牛亮亮，李麗娜，陳國權，王鵬鯤

(集美大學 航海學院，福建 廈門 361021)

港口水域電子海圖數(shù)據(jù)快速檢索算法及應用

牛亮亮，李麗娜，陳國權，王鵬鯤

(集美大學 航海學院，福建 廈門 361021)

針對港口水域復雜且船舶密度大，容易發(fā)生船舶擱淺及碰撞事故的問題，基于船舶智能操控(SIHC)仿真平臺，對S-57海圖數(shù)據(jù)進行再組織，根據(jù)擱淺觸礁預警模型建立海圖檢索區(qū)域，采用動態(tài)拾取海圖數(shù)據(jù)的方法，設計海圖數(shù)據(jù)快速檢索算法，借助SIHC仿真平臺進行算法的仿真實驗驗證。結果表明，該算法實現(xiàn)了船舶對靜態(tài)礙航物的實時預警。

港口水域；電子海圖；避淺避礁；海圖數(shù)據(jù)快速檢索；智能船舶交通管理系統(tǒng)

港口航道等受限水域因航道狹窄、水深限制大、航道內(nèi)燈浮等障礙物較多、航行密度大，操作余地小[1]，船舶在港口水域航行發(fā)生海事的可能性增大，不僅發(fā)生船舶間的碰撞事故，而且船舶擱淺觸礁等事故也時有發(fā)生。長期以來國內(nèi)外學者主要針對開闊水域展開船舶自動避碰方面的研究工作，尚未考慮水下礙航物的影響，因此無法適用于港口等受限水域[2]。船舶擱淺觸礁預警及避碰與地理避險決策是船舶航行智能化的難點，船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)雖然具備擱淺預警功能，但預警機制簡單，導致存在誤警率、虛警率過高的問題，VTS值班人員在實際工作中通常采用人工決策的方式[3-4]。團隊前期對船舶避淺避礁決策自動化技術問題進行了初步研究，可對船舶靜態(tài)礙航物進行預警，但是如果船舶數(shù)量較多，船舶檢索海圖信息將占用大量的系統(tǒng)資源，影響算法的實時性[4-5]。電子海圖數(shù)據(jù)快速檢索是保證檢索實時性的必要條件，也是研究船舶擱淺觸礁危險預警和避淺避礁決策的關鍵技術?？紤]以船舶實時坐標為查詢源，根據(jù)AIS提供的船舶尺度、裝載、船速等要素，以及構建的各類船舶操縱性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，對各航行船舶建立各自的海圖檢索區(qū)域，對海圖數(shù)據(jù)進行再組織，通過設計電子海圖快速檢索算法，在各海圖檢索區(qū)域內(nèi)查找對船舶安全航行構成威脅的地理元素，以實現(xiàn)船舶對靜態(tài)礙航物的不同危險等級預警。

1 電子海圖數(shù)據(jù)再組織

S-57格式的數(shù)據(jù)結構包含5種類型的記錄：數(shù)據(jù)集描述記錄、目錄記錄、數(shù)據(jù)字典記錄、特征記錄和空間記錄。其中海圖中多數(shù)記錄屬于特征記錄和空間記錄，而且占據(jù)了大部分海圖容量。這也是本研究進行海圖檢索最主要的2種記錄[6-8]。

S-57海圖數(shù)據(jù)文件采用ISO8211作為數(shù)據(jù)封裝格式，把數(shù)據(jù)結構封裝在物理傳輸結構中。ISO8211基于該交換格式的文件，將其封裝在一個邏輯記錄(logical record，LR)中[7]。該原始的海圖文件傳輸存放到物理計算機上，經(jīng)過ISO8211解析庫對封裝的海圖文件進行解析，從而轉換成為可以直接使用的電子海圖數(shù)據(jù)文件，即SENC數(shù)據(jù)。圖1描述了海圖數(shù)據(jù)各層遞進關系。

圖1 模型到結構轉換

用戶獲得通過ISO8211解析后的SENC數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行讀取，即用戶需要定義自己的數(shù)據(jù)結構，將存放在存儲器中的SENC數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中來，用戶自己定義的數(shù)據(jù)結構就是對海圖數(shù)據(jù)的再組織，組織成方便用戶使用的數(shù)據(jù)結構。SENC數(shù)據(jù)中前半部分是特征記錄，主要描述物標的屬性，所相關聯(lián)的空間記錄主要描述物標的空間位置特性。對于每一個物標來說主要是通過點、線、面來描述的。因此，采用3個不同的鏈表存放從SENC文件中提取出來的點、線、面等空間物標。物標結構體定義為

