船舶航道规划方法、装置、电子设备、存储介质

技术领域

本发明实施例涉及航道规划技术领域，具体涉及一种船舶航道规划方法、装置、电子设备、存储介质。

背景技术

船舶路径规划技术可以在保障船舶航行安全、有序的前提下，提供一条指向航行目的地的可行性航线，准确、可靠、智能的船舶路径规划方法对船舶辅助航行具有重要意义。传统的船舶路径规划算法往往需要依据航行环境建立与之对应的规划模型，这限制了算法的自适应性，不利于相关算法的实际应用。

针对该问题，现有技术中存在一些通过一些智能路径规划算法实现船舶路径规划的报道文献。例如，公开号为CN112650237A的中国发明专利公开了一种基于聚类处理和人工势场的船舶路径规划方法和装置，在该方案中，通过人工势场技术实现船舶路径规划，人工势场法应用于路径规划，其规划的路径一般比较平滑且安全，而且人工势场法是一种反馈控制策略，具有一定的鲁棒性。但是存在以下缺点：1) 容易陷入局部最优的问题；2)距离目标点较远时，引力特别大，斥力相对较小，可能会发生碰撞；3)当目标点附近有障碍物时，斥力非常大，引力较小，很难到达目标点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明实施例的目的在于提供一种船舶航道规划方法、装置、电子设备、存储介质，其根据航行距离将航行路线进行分割，针对不同的分割区域采用不同的路径规划措施，保证能够到达目标点的同时，还可以提升规划效率。

为解决上述问题，本发明实施例第一方面公开一种船舶航道规划方法，包括：

基于所述船舶航行的起始点和目标点获取航行距离；

当所述航行距离小于预设阈值时，则使用人工势场法进行航道轨迹规划；

当所述航行距离大于或等于预设阈值时，则对所述航行距离进行分割，并设置第一基础位置和第二基础位置，所述第一基础位置和第二基础位置位于所述起始点和目标点之间，且所述第一基础位置与所述起始点的距离小于第二基础位置与所述起始点的距离；

控制所述船舶从起始点出发，依次经过所述第一基础位置和第二基础位置后到达所述目标点，并且：

在所述船舶从所述起始点向所述第一基础位置航行时，使用广度优先搜索算法进行航道轨迹规划；

在所述船舶从所述第一基础位置向所述第二基础位置航行时，使用人工势场法进行航道轨迹规划；

在所述船舶从所述第二基础位置向所述目标点航行时，使用改进D星算法进行航道轨迹规划。

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第一方面中，基于所述船舶航行的起始点和目标点获取航行距离，包括：

获取所述起始点和目标点的世界坐标，根据所述起始点和目标点的世界坐标计算所述航行距离。

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第一方面中，对所述航行距离进行分割，并设置第一基础位置和第二基础位置，包括：

在所述航行区域中任意选取两个位置作为第一待选位置和第二待选位置，所述第一待选位置与所述起始点的距离小于第二待选位置与所述起始点的距离；

计算第一待选位置与起始点之间的第一距离d

当同时满足以下所有条件时，则将所述第一待选位置作为第一基础位置，将所述第二待选位置作为第二基础位置：

其中，L为航行距离，

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第一方面中，使用广度优先搜索算法进行航道轨迹规划，包括：

将所述起始点和第一基础位置之间的区域按照预设规则进行划分网格，每个网格的中心作为一个节点；

以所述起始点作为初始节点进行出发访问并记录；

依次访问所述第一节点的所有邻节点，并从这些邻节点出发，依次访问这些邻节点的所有邻节点，直至到达所述第一基础位置；

计算所述第一节点至所述第一基础位置的所有线路的距离，并将距离最小的线路作为起始点和第一基础位置之间的航行路线，所述线路为第一节点至第一基础位置通过的所有节点形成的多个线段的集合。

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第一方面中，使用人工势场法进行航道轨迹规划，包括：

分别使用引力势场模型和斥力势场模型计算所述船舶对应的引力和斥力；

所述引力势场模型为：

引力为：

所述斥力势场模型为：

斥力为：

其中，U

根据所述引力和斥力的合力控制所述船舶的航行轨迹。

本发明实施例第二方面公开了一种船舶航道规划装置，包括：

计算单元，用于基于所述船舶航行的起始点和目标点获取航行距离；

第一判断单元，用于当所述航行距离小于预设阈值时，则使用人工势场法进行航道轨迹规划；

第二判断单元，用于当所述航行距离大于或等于预设阈值时，则对所述航行距离进行分割，并设置第一基础位置和第二基础位置，所述第一基础位置和第二基础位置位于所述起始点和目标点之间，且所述第一基础位置与所述起始点的距离小于第二基础位置与所述起始点的距离；

