基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113610312A(43)申请公布日2021.11.05(21)申请号202110938356.X(22)申请日2021.08.16(71)申请人重庆交通大学地址400000重庆市南岸区学府大道66号(72)发明人胡江谢青容张燃钢廖江花杨胜发张鹏肖毅杨林向新宇王显乐(74)专利代理机构重庆上义众和专利代理事务所(普通合伙)50225代理人谭勇(51)Int.Cl.G06Q10/04(2012.01)G06N3/12(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图3页(54)发明名称基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法(57)摘要一种基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法，采用步骤为：一：构建流场数据库；二：实时航道水文要素计算；三：航线阻力计算；四：生成正交贴体网格，为航线规划建立规划背景；五：采用基于改进遗传算法优化航线集合；六：判断航线的转向角度是否大于船舶允许转向角阈值，是则进入七，否则进入八；七：删除航线；八：保留航线；九：更新航线集合；十：得到满足船舶航线约束条件的实际航行路径最短及阻力最小的航线。基于改进遗传算法的船舶航行阻力最小及航行里程最短的最优航线规划方法，能够充分考虑航道水流条件、船舶特性等对航行的影响，设计满足航行条件的实时最优航线。CN113610312ACN113610312A权利要求书1/3页1.一种基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法，其特征在于，采用步骤为：步骤一：构建二维河道流场数据库；步骤二：实时航道水文要素计算；步骤三：船舶航行阻力计算；步骤四：基于卫星影像图结合二维流场数据生成正交贴体网格；步骤五：采用改进遗传算法优化航线集合；步骤六：判断航线的转向角度是否大于船舶允许转向角阈值，是则进入步骤七，否则进入步骤八；步骤七：删除转向角度大于船舶允许转向角阈值的航线；步骤八：保留转向角度小于船舶允许转向角阈值的航线；步骤九：更新航线集合；步骤十：得到满足船舶航线约束条件的实际航行路径最短及阻力最小的航线。2.根据权利要求1所述基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法，其特征在于：所述步骤五具体为；5.1：根据航线的路经点之间各个航路段的航线距离构建船舶实际航行路径长度和阻力最小确定目标函数；5.2：根据背景网格，对船舶航行的可选择路径点进行实值编码；5.3：根据水深和阻力大小产生初代种群；5.4：基因型按照设定的规则进行部分的结构交换，重新组合成新的基因型；5.5：变异，随机的改变基因型中的某个位置的编码，从而产生新的可能更优的基因型；5.6：通过对航线基因个体进行解码后，求出各个表现型的航线长度，首先考虑船舶最大允许转向角约束条件，筛选满足条件的种群；再对筛选后的种群，按照解码后的总航线长度进行从小到大排序，取出前2Q个表现型进行总阻力从到大排序；再取出阻力排序前Q个表现型，编码成基因型后，作为下一代种群，其中Q为指定的应选择作为下一次进行遗传操作的基因表现型个数；5.7：确定优化一次后的种群后，将该优良的种群进行下一次迭代，重复步骤一到步骤六，达到设定的迭代次数后，得到满足船舶航线约束条件的实际航行路径最短及阻力最小的航线。3.根据权利要求1所述基于改进遗传算法的船舶航行实时最优航线规划方法，其特征在于：所述步骤一具体为；建立二维非恒定水流数学模型计算分析非恒定流条件下各水位‑流量组合的航道要素变化情况，包括河道内的位置信息、及其对应的流速、水位、水深、河底高程、船长范围内的比降信息等，构成流场数据库；平面二维水流数学模型的控制方程包括动量方程和水流连续方程；其中动量方程是根据时均雷诺方程沿水深方向平均而得到；在正交贴体坐标系下，不可压缩，忽略水面风应力考虑弯道二次流影响的非恒定平面二维浅水方程为：2CN113610312A权利要求书2/3页式中，式中：ξ、η为正交曲线坐标；h1、h2为拉梅系数；U、V分别为ξ、η坐标曲线方向的水深平均流速分量，分别为ξ、η方向的时间平均流速分量，单宽流量为Z为相对于参考基准面的水位坐标；H为总水深；β为垂线流速分布不均匀的校正系数；f为Coriolis参数；g为重力加速度；C为Chezy系数；νe为水深平均的有效涡粘度；zs、zb分别为水面和床面水位；D11,D22,D12,D21为水深平均的弥散应力项；网格划分采用结构网格中的交错网格：把U,V,P分别存储于三套不同网格上的网格系统；相对于基准面的水面高程Z，谢才系数C，涡粘性系数νe都存储在网格中心，为主控制单元；ξ方向水深平均流速U、水深Hx和单宽流量q＝UHx，η方向水深平均流速V、水深Hy和单宽流量p＝VHy，分别位于网格边的中心线上，它们各自的控制单元为主控制单元分别向ξ,η方向移动