胡　泊，劉　鋒，陳彥勇

(1．海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室，云南昆明650031; 2．中船重工第七○五研究所昆明分部，云南昆明650118)

基于電子海圖的遠程巡航魚雷路徑規(guī)劃技術研究

胡泊1，劉鋒2，陳彥勇2

(1．海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室，云南昆明650031; 2．中船重工第七○五研究所昆明分部，云南昆明650118)

摘要:通過研究矢量電子海圖數(shù)據(jù)結構，提取遠程巡航魚雷執(zhí)行任務關心的海洋環(huán)境信息，裁剪無關數(shù)據(jù)。將矢量數(shù)據(jù)渲染成為遠程巡航魚雷自主決策系統(tǒng)能夠識別的信息格式。本文研究了基于電子海圖的航路規(guī)劃技術，實現(xiàn)遠程巡航魚雷在無人干預條件下按照預先任務自動規(guī)劃航線，從而提高遠程巡航魚雷的自主決策能力和執(zhí)行復雜任務及協(xié)同工作的能力。

關鍵詞:電子海圖;航路規(guī)劃;遠程巡航魚雷

Research on route planning technology based on electronic charts for long-distance torpedo

HU Bo1，LIU Feng2，CHEN Yan-yong2

(1．Naval Representative Office in Kunming，Kunming 650031，China; 2．Kunming Branch，The 705 Research Institute of CSIC，Kunming 650118，China)

Abstract:By studying the data structure of vector electronic charts，information of marine environment which is concerned by a long-distance torpedo while fulfilling its task is extracted; and irrelevant data are discarded．The vector data are rendered into an information format that can be recognized by the autonomous decision system of the long-distance torpedo．This paper studies on the route planning technology based on electronic charts．With the technology，the route of a long-distance torpedo can be autonomously planned according to the preset task．As a result，the autonomous decision-making ability of a long-distance cruise torpedo and its ability of executing complex tasks and working collaboratively are improved．

Key words:electronic chart; route planning;long-distance torpedo

0　引言

電子海圖在船舶航運中的應用主要表現(xiàn)在4個方面:一是電子海圖操作，包括電子海圖的導入、更新、顯示、查詢等功能;二是計劃航線設計;三是航行監(jiān)控和報警;四是航跡記錄和回放。將海圖信息載體遙測信息集成在一起，進行綜合處理顯示，便于岸基對載體進行可視化監(jiān)測控制。除此之外，還可將電子海圖應用于長航時的遠程巡航魚雷的航行、作戰(zhàn)仿真及演示。

目前，電子海圖已經應用于船舶航運、船舶引航、海事管理、船舶交通管理和水上工程建設等諸多領域［1］。將電子海圖應用于遠程巡航魚雷中，可實現(xiàn)基于電子海圖的自主航路規(guī)劃、以電子海圖為表現(xiàn)環(huán)境的作戰(zhàn)仿真及演示。

基于電子海圖的自主航路規(guī)劃主要是指通過將海圖信息渲染成為遠程巡航魚雷自主決策系統(tǒng)能夠識別的信息模式，獲取必要的海域地理信息及礙航物等信息，在此基礎上進行航行決策和規(guī)劃的過程。研究基于電子海圖的遠程巡航魚雷中自主決策技術，當遠程巡航魚雷在執(zhí)行長航程長航時巡航任務時，將使遠程巡航魚雷能夠自主讀取電子海圖數(shù)據(jù)信息，并依據(jù)海

圖中的元素信息進行全局航路規(guī)劃，提高遠程無人水下航行平臺的自主決策能力和智能化水平。

1　發(fā)展趨勢及應用前景

目前電子海圖在水中兵器的應用處于探索階段，主要體現(xiàn)在航路規(guī)劃方面，重點是建立起符合算法的電子海圖專用模型，研究各種規(guī)劃算法，主要有A*算法、遺傳算法、人工勢場法和拓撲圖法等。因此，研究基于國際標準的電子海圖基礎上的遠程巡航魚雷自主決策是未來發(fā)展的必然趨勢。除了在遠程巡航魚雷航路規(guī)劃中的應用外，同時還可繼續(xù)研究電子海圖在UUV等其他水下航行器中的應用，如多雷集群管理、導航定位等等。