控制单元，用于控制所述船舶从起始点出发，依次经过所述第一基础位置和第二基础位置后到达所述目标点，并且：

第一执行单元，用于在所述船舶从所述起始点向所述第一基础位置航行时，使用广度优先搜索算法进行航道轨迹规划；

第二执行单元，用于在所述船舶从所述第一基础位置向所述第二基础位置航行时，使用人工势场法进行航道轨迹规划；

第三执行单元，用于在所述船舶从所述第二基础位置向所述目标点航行时，使用改进D星算法进行航道轨迹规划。

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第二方面中，所述计算单元，包括：

获取所述起始点和目标点的世界坐标，根据所述起始点和目标点的世界坐标计算所述航行距离。

作为较佳的实施例，在本发明实施例的第二方面中，所述第二判断单元，包括：

选取子单元，用于在所述航行区域中任意选取两个位置作为第一待选位置和第二待选位置，所述第一待选位置与所述起始点的距离小于第二待选位置与所述起始点的距离；

计算子单元，用于计算第一待选位置与起始点之间的第一距离d

条件设定子单元，用于当同时满足以下所有条件时，则将所述第一待选位置作为第一基础位置，将所述第二待选位置作为第二基础位置：

其中，L为航行距离，

本发明实施例第三方面公开一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并能在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述本发明实施例第一方面公开的船舶航道规划方法的步骤。

本发明实施例第四方面公开一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行上述本发明实施例第一方面公开的船舶航道规划方法的步骤。

本发明实施例第五方面公开一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述本发明实施例第一方面公开的船舶航道规划方法的步骤。

本发明实施例第六方面公开一种应用发布平台，所述应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述本发明实施例第一方面公开的船舶航道规划方法的步骤。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

本发明实施例针对人工势场法存在的问题，在初始阶段使用广度优先搜索算法，其处理速度快，而目以最短路径为目标进行搜索，在中期阶段使用人工势场法，人工势场法平滑且安全，而且人工势场法是一种反馈控制策略，具有一定的鲁棒性；而在后期阶段使用改进D星算法，改进D星算法比较适用于动态环境的路径规划，搜索效率高，可适用于短距离的航道规划。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种船舶航道规划方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的分割方法的流程示意图；

图3是本发明实施例二公开的一种船舶航道规划装置的结构示意图；

图4是本发明实施例三公开的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

本具体实施方式仅仅是对本发明实施例的解释，其并不是对本发明实施例的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明实施例的权利要求范围内都受到专利法的保护。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明实施例针对人工势场法存在的问题，在初始阶段使用广度优先搜索算法，其处理速度快，而目以最短路径为目标进行搜索，在中期阶段使用人工势场法，人工势场法平滑且安全，而且人工势场法是一种反馈控制策略，具有一定的鲁棒性；而在后期阶段使用改进D星算法，改进D星算法比较适用于动态环境的路径规划，搜索效率高，可适用于短距离的航道规划，以下结合附图进行详细描述。

实施例一

请参阅图1，图1是本发明一个实施例公开的一种船舶航道规划方法的流程示意图。如图1所示，该船舶航道规划方法包括：

S110、基于所述船舶航行的起始点和目标点获取航行距离。

航行距离可以采用平面直线距离，也可以采用世界坐标距离进行计算，在本发明较佳的实施例中，由于船舶航行并不限于内河使用，其也可以跨大洋航行，因此，这里采用世界坐标来确定航行距离。

该航行距离的计算公式为：

其中，（x

可以理解的是，由于存在障碍物（包括其他船舶、岛屿、以及暗礁等）和禁航区，船舶实际的航行距离要远大于上述计算的航行距离。

S120、当所述航行距离小于预设阈值时，则使用人工势场法进行航道轨迹规划。

由于人工势场法距离目标点较远时，引力特别大，斥力相对较小，可能会发生碰撞，因此，其不太适用于较远距离的航道规划中，在本发明较佳的实施例中，预设阈值为设定值，其可以根据需要自行调整，例如可以设定为300公里，当然，在其他的实施例中，也可以设定为更大的值。

