一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统的制作方法

本发明涉及船舶智能航行，尤其是一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统。

背景技术：

1、随着无人自主船舶的发展，目标感知、自主决策、智能控制、通信导航等技术研究呈持续增长的趋势，成为工业界、学术界的研究新热点。其中，船舶自主决策功能基于船舶航行态势感知信息做出分析、判断与决策，进而指导船舶智能控制，实现自主航行，在船舶的自主化、无人化进程中具有关键意义。

2、从自主航行功能角度出发，涉及到的船舶自主决策功能主要包含大范围路径规划与小范围实时避碰，目前的研究也往往围绕这两方面技术展开，主要侧重在算法性能研究。然而，在船舶自主航行的实际工程应用中，面向船舶真实航行的情况下，大范围路径规划往往不是静态的、一次性的。而小范围实时避碰又与当前的最佳航线息息相关，需要基于最新的规划航线，根据实时航道信息做出风险判断并进行避碰决策。由此可见，面向船舶真实航行的自主决策行为复杂、模式多样，不再只是简单的单一算法功能调用与执行，而涉及到多个功能模块的交互与协同。

3、因此，如何构建一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，实现在船舶真实自主航行的过程中，根据实时获取的气象环境信息、碍航物信息进行最佳航线动态更新、实时智能避碰，并实现大范围航线规划与小范围实时避碰的稳定交互、可靠链接、统一调控、安全运行，对船舶一体化智能控制具有重要意义、对自主无人船舶的工程化应用具有重要价值。

技术实现思路

1、本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，从航行信息自动获取、航线动态决策、局部实时避碰、全局智能监控四大模块设计自主决策架构、构建决策系统，为船舶安全实时自主航行提供基础支撑与指导。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，包括如下步骤：

4、航行信息自动获取模块，用于实时获取电子海图信息、气象环境信息、障碍物信息和船舶状态信息，为其余模块提供必要的数据支持；

5、航线动态决策模块，用于根据航行信息自动获取模块提供的实时数据动态在线调整最佳航线方案；

6、局部实时避碰模块，用于根据航行信息自动获取模块提供的实时数据和航线动态决策模块提供的航线方案，实时监测和调整航线避免碰撞；

7、全局智能监控模块，用于从顶层的角度对其余模块进行属性配置、信息监测、全局管理与控制。

8、其进一步的技术方案为，在航行信息自动获取模块中：

9、电子海图信息包括海洋地理数据、水深、航道标志和航行规则，以协助船舶确定准确位置和规划航线；

10、气象环境信息包括风浪流、气温和降水数据，以协助船舶在恶劣环境下调整航线和船速；

11、障碍物信息包括海上障碍物的位置、类型、尺寸和数量，以协助船舶规避障碍物；

12、船舶状态信息包括船体自身的运行状态和健康状态，以确保船舶的安全和性能稳定。

13、其进一步的技术方案为，在航线动态决策模块中：

14、基于输入的航行任务确定初始航线的距离和方向，航行任务包括船舶自身的位置信息以及目的地信息；

15、将初始航线发布至全局智能监控模块，控制船舶依据该航线航行；

16、在航行过程中，分析实时获取的各类气象环境信息对航行的影响并做出动态决策，进而优化航线；

17、若优化后的航线优于当前航线，则将优化后的航线发布至全局智能监控模块，否则仍依据当前航线航行。

18、其进一步的技术方案为，在确定初始航线和优化航线时，还需考虑船舶状态信息的限制。

19、其进一步的技术方案为，在局部实时避碰模块中：

20、在航行过程中，基于障碍物信息和船舶状态信息，对船舶和障碍物的未来运动轨迹进行预测；

21、基于预测的船舶和障碍物的未来运动轨迹进行碰撞风险分析和评估；

22、若确定存在碰撞风险，则基于预估的改航代价对不同避碰决策的成本进行评估，从而决策出最优的避碰策略；

23、将最优的避碰策略发布至全局智能监控模块，控制船舶依据该策略航行。

24、其进一步的技术方案为，基于预估的改航代价对不同避碰决策的成本进行评估，从而决策出最优的避碰策略，包括：

25、考虑船舶动力学特性、航行任务和航行效率损失因素，估计每个避碰决策所带来的改变航向、速度和航行路线的代价，并综合考虑碰撞风险和改航代价之间的平衡关系，决策出最优的避碰策略。

26、其进一步的技术方案为，在全局智能监控模块中，配备了人机交互操作界面，以实现：

27、将实时更新的包含避碰策略的航行路线以图形化方式呈现在海图界面上；

28、根据预设的航行规则和限制，对船舶航行三级安全圈、船舶和障碍物的未来运动轨迹进行可视化显示；

29、实时获取并显示船舶航行过程中的各种关键信息，并进行必要的统计分析，以图形的形式直观展示航行过程中的状态信息；

30、属性配置和参数设置，实时的报警与提示功能。

31、本发明的有益技术效果是：

32、提出了一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，从航行信息自动获取、航行动态决策、局部实时避碰、全局智能监控四个方面设计决策系统，为自主航行船舶在真实航行过程中的自主路径决策流程提供了统一的指导方法。区别于传统的大范围路径离线规划，往往是在离线规划的基础上，开展航行过程的在线实时避碰，本申请提出动态路径决策与局部实时避碰双在线的思路，基于顶层航行任务要求，根据实时、动态变化的气象环境信息，进行实时在线动态决策，详细设计了动态路径决策和局部实时避碰的操作逻辑与流程，改进了传统方式中大范围全局路径信息滞后、路径最优性不足等一系列问题。另一方面，在小范围局部实时避碰的执行逻辑上，增加了改航风险判断等环节，避免在碍航物出现的情况下一味地采取避碰操作，提高船舶航行的可操作性与可靠性。

技术特征：

1.一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，在所述航行信息自动获取模块中：

3.根据权利要求1所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，在所述航线动态决策模块中：

4.根据权利要求3所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，在确定所述初始航线和优化航线时，还需考虑船舶状态信息的限制。

5.根据权利要求1所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，在所述局部实时避碰模块中：

6.根据权利要求5所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，所述基于预估的改航代价对不同避碰决策的成本进行评估，从而决策出最优的避碰策略，包括：

7.根据权利要求1所述的面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，其特征在于，在所述全局智能监控模块中，配备了人机交互操作界面，以实现：

技术总结本发明公开了一种面向船舶航行的实时动态自主路径决策系统，涉及船舶智能航行技术领域，分别设计航行信息自动获取模块、航线动态决策模块、局部实时避碰模块和全局智能监控模块来构建决策系统，通过四个模块交互配合，实现在船舶真实自主航行的过程中，根据实时获取的气象环境信息、碍航物信息进行最佳航线动态更新、实时智能避碰，并实现大范围航线规划与小范围实时避碰的稳定交互、可靠链接、统一调控、安全运行，为船舶安全实时自主航行提供基础支撑与指导。技术研发人员：唐思宇,陈京普,刘希洋,程红蓉,程展,李宁博,杜磊,周诗楠,胡琼受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心技术研发日：技术公布日：2024/6/18