遠程巡航魚雷在海洋環(huán)境航行時，需要獲得所處海域的海洋環(huán)境信息，目前魚雷的小范圍航行可以通過有限的傳感器來感知環(huán)境信息，但是隨著魚雷的航程越來越遠，在大范圍海洋環(huán)境航行時，靠自身傳感器的探測已經不能滿足航行的需要。長航時遠程巡航魚雷因其航行距離遠超出岸基的指揮控制，在目前人工干預手段有限的情況下，其智能航行能力尤為重要，電子海圖恰好提供了詳細而準確的海洋環(huán)境信息，已經成為自主決策和智能規(guī)劃的必要輸入，航行器可實時進行自主航路規(guī)劃，避障、防擱淺，保證航行安全。

2　技術路線

利用電子海圖實現(xiàn)遠程巡航魚雷的航路規(guī)劃，達到在無人干預的條件下，利用海洋環(huán)境信息，規(guī)劃一條可行的航行路線。規(guī)劃的自主決策流程如圖1所示。

圖1　基于電子海圖的自主決策流程Fig.1　Autonomous decision flow chart based on the electric chart

遠程巡航魚雷在進行航路規(guī)劃時，首先通過岸上設備，獲取標準格式的電子海圖，并對其進行處理，提取相關海洋地理信息并進行渲染，形成自主決策系統(tǒng)可以應用的海圖格式，然后進行航路規(guī)劃。

其次將規(guī)劃好的航路信息和電子海圖存儲在航行器中，當需要進行航路重規(guī)劃時，由航行器讀取電子海圖，按照航路規(guī)劃算法重新進行規(guī)劃，保證航行器到達目標點。

海圖渲染是將電子海圖特有封裝的不可見的原始數(shù)據(jù)識別、提取并轉換為適合與航路規(guī)劃算法的數(shù)據(jù)結構。對于規(guī)劃算法，可采用A*規(guī)劃算法，也可采用Dijkstra算法，當然，不同的算法就需要有不同的適合于該算法的海圖數(shù)據(jù)結構。

3　電子海圖數(shù)據(jù)提取

電子海圖內容以海域要素為主，其內容相當豐富，可詳細表示海底地形(水深)、航行障礙物、助航標志、港口設施、潮流、海流等要素，甚至連磁力異常區(qū)域、燈塔、浮標都被包含在內。如今國際流行的矢量電子海圖S－57格式是按照標準封裝的不可見格式，要獲得海圖數(shù)據(jù)，首先得讀取.000的原始文件格式，讀取各個字段的信息［2］。S－57電子海圖封裝結構如圖2所示。

圖2　S－57電子海圖封裝格式Fig.2　The package format of S－57 electronic chart

利用ISO8211開源類庫，根據(jù)S－57電子海圖的封裝數(shù)據(jù)結構，可以將電子海圖的所有信息進行讀取。讀取流程如圖3所示。

用于航路規(guī)劃的主要保留字段包括:特征記錄標識字段FRID、特征物標標識字段FOID、特征記錄屬性字段ATTF、特征記錄國家屬性字段NATF、特征記錄到物標指針字段FFPT、特征記錄到空間記錄指針字段FSPT、矢量記錄參數(shù)字段VRID、矢量記錄屬性字段ATTV、矢量——記錄指針字段VRPT、二維坐標字段SG2D (定位各物標、連接點的坐標)、三維坐標字段SG3D (表示測量水深點的坐標)［3］，并保留這些字段所對應的遠程巡航魚雷所關系的數(shù)據(jù)(如暗礁、島嶼信息、威脅區(qū)域等)。

圖3　電子海圖數(shù)據(jù)讀取流程Fig.3　The process of reading electronic chart

4　電子海圖航行數(shù)據(jù)空間建模

海圖渲染可將電子海圖根據(jù)任務精度劃分為網格，如果某個網格存在障礙物，記為1類網格;如不存在障礙物則記為0類網格，以此表示海圖的障礙物信息。其次對障礙物進行處理、合并，消除不可航行路段和陷阱路段，將障礙物規(guī)范成多邊形圖形，方便規(guī)劃算法。這樣構建出的數(shù)據(jù)空間就是包含了具有標識信息的海圖數(shù)據(jù)模型，可方便利用算法進行路徑規(guī)劃。