S130、当所述航行距离大于或等于预设阈值时，则对所述航行距离进行分割，并设置第一基础位置和第二基础位置，所述第一基础位置和第二基础位置位于所述起始点和目标点之间，且所述第一基础位置与所述起始点的距离小于第二基础位置与所述起始点的距离。

设置第一基础位置和第二基础位置的目的在于将整个航行距离进行分割，得到三个阶段，分别为起始点到第一基础位置的初始阶段、第一基础位置到第二基础位置的中期阶段以及第二基础位置到目标点的后期阶段。

请参照图2所述，分割的方法可以包括以下步骤：

S131、在所述航行区域中任意选取两个位置作为第一待选位置和第二待选位置，所述第一待选位置与所述起始点的距离小于第二待选位置与所述起始点的距离。

航行区域是指按照起始点和目标点之间的连线，以预设的覆盖半径、以该连线上的点为圆心，形成的区域记为航行区域。

第一待选位置和第二待选位置可以任意选择，可以理解的是，第一待选位置和第二待选位置是船舶可以通行的点，否则，分割没有实际意义。

S132、计算第一待选位置与起始点之间的第一距离d

第一距离、第二距离和第三距离的计算方法可以与航行距离相同，即可通过平面两点的直线距离进行计算，也可以通过世界坐标进行计算。需要注意的是，航行距离和此处的距离计算需要采用相同的计算公式，以保证后续判断条件的可行性。

S133、当同时满足以下所有条件时，则将所述第一待选位置作为第一基础位置，将所述第二待选位置作为第二基础位置：

其中，L为航行距离，

第一比例原则上不大于1.5，

S140、控制所述船舶从起始点出发，依次经过所述第一基础位置和第二基础位置后到达所述目标点，并且，在三个阶段分别采用不同的航道规划算法。

在三个阶段中，初始阶段可以使用广度优先搜索算法，其处理速度快，而目以最短路径为目标进行搜索，中期阶段可以使用人工势场法，人工势场法平滑且安全，而且人工势场法是一种反馈控制策略，具有一定的鲁棒性；而后期阶段可以使用改进D星算法，改进D星算法比较适用于动态环境的路径规划，搜索效率高，可适用于短距离的航道规划。

S150、在所述船舶从所述起始点向所述第一基础位置航行时，使用广度优先搜索算法进行航道轨迹规划。

广度优先搜索算法(Breadth-First Search，BFS) 是一种盲目搜寻法，其并不使用经验法则算法，目的是系统地展开并检查图中的所有节点，以找寻结果。换句话说，它并不考虑结果的可能位置，彻底地搜索整张图，直到找到结果为止。

示例性地，可以将所述起始点和第一基础位置之间的区域按照预设规则进行划分网格，每个网格的中心作为一个节点；以所述起始点作为初始节点进行出发访问并记录；依次访问所述第一节点的所有邻节点，并从这些邻节点出发，依次访问这些邻节点的所有邻节点，直至到达所述第一基础位置；计算所述第一节点至所述第一基础位置的所有线路的距离，并将距离最小的线路作为起始点和第一基础位置之间的航行路线，所述线路为第一节点至第一基础位置通过的所有节点形成的多个线段的集合。

S160、在所述船舶从所述第一基础位置向所述第二基础位置航行时，使用人工势场法进行航道轨迹规划。

人工势场法(artificial potential feld，APF)的基本原理就是通过一系列环境感知传感器来探知环境的障碍物情况，船舶在多个斥力势场和一个引力势场的势场环境下沿着势场下降的方向运动。人工势场法本质上是一种控制方法，其轨迹并非像其他规划算法一样，而是由实时的控制量产生的。

人工势场法基于引力和斥力的合力实现对船舶的控制，其具体过程是：

分别使用引力势场模型和斥力势场模型计算所述船舶对应的引力和斥力；

所述引力势场模型为：

引力为：

所述斥力势场模型为：

斥力为：

其中，U

根据所述引力和斥力的合力控制所述船舶的航行轨迹。

在其他的实施例中，也可以将人工势场法与其他的算法进行结合，例如可以采用公开号为CN112650237A的中国发明专利公开了一种基于聚类处理和人工势场的船舶路径规划方法和装置中提及的将聚类算法和人工势场进行结合。

S170、在所述船舶从所述第二基础位置向所述目标点航行时，使用改进D星算法进行航道轨迹规划。

改进D星算法进行航道轨迹规划也可以采用现有技术实现，示例性地，可以采用公开号为CN115390565A的中国发明专利公开了一种基于改进D星算法的无人艇动态路径规划方法与系统中的技术实现。这里不再对其进行赘述。

