船舶计划航线航路段自动解算算法研究*

白晓勇 赵甲文 潘 念

(中船航海科技有限责任公司 北京 100070)



船舶计划航线航路段自动解算算法研究*

白晓勇 赵甲文 潘 念

(中船航海科技有限责任公司 北京 100070)

当前航路段是船舶计划航线自动监控的关键参数，是计算偏航距、到下一转向点的方位和距离等计划航线监控参数的基础。论文针对基于电子海图的数字化航海作业过程，在构建一定的航路段解算规则基础上，提出一种船舶计划航线航路段自动解算算法，实现了复杂计划航线航路段的自动解算。

航路点; 航路段; 偏航距; 方位和距离

Class Number U675.7

1 引言

航海作业通常以海图为载体，根据航行意图，综合利用导航信息、目标信息和地理环境信息，制定航海计划、标绘目标航迹、生成航行态势，实施航行监控等一系列作业活动。其中，依据计划航线开展航行监控是主要的航海作业活动之一。

采用传统的纸海图作业时，航海人员用铅笔在纸海图上标绘计划航线，按照传感器探测的船位在纸海图上标绘本船位置，通过人工观测判断本船运行所处的航路段，并在纸海图上量算船舶偏离计划航线的距离。在操控船舶航行时，将船舶偏离计划航线的距离严格控制在合理范围内，确保航行安全。

采用电子海图显示与信息系统[1～5]开展航海作业时，综合利用数字化计划航线[6～7]、电子海图、本船位置等信息自动判断本船运行所处的航路段，并进一步根据航路段位置和本船位置自动计算偏航航线距离[8]、到达下一转向点的方位和距离，提示航海人员提前做好转向准备等。在安装有自动舵[9～11]的船舶上，自动舵会根据接收的当前航路段信息自动完成操舵控制，实现船舶自动驾驶。可见，船舶计划航线航路段自动解算是数字化航海作业的基础，其重要性不言而喻。

本文首先对部分现有的航路段解算算法进行分析，阐述其算法局限性，在此基础上提出一种适用范围更广的船舶计划航线航路段自动解算算法。

2 现状分析

计划航线由一系列顺序排列的航路点构成，具有n个航路点的计划航线Route表示为以下结构：Route其中，P1为计划航线的起点，Pn为计划航线的终点。执行航行监控作业时，计划航线的航路点也称为转向点。相邻的两个航路点Pi和Pi+1之间构成一个航路段Ei，航线Route对应的n-1个航路段序列表示为以下结构：Edge。船舶计划航线航路段自动解算就是在加载计划航线执行航行监控时，系统根据本船位置BP(Lon,Lat)自动遍历计划航线Route，解算本船所处的航路段Ei。

航路段自动解算过程的一个重要问题是如何根据本船位置变化自动判断当前航路段发生切换。目前，经常被采用的一种处理方法是采用转向临界距离法进行控制。采用转向临界距离法进行航路段自动解算时，船舶从计划航线第一个航路点开始，沿计划航线顺序航行，除第一个航路点外，为其余各航路点设置一个转向临界距离，当本船距下一个航路点的距离小于或等于转向临界距离时，判定为本船开始转向，所在的航路段自动切换至下一个航路段。转向临界距离法判断当前航路段示意图见图1。

图1 转向临界距离法判断当前航路段示意图

在图1中，本船到下一转向点的距离为d，除P1外，各转向点的转向临界距离为r，当首次满足d≤r时，当前航路段从Ei切换至Ei+1。

当本船严格按照计划航线规定的航路顺序航行，在偏航距离较小时，转向临界距离法能够正确自动解算当前航路段。如果本船在转向点附近航行时偏航较大，距离转向点的距离d始终大于转向临界距离为r时，将导致无法正确自动完成航路段切换。采用转向临界距离法进行航路段解算时，需要与人工手动指定航路段方法相结合，通过半手动的方式完成航路段解算来满足航行要求。

3 算法改进设计

通过前文分析，转向临界距离法须结合手工作业完成解算任务，所以，我们在转向临界距离法基础上，引入角分线规则和航路段终点垂线规则，对算法进行改进，达到无人工参与下的航路段全自动解算要求。