另一種海圖渲染方法可以照網格劃分海圖區(qū)域，將各種障礙物、物標信息以網格為個體，存儲進入網格中，這樣可以方便使用A*算法進行路徑規(guī)劃。另一方面，也可以單獨建立圖層，將危險、障礙信息存儲于這個圖層中，同時對障礙物信息進行多邊形化處理，將復雜的障礙物信息轉化為有限邊的障礙物，這樣可以方便使用幾何簡單的幾何避障算法來快速規(guī)劃航行路線。

利用一張中國南海S－57電子海圖提取出水深字段數(shù)據(jù)，在采用Biharmonic曲面樣條插值方法進行插值［4－5］，仿真海底地形如圖4所示。盡管電子海圖并未給出海底地形信息，但可以通過數(shù)學方法擬合出海底地形，對遠程巡航魚雷的自主決策或者岸基段遙控遙測提供依據(jù)。

圖4　中國南海海底地形仿真圖Fig.4　The submarine terrain simulation chart of the south sea china

5　路徑規(guī)劃仿真

在規(guī)劃算法中，A*算法［6］是一種經典的最優(yōu)啟發(fā)式搜索算法，它通過預設代價函數(shù)對當前節(jié)點可能到達的每一個子節(jié)點進行代價值計算，選擇最小代價節(jié)點加入到搜索空間來進行擴展，依次類推直到目標點［7］。

算法的基本思想如圖5所示:首先讀取海圖，當任

務開始點(起點)與任務結束點(終點)航線中包含1類網格時，即表明存在障礙物不能直接到達，軟件在所有的1類網格附近尋找0類網格，并替換原航線中的1類網格，直到規(guī)劃的航行全部由0類網格構成，便得到一條可能的航行路徑，直至找出所有可能的航行路徑，最后通過代價函數(shù)判斷得出一條全局航路。

圖5　航路規(guī)劃算法思路Fig.5　Train of thought in route planning algorithm

圖6　航路規(guī)劃仿真結果Fig.6　The simulation result of route planning

6　結語

利用電子海圖數(shù)據(jù)建立面向遠程巡航魚雷的航路規(guī)劃的數(shù)據(jù)模型，選用適合的航路規(guī)劃算法進行遠程巡航魚雷的航路規(guī)劃，是可行的，也是矢量電子海圖在遠程巡航魚雷應用中的一個擴展應用。遠程巡航魚雷的自主執(zhí)行任務能力，不但取決于載體自身對環(huán)境的感知探測能力，還取決于載體對環(huán)境的先驗預知程度，盡可能利用已知環(huán)境信息，基于自主決策的相關算法，建立環(huán)境模型，最大程度發(fā)揮無人自航式水中兵器的智能化決策能力，是長航程長航時水中兵器發(fā)展的關鍵技術之一。經仿真驗證，通過提取現(xiàn)有矢量海圖數(shù)據(jù)后，進行相關插值處理并構建航行空間后，采用適當?shù)穆窂揭?guī)劃算法可以為遠程巡航魚雷計算出一條安全的航路。

參考文獻:

［1］王良玉．國際標準電子海圖發(fā)展的現(xiàn)狀、存在的問題與對策探討［C］/ /中國航海學會航標專業(yè)委員會第七屆大會論文集，2003:99－101．

［2］S－57 Edition 3．1，Iho transfer standard for digital hydrographic data［S］．International Hydrographic Organization，2000．

［3］王曉鋒．S－57標準電子海圖顯示平臺的研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010．

［4］王亞濤，董蘭芳，倪奎．Biharmonic樣條插值的圖像漸變算法及實現(xiàn)［J］．中國圖象圖形學報，2007，12(12) : 2189－2194．

［5］陸鵬．基于Biharmonic樣條的離散數(shù)據(jù)三維地形生成方法［J］．廣西水利水電，2011(6) :64－65，73．

［6］任波，周熹，于雷．基于改進A*算法的飛行器三維航跡規(guī)劃算法［J］．系統(tǒng)工程與電子技術，2008，30(2) :324－326．

［7］Antonios Tsourdos Brian White，Madhavan Shanmugavel，祝小平，周洲等，譯，Cooperative Path Planning of Unmanned Aerial Vehicles［M］．2013(1) :66－80．

作者簡介:胡泊(1967－)，男，碩士，高級工程師，研究方向為水中兵器。

基金項目:國防科技預先研究基金資助項目

收稿日期:2015－03－04;修回日期: 2015－05－12

文章編號:1672－7649(2015) 07－0116－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.026

中圖分類號:TJ630．1

文獻標識碼:A