，为船舶宽度与安全余量之和。

17、可选地，所述可航行通道拓扑图的边权值根据航行距离代价和转向代价共同确定，所述转向代价与相邻通道间的航向变化量呈正相关关系。

18、可选地，所述最优通道序列采用dijkstra算法在所述可航行通道拓扑图中搜索获得；

19、在所述局部子空间内进行精细路径搜索时，采用改进型theta*算法，其视线检查函数在判断两点间直线是否可通行时，附加判断两点间直线段是否完全位于所述局部子空间内部。

20、可选地，对搜索得到的路径进行曲率平滑的过程包括：

21、采用三次均匀b样条曲线对所述精细路径搜索得到的离散航路点进行拟合优化，并以路径追随误差、曲率平方积分和避障斥力构建综合优化目标函数，求解该优化目标函数得到平滑后的航路点。

22、可选地，对搜索得到的路径进行可执行性校验的过程包括：

23、计算所述平滑后的航路点在各离散点处的路径曲率，若存在任一离散点的路径曲率大于所述最小转弯半径对应的曲率阈值，则重新调整所述综合优化目标函数中的权重系数并重新进行平滑优化，直至所有离散点的路径曲率均不大于所述曲率阈值。

24、第二方面，本发明提供了一种海上船舶航线规划系统，所述系统采用上述任一项所述的一种海上船舶航线规划方法，包括：

25、环境建模模块，用于获取海上静态设施分布数据，构建栅格化环境模型；获取船舶主尺度参数以确定船舶的安全通行约束条件，所述安全通行约束条件至少包含船舶的几何包络尺寸和最小转弯半径；

26、通道提取模块，用于提取所述栅格化环境模型中的可通行区域骨架，根据所述可通行区域骨架生成候选航行通道，并计算各候选航行通道的通道属性，所述通道属性至少包括通道宽度和通道方向角序列；

27、拓扑图构建模块，用于根据所述安全通行约束条件对相邻候选航行通道之间的连通性进行判断，若满足所述安全通行约束条件，则判定相邻候选航行通道之间具有航行连续性，基于所有具有航行连续性的通道构建可航行通道拓扑图；

28、路径规划与输出模块，用于在所述可航行通道拓扑图中搜索由起点至终点的最优通道序列，在所述最优通道序列围成的局部子空间内进行精细路径搜索，并对搜索得到的路径进行曲率平滑和可执行性校验，输出船舶最终航线。

29、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

30、本发明通过提取可通行区域骨架并生成候选航行通道，将复杂的栅格环境抽象为具有明确几何属性的通道结构，克服了传统栅格法仅关注局部栅格可通行性而忽视通道整体结构的缺陷；在相邻通道连通性判断中引入了船舶最小转弯半径约束，通过建立转向可行性的数学判据，在规划层面直接排除了几何交叉但转弯半径不足的伪连通路径，从根本上解决了背景技术中提出的局部可行但整体不可行的技术问题。采用通道级拓扑搜索+点级路径平滑的分层规划架构，先在通道层面进行高效的拓扑图搜索确定最优通道序列，再在选定的局部子空间内进行精细路径搜索和运动学平滑，兼顾了规划效率与路径精度。通过改进型theta*算法的视线检查函数附加通道边界判断，确保精细路径搜索始终位于可安全航行的通道内部；通过b样条曲线拟合和曲率可执行性校验，保证了最终输出航线满足船舶的实际操纵性能要求。