3.1 角分线规则

角分线规则将船舶越过相邻两段计划航线夹角的角分线作为计划航线航路段跳转的依据。航路段E1和航路段E2的夹角角分线为l1，航路段E2和航路段E3的夹角角分线为l2，执行航行监控时，本船B顺序从航线起点P1出发并沿计划航线航行，在船舶越过角分线l1前，参照航路段E1开展航海计算，并确定下一转向点为航路段E1的终点P2；当本船越过角分线l1后，当前航路段变为E2，所有的航海计算均以E2为准。角分线规则示意图见图2。

图2 角分线规则示意图

3.2 航路段终点垂线规则

航路段终点垂线规则是在每个航路段终点对应的航路点处做航路段的垂线，本船B沿航路段航行越过该垂线时，判定该航路段航行完毕，进入下一个航路段。仍以图1所示的计划航线为例，分别在点P1和P2点做航路段E1和E2的垂线l1和l2，本船B跨越l1和l2时，实现航路段切换。航路段终点垂线规则示意图见图3。

图3 航路段终点垂线规则示意图

3.3 算法设计

改进的航路段自动解算算法以转向临界距离法为基础，引入角分线规则和航路段终点垂线规则，对本船距离转向点的距离d始终大于转向临界距离r而导致无法正确自动完成航路段切换的问题进行修正，其算法示意图见图4。

图4 改进的航路段自动解算算法示意图

在图4中，在转向临界距离法基础上，对转向点P2至Pn-1出的航路段切换算法引入角分线规则，当本船距这些转向点的距离超过转向临界距离r完成转向时，以角分线规则判定是否完成航路段切换；当航行至最后一个转向点时，引入航路段终点垂线规则，如果本船始终无法进入最后一个转向点半径为r的圆周范围内时，判定本船是否穿越最后一个航路段终点垂线，如果穿越，则认为到达目的地，航行结束，否则，继续进行航线监控。

引入角分线规则和航路段终点垂线规则的改进算法流程图见图5。

图5 改进的航路段自动解算算法流程图

根据上述算法流程图，改进的行路段自动解算算法包括以下十步：

第1步，初始化计划航线和本船船位，本船从计划航线起点P1开始航行，当前航路段初始化为E1;

第2步，计算n-1个航路段对应的航线夹角A{A1,A2,…,Ai,…,An-1}，并且每次本船位置Pb(Lon,Lat)更新后，根据新船位执行算法的第2步至第6步；

第3步，本船当前航路段为Ei(1≤i

第4步，根据方位Bi和航线夹角Ai，判断本船是否已越过角分线；

第5步，计算本船距下一转向点的距离Di，判断Di是否不大于转向临界距离r；

第6步，计算当前航路段，如果第4步和第5步任何一个条件成立，则当前航路段为Ei+1，如果两个条件都不成立，则当前航路段为Ei；

第7步，航行至最后一个航路段，即i=n-1时，计算本船到航路点Pn的方位Bn和距离Dn。

第8步，根据方位Bn判断是否越过终点垂线;

第9步，根据距离Dn和转向临界距离r判断本船是否进入转向点半径为r的圆周范围内；

第10步，满足第8步和第9步两个条件之一，则本船到达目的地，航行结束，否则持续计算当前航路段为En-1。改进的航路段自动解算算法流程图见图5。

4 结语

本文首先阐述了转向临界距离法进行计划航线航路段解算算法原理，并论述了其算法不足，然后以转向临界距离法为原型，通过引入角分线规则和航路段终点垂线规则实现了算法改进，给出算法流程图。

改进的船舶计划航线航路段自动解算算法为原理算法，实际工程应用中，可在此算法的基础上增加航路段记录、航线安全范围控制等约束条件实现个性化的算法功能。

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Algorithm in Current Route Leg Automatic Computing

BAI Xiaoyong ZHAO Jiawen PAN Nian

(CSSC Marine Technology Co.,Ltd, Beijing 100070)

The current route leg is a key parameter during the ship automatic monitoring, and which is the basic feature for calculating cross track distance, the distance and bearing to the next waypoint. This paper presents a current route leg computing algorithm based on the method using perpendicular lines to waypoints (including route terminal). It is an effective and efficient solution to calculate route monitoring parameters in anfractuous routes by constructing computational rules.

waypoints, route legs, cross track distance, distance and bearing

2016年5月11日,

2016年6月26日

白晓勇，男，硕士，工程师，研究方向：船舶导航。赵甲文，男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶导航。潘念，男，硕士，助理工程师，研究方向：船舶导航。

U675.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.013