韩佳彤

摘要：本文基于大数据分析方法提出了一种船舶智能航线设计方法。通过基础电子海图地理信息数据提取和航行知识专题数据库的标准建设，对船舶航线历史大数据进行分析，计算出港口到港口、任意点到港口、任意点到任意点的最优航线，并以珠江口船舶航线设计为例进行了PC端和手机APP终端的设计。

关键词：大数据分析 智能航线设计 手机APP

1.研究背景

目前，手机导航APP在陆地道路导航中应用已经非常普遍，算法也很成熟，导航精确度也越来越高，且不仅适应车载导航用户，也能适应步行者以及日常公交的换乘用户使用。但是，市面上鲜有适用于水上导航的手机APP。在走访海事部门及港航单位时，不少用户提出研发水上导航软件尤其是手机水上导航APP的需求。

陆上导航分类要素比较简单，主要是机动车道、公交车道、人行道，道路边界清晰，且不用考虑躲避障碍物等要素。而水上导航由于航路边界模糊，水文气象变化频繁，水深动态多变，和障碍物的影响，其定位与导航与陆上相比，具有动态性、不可重复性等特点，使得定位精度比陆上低、系统也较陆上复杂，需要根据船舶的类型、吃水、船长船宽来灵活选择适合自己船舶的航路，还要随时躲避水上岛屿、暗礁、沉船等障碍物，给水上航路的智能设计带来一定困难。

珠江口水网密布，水域交通繁忙，航行规则复杂，两岸港口码头众多，各种类型船舶纵横往来，有多座大型跨海桥梁、水上工程多，导致航行规则多而繁杂，且涉及粤港澳三地的水上交通协调，交通状况复杂。对该水域智能航线的设计造成许多困难。

2.岸基wEB系统智能航线核心算法实现

2.1设计珠江口海域范围内海洋空间地理信息数据库

整理珠江口海域s-57电子海图。分层分类录入WEB系统数据库的空间数据库中。从电子海图数据库中获取有用信息：BOYLAT航标、BRIDGR桥梁、SOUNDG水深点、DEPARE水深面、DEPCNT等深线、FAIRWY航道、LNDARE陆地岛屿、OBSTRN障碍物、ACHARE锚地、UWTROC礁石、WRECKS沉船等，导入岸基VEB数据库中。

2.2航行知识库的设计管理

航行知识库以开放、可扩展、动态维护为原则，系统新建录入珠江口海域范围内航行知识库（空间数据和属性数据）如下：航路、水上水下施工区、港口、航道、鱼栅、网格水域、报告线、报告区、禁航区、禁停区、限速区、定线制区、抛锚区、重要标志信息、危险点、狭水道区、海事基地。登陆岸基系统管理员用户可对航行知识库进行增删改等编辑更新功能。知识库越完善，为航线设计提供的参考信息更准确。

2.3设计算法

第一步：按船舶长度，宽度，最大吃水深，类型，速度五参数利用大数据分析方法和空间分析方法分别分析现有船舶历史航迹大数据，根据电子海图FAIRWY航道数据进行整理归纳采用人机交互的方式绘制出惯用航线，形成不同等级的满足港口到港口传统的固定航线。由于受到船舶五参数细分等级精度条件的影响，航线设计结果会有不同细微的差别，分级越精细，结果越准确。

第二步：将第一步得到的航线拓扑处理，编辑完善，重新生成一张能进行最短路径分析的航线数据表。航线拓扑处理利用空间拓扑处理法，将各个类别得到的所有航线矢量数据线统一拓扑处理，得到类似路网拓扑图的有向线段集合和节点集合，存储为惯用航线导航控件数据表。该表能计算最短路径分析。如图1所示。

2.4任意点到任意点绕开障碍物航线设计

第一步设计障碍物：将海上岛屿、暗礁、沉船、禁航区、水深不能满足船舶吃水的区域等船舶不能通行的统称为障碍物。可将障碍物绘制更新在岛屿图层数据上，并且绘制时考虑一定区域的安全缓冲带，绘制区域边框节点尽量不用太精细太密，以便减少服务端算法负荷。

第二步：设计起点到终点绕开障碍物航线：如图2所示：S为本船位置，D点为目的地，航线自动搜索的步骤如下：

（1）在海图上设定起点D、设定终点S，系统连接起终两点。起终两点连接线无穿越障碍物，则得到起终两点连线作为航线返回给客户，算法退出。

2.5港口到港口最优航线设计

主要依托惯用航线数据，根据起点港口位置和终点港口位置，找到航线路径中的起始节点和终点节点，采用Dijkstra算法，根据拓扑处理的惯用航线数据库计算最短路径，并增加满足船舶吃水深权重值。Dijkstra算法是典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

任意点到港口的航线设计：第一种情况：任意点在珠江口水域外围区域：从起点首先找到最近入口点，如图3中A、B、C、D、E。比如从台湾海峡方向任意点。进入到找到最近节点C，则分两段航线结果组合返回最终结果，第一段：从起点到入口点C采用绕开障碍物的方法得到，第二段，以C入口点沿惯用航线找到最近到达港口的航线。

第二种：任意起点在珠江口水域区域内。首先以任意起点为圆心，采用绕开障碍物算法找到距离最近的惯用航线，然后以最近航线作为起始航线，采用惯用航线求最短距离到达港口。

2.6任意点到任意点的航线设计

结合以上所有算法，在珠江口水域附近海图上给定任意起点，任意终点，得到从起点到终点的最近航线。

3.移动APP终端设计

手机移动APP端可以通过MMSI绑定船舶，在网络在线情况的下，利用岸基系统核心算法功能，将任意起点、任意终点（可以选择港口，或者海图上任意点），提交到岸基后台，岸基系统计算最优航线返回给APP，APP收到返回的航线后绘制显示在海图上，并可保留历史搜索航线。如图5。

4结语

随着陆上定位与导航技术的飞速发展，海洋定位与导航技术也相应得到了长足的发展，精度越来越高，应用越来越广泛。目前我国沿海已建立无线信标差分系统，全面覆盖了我国沿海地区，可达到米级精度。且随着船舶自动识别系统（AIS）覆盖范围和定位精度的提高，为水上导航提供了基本条件。相信随着水上导航技术的成熟，基于位置与导航功能的手机APP应用的范围也将更为广泛，在一些诸如监控、紧急救援等突发事件中将发挥更大的应用潜力。