韓佳彤

摘要：本文基于大數(shù)據(jù)分析方法提出了一種船舶智能航線設計方法。通過基礎電子海圖地理信息數(shù)據(jù)提取和航行知識專題數(shù)據(jù)庫的標準建設，對船舶航線歷史大數(shù)據(jù)進行分析，計算出港口到港口、任意點到港口、任意點到任意點的最優(yōu)航線，并以珠江口船舶航線設計為例進行了PC端和手機APP終端的設計。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)分析 智能航線設計 手機APP

1.研究背景

目前，手機導航APP在陸地道路導航中應用已經(jīng)非常普遍，算法也很成熟，導航精確度也越來越高，且不僅適應車載導航用戶，也能適應步行者以及日常公交的換乘用戶使用。但是，市面上鮮有適用于水上導航的手機APP。在走訪海事部門及港航單位時，不少用戶提出研發(fā)水上導航軟件尤其是手機水上導航APP的需求。

陸上導航分類要素比較簡單，主要是機動車道、公交車道、人行道，道路邊界清晰，且不用考慮躲避障礙物等要素。而水上導航由于航路邊界模糊，水文氣象變化頻繁，水深動態(tài)多變，和障礙物的影響，其定位與導航與陸上相比，具有動態(tài)性、不可重復性等特點，使得定位精度比陸上低、系統(tǒng)也較陸上復雜，需要根據(jù)船舶的類型、吃水、船長船寬來靈活選擇適合自己船舶的航路，還要隨時躲避水上島嶼、暗礁、沉船等障礙物，給水上航路的智能設計帶來一定困難。

珠江口水網(wǎng)密布，水域交通繁忙，航行規(guī)則復雜，兩岸港口碼頭眾多，各種類型船舶縱橫往來，有多座大型跨海橋梁、水上工程多，導致航行規(guī)則多而繁雜，且涉及粵港澳三地的水上交通協(xié)調，交通狀況復雜。對該水域智能航線的設計造成許多困難。

2.岸基wEB系統(tǒng)智能航線核心算法實現(xiàn)

2.1設計珠江口海域范圍內海洋空間地理信息數(shù)據(jù)庫

整理珠江口海域s-57電子海圖。分層分類錄入WEB系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)庫中。從電子海圖數(shù)據(jù)庫中獲取有用信息：BOYLAT航標、BRIDGR橋梁、SOUNDG水深點、DEPARE水深面、DEPCNT等深線、FAIRWY航道、LNDARE陸地島嶼、OBSTRN障礙物、ACHARE錨地、UWTROC礁石、WRECKS沉船等，導入岸基VEB數(shù)據(jù)庫中。

2.2航行知識庫的設計管理

航行知識庫以開放、可擴展、動態(tài)維護為原則，系統(tǒng)新建錄入珠江口海域范圍內航行知識庫（空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）如下：航路、水上水下施工區(qū)、港口、航道、魚柵、網(wǎng)格水域、報告線、報告區(qū)、禁航區(qū)、禁停區(qū)、限速區(qū)、定線制區(qū)、拋錨區(qū)、重要標志信息、危險點、狹水道區(qū)、海事基地。登陸岸基系統(tǒng)管理員用戶可對航行知識庫進行增刪改等編輯更新功能。知識庫越完善，為航線設計提供的參考信息更準確。

2.3設計算法

第一步：按船舶長度，寬度，最大吃水深，類型，速度五參數(shù)利用大數(shù)據(jù)分析方法和空間分析方法分別分析現(xiàn)有船舶歷史航跡大數(shù)據(jù)，根據(jù)電子海圖FAIRWY航道數(shù)據(jù)進行整理歸納采用人機交互的方式繪制出慣用航線，形成不同等級的滿足港口到港口傳統(tǒng)的固定航線。由于受到船舶五參數(shù)細分等級精度條件的影響，航線設計結果會有不同細微的差別，分級越精細，結果越準確。

第二步：將第一步得到的航線拓撲處理，編輯完善，重新生成一張能進行最短路徑分析的航線數(shù)據(jù)表。航線拓撲處理利用空間拓撲處理法，將各個類別得到的所有航線矢量數(shù)據(jù)線統(tǒng)一拓撲處理，得到類似路網(wǎng)拓撲圖的有向線段集合和節(jié)點集合，存儲為慣用航線導航控件數(shù)據(jù)表。該表能計算最短路徑分析。如圖1所示。

2.4任意點到任意點繞開障礙物航線設計

第一步設計障礙物：將海上島嶼、暗礁、沉船、禁航區(qū)、水深不能滿足船舶吃水的區(qū)域等船舶不能通行的統(tǒng)稱為障礙物?？蓪⒄系K物繪制更新在島嶼圖層數(shù)據(jù)上，并且繪制時考慮一定區(qū)域的安全緩沖帶，繪制區(qū)域邊框節(jié)點盡量不用太精細太密，以便減少服務端算法負荷。

第二步：設計起點到終點繞開障礙物航線：如圖2所示：S為本船位置，D點為目的地，航線自動搜索的步驟如下：

（1）在海圖上設定起點D、設定終點S，系統(tǒng)連接起終兩點。起終兩點連接線無穿越障礙物，則得到起終兩點連線作為航線返回給客戶，算法退出。

2.5港口到港口最優(yōu)航線設計

主要依托慣用航線數(shù)據(jù)，根據(jù)起點港口位置和終點港口位置，找到航線路徑中的起始節(jié)點和終點節(jié)點，采用Dijkstra算法，根據(jù)拓撲處理的慣用航線數(shù)據(jù)庫計算最短路徑，并增加滿足船舶吃水深權重值。Dijkstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計算一個節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑。主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。

任意點到港口的航線設計：第一種情況：任意點在珠江口水域外圍區(qū)域：從起點首先找到最近入口點，如圖3中A、B、C、D、E。比如從臺灣海峽方向任意點。進入到找到最近節(jié)點C，則分兩段航線結果組合返回最終結果，第一段：從起點到入口點C采用繞開障礙物的方法得到，第二段，以C入口點沿慣用航線找到最近到達港口的航線。

第二種：任意起點在珠江口水域區(qū)域內。首先以任意起點為圓心，采用繞開障礙物算法找到距離最近的慣用航線，然后以最近航線作為起始航線，采用慣用航線求最短距離到達港口。

2.6任意點到任意點的航線設計

結合以上所有算法，在珠江口水域附近海圖上給定任意起點，任意終點，得到從起點到終點的最近航線。

3.移動APP終端設計

手機移動APP端可以通過MMSI綁定船舶，在網(wǎng)絡在線情況的下，利用岸基系統(tǒng)核心算法功能，將任意起點、任意終點（可以選擇港口，或者海圖上任意點），提交到岸基后臺，岸基系統(tǒng)計算最優(yōu)航線返回給APP，APP收到返回的航線后繪制顯示在海圖上，并可保留歷史搜索航線。如圖5。

4結語

隨著陸上定位與導航技術的飛速發(fā)展，海洋定位與導航技術也相應得到了長足的發(fā)展，精度越來越高，應用越來越廣泛。目前我國沿海已建立無線信標差分系統(tǒng)，全面覆蓋了我國沿海地區(qū)，可達到米級精度。且隨著船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）覆蓋范圍和定位精度的提高，為水上導航提供了基本條件。相信隨著水上導航技術的成熟，基于位置與導航功能的手機APP應用的范圍也將更為廣泛，在一些諸如監(jiān)控、緊急救援等突發(fā)事件中將發(fā)揮更大的應用潛力。