海洋气象导航算法研究和系统实现

摘要

海洋航运具有运载量大、运费廉价和航道天然的巨大优势，是国际商品交换中最重要的运输方式之一，货物运输量占到国际货运总量的80%以上。海洋航运直接受到海洋气象环境的影响，其发展受到风险高和航速慢的制约。因此，研究如何保障航行安全、缩短航行时间和提高航运经济效益对于海洋航运业的发展尤为重要。在此背景下，本文进行了基于改进A*算法的船舶气象航线规划方法的研究，并结合实时海洋水文气象数据，研发了可船载的气象导航平台，为海洋航运船舶提供安全经济的气象航线。　　首先，本文研究了海洋水文气象在气象导航中的作用，提出了基于改进A*算法的船舶气象航线规划方法。一方面针对传统A*算法在数据存储结构和搜索效率方面的缺陷，优化了开启列表和关闭列表的存储方式，减少算法搜索的出度方向。另一方面考虑到传统A*算法采用简单的几何距离作为启发函数的代价估计方法，并不适用于气象航线规划场景，本文以实时海洋水文气象条件为基础，建立时序动态栅格地图模型，结合船舶的失速特性和航行安全系数加权来计算启发函数中的预估代价，令改进后的A*算法在气象航线规划场景下的应用更为合理。　　其次，进行算法的有效性验证。使用本文提出的气象航线规划方法，分别进行最短航时航线和最舒适航线的规划实验。实验以大圆航线和恒向线为基准航线，使用不同船型，在不同海域和气象条件下规划航线，将规划结果与基准航线进行对比，实验结果证明本文提出的算法能够有效的节省航时和保障航线的安全性。　　最后，基于本文提出的算法设计并研发了可船载的船舶气象导航平台。本文基于Node-Webkit框架，从实用性和易用性出发，兼顾可视化表达效果和算法的执行效率，研发了浏览器前后端一体化、免安装的船载气象导航平台。系统集成了多源异构的海洋预报数据，适应远洋低带宽环境下的数据压缩传输，提供基于WebGL的海洋气象数据动态可视化功能和气象预报时序查询功能，能够基于本文提出的算法规划气象航线。本系统于2018年9月安装部署于我国的远洋科考船“大洋一号”和“向阳红6号”，并业务化运行至今。

目录

声明

1 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2气象导航发展历程及研究现状

1.2.1 气象导航发展历程

1.2.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容及组织结构

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 文章组织结构

2 海洋水文气象对气象导航的影响分析

2.1海洋水文气象要素对船舶航行的影响

2.1.1 风的影响

2.1.2 海浪的影响

2.1.3 洋流的影响

2.1.4 海雾、海冰等其他要素的影响

2.2船舶的失速特性

2.3 考虑海洋水文气象的航线优选方法

2.3.1 大型天气形势选择法

2.3.2 等时线法

2.3.3 动态规划法

2.4海洋水文气象在气象导航工作过程中的作用

2.4.1 优选初始推荐航线

2.4.2 跟踪导航与变更航线

2.4.3 航次事后分析

2.5 本章小结

3 基于改进A*算法的船舶气象航线规划方法

3.1传统路线规划算法

3.2A*算法理论基础概述

3.2.1 算法原理

3.2.2 A*算法的寻路步骤

3.2.3 A*算法的启发函数

3.2.4 启发函数设计问题

3.3A*寻路算法缺陷

3.4A*算法优化

3.4.1 简化开启列表和关闭列表的存储

3.4.2 搜索出度方向简化

3.4.3 考虑气象要素的栅格地图预处理

3.4.4 A*算法在气象导航场景下的代价估计

3.5 基于改进A*算法的船舶气象航线规划方法

3.6 本章小结

4 算法验证和评价

4.1实验环境与内容

4.2最短航时航线验证

4.2.1 远洋航行下的最短航时航线规划验证

4.2.2 近海航行下的最短航时航线规划验证

4.2.3 不同吨位船舶的最短航时航线规划验证

4.3最舒适航线验证

4.3.1 常规环境下的最舒适航线规划验证

4.3.2 极端天气下的最舒适航线规划验证

4.4 本章小结

5 船舶气象导航方法的系统实现

5.1平台架构设计与功能概述

5.1.1 架构设计

5.1.2 功能概述

5.2关键技术

5.2.1 多源异构海洋预报数据集成服务

5.2.2 船载低带宽海洋预报数据高效压缩传输

5.2.3 浏览器端海洋预报动态可视化技术

5.2.4 基于拉格朗日法的风场仿真与多尺度表达

5.3数据获取与预处理

5.4系统应用情况

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3不足与展望

参考文献

作者简历

致谢

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