实施例二

请参阅图3，图3是本发明实施例公开的一种船舶航道规划装置的结构示意图。如图3所示，该船舶航道规划装置包括：

计算单元210，用于基于所述船舶航行的起始点和目标点获取航行距离；

第一判断单元220，用于当所述航行距离小于预设阈值时，则使用人工势场法进行航道轨迹规划；

第二判断单元230，用于当所述航行距离大于或等于预设阈值时，则对所述航行距离进行分割，并设置第一基础位置和第二基础位置，所述第一基础位置和第二基础位置位于所述起始点和目标点之间，且所述第一基础位置与所述起始点的距离小于第二基础位置与所述起始点的距离；

控制单元240，用于控制所述船舶从起始点出发，依次经过所述第一基础位置和第二基础位置后到达所述目标点，并且：

第一执行单元250，用于在所述船舶从所述起始点向所述第一基础位置航行时，使用广度优先搜索算法进行航道轨迹规划；

第二执行单元260，用于在所述船舶从所述第一基础位置向所述第二基础位置航行时，使用人工势场法进行航道轨迹规划；

第三执行单元270，用于在所述船舶从所述第二基础位置向所述目标点航行时，使用改进D星算法进行航道轨迹规划。

优选地，所述计算单元210，包括：

获取所述起始点和目标点的世界坐标，根据所述起始点和目标点的世界坐标计算所述航行距离。

优选地，所述第二判断单元230，包括：

选取子单元，用于在所述航行区域中任意选取两个位置作为第一待选位置和第二待选位置，所述第一待选位置与所述起始点的距离小于第二待选位置与所述起始点的距离；

计算子单元，用于计算第一待选位置与起始点之间的第一距离d

条件设定子单元，用于当同时满足以下所有条件时，则将所述第一待选位置作为第一基础位置，将所述第二待选位置作为第二基础位置：

其中，L为航行距离，

优选地，第一执行单元250，可以包括：

将所述起始点和第一基础位置之间的区域按照预设规则进行划分网格，每个网格的中心作为一个节点；

以所述起始点作为初始节点进行出发访问并记录；

依次访问所述第一节点的所有邻节点，并从这些邻节点出发，依次访问这些邻节点的所有邻节点，直至到达所述第一基础位置；

计算所述第一节点至所述第一基础位置的所有线路的距离，并将距离最小的线路作为起始点和第一基础位置之间的航行路线，所述线路为第一节点至第一基础位置通过的所有节点形成的多个线段的集合。

优选地，第二执行单元260，可以包括：

分别使用引力势场模型和斥力势场模型计算所述船舶对应的引力和斥力；

所述引力势场模型为：

引力为：

所述斥力势场模型为：

斥力为：

其中，U

根据所述引力和斥力的合力控制所述船舶的航行轨迹。

实施例三

请参阅图4，图4示出了可以用来实施本发明实施例的电子设备的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的或/和者要求的本发明实施例的实现。

如图4所示，电子设备包括至少一个处理器310，以及与至少一个处理器310通信连接的存储器，如ROM（只读存储器）320、RAM（随机访问存储器）330等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器310可以根据存储在ROM 320中的计算机程序或者从存储单元380加载到随机访问存储器RAM 330中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 330中，还可存储电子设备操作所需的各种程序和数据。处理器310、ROM320以及RAM 330通过总线340彼此相连。I/O（输入/输出）接口350也连接至总线340。

电子设备中的多个部件连接至I/O接口350，包括：输入单元360，例如键盘、鼠标等；输出单元370，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元380，例如磁盘、光盘等；以及通信单元390，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元390允许电子设备通过诸如因特网的计算机网络或/和各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器310可以是各种具有处理和计算能力的通用或/和专用处理组件。处理器310的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器310执行上文实施例一至三任一描述的一种船舶航道规划方法的一个或多个步骤。

在一些实施例中，一种船舶航道规划方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元380。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 320或/和通信单元390而被载入或/和安装到电子设备上。当计算机程序加载到RAM 330并由处理器310执行时，可以执行上文实施例一至三任一描述的一种船舶航道规划方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器310可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行一种船舶航道规划方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、或/和它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行或/和解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明实施例的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图或/和框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明实施例的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

以上对本发明公开的一种船舶航道规划方法、装置、电子设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。