Typedef Struct _ObjRazrules {

Bool IsSelected;

LUPrec *LUP;

S57Obj *obj;

Struct _ObjRazrules *child;

Struct _ObjRazrules *next;

}

定義物標鏈表：

定義不同的索引值：

#define POINTS 0

#define LINES 1

#define AREAS 2

在檢索海圖時，將檢索到的海圖物標根據(jù)點、線、面分別存放到3個物標鏈表中，進行危險判斷時，根據(jù)所要判斷的物標類型，在相對應的鏈表中進行遍歷，從而提高檢索效率。

2 電子海圖數(shù)據(jù)檢索算法

2.1 海圖檢索區(qū)域

考慮到已有的研究工作所提到的海圖檢索判斷點、線和面與矩形區(qū)域相交的速度比其他多邊形速度快得多[9-11]，而圓形區(qū)域[12]對于不規(guī)則礙航物適用性不高。因此考慮選用矩形區(qū)域作為船舶檢索區(qū)域。

根據(jù)靜態(tài)物標對船舶的危險程度將區(qū)域劃分為危險預警區(qū)、緊迫局面區(qū)和緊迫危險區(qū)。檢索區(qū)域是根據(jù)港口水域內(nèi)船舶的動態(tài)參數(shù)而確定的一個矩形區(qū)域，見圖2。其模型如下。

(1)

圖2 船舶 檢索區(qū)域確立分析

(3)

式中：AE——檢索區(qū)域的長度；NE——檢索區(qū)域的半寬度；L——船長；B——船寬；V——航速；t——操舵時間，即操舵時舵角由正舵到所操舵角所用的時間：

K，T——當前舵角在δ下的K/T值；

R——以δ舵角、V航速時的旋回半徑；

θ——當前改向角；

P——定位精度。

當θ取5°，10°，15°時所得AE和NE分別為危險預警區(qū)、緊迫局面區(qū)和緊迫危險區(qū)的長度和寬度，仿真實驗見圖3。

圖3 船舶檢索區(qū)域仿真圖

最外層矩形框為船舶危險預警區(qū)，中間層矩形框為緊迫危險區(qū)，最內(nèi)層矩形框為緊迫危險區(qū)。

2.2 動態(tài)拾取海圖數(shù)據(jù)法

團隊前期研究的SIHC仿真平臺具有海圖信息拾取功能，即當鼠標點擊電子海圖上的一點，系統(tǒng)會根據(jù)該點的位置坐標，將該點為圓心一定范圍的圓形區(qū)域內(nèi)海圖信息提取并顯示出來。在此功能上，模擬鼠標點擊獲取海圖信息，實現(xiàn)動態(tài)拾取海圖信息方法來檢索船舶檢索區(qū)內(nèi)的海圖信息，如圖4所示。

圖4 動態(tài)拾取海圖信息圖解

T為目標船位置，矩形區(qū)域為船舶檢索區(qū)域，將檢索區(qū)域的寬度平均分成n份，每一份的長度即為檢索圓的直徑。需要說明的是，檢索圓直徑要選取一個較為合適的值。如果檢索圓過小，相鄰的多個檢索圓可能檢索到同一物標，出現(xiàn)多次的重復檢索。此外，海圖檢索算法的循環(huán)次數(shù)過多，會導致程序運行緩慢，實時性較差。相反，如果檢索圓過大，相切的檢索圓之間會出現(xiàn)很大的空間沒有被檢索到，導致算法的準確性較差。本文初步擬定將船舶危險預警區(qū)域的寬度分為6等份，將船舶緊迫局面區(qū)域的寬度分為4等份，將船舶緊迫危險區(qū)域的寬度分為2等份。

步驟1。橫向確定檢索點的坐標A1，拾取圓A1內(nèi)的海圖信息。

步驟2?？v向移動確定檢索點的坐標Ai(i=2,3,…,n)，拾取圓Ai內(nèi)的海圖信息。

步驟3。返回步驟1，2，確定檢索點Bi(i=2,3,…,n)。依次類推。

直至遍歷完所有的檢索點，即拾取檢索區(qū)內(nèi)的所有海圖數(shù)據(jù)。海圖檢索算法流程見圖5。

圖5 海圖檢索算法流程

采用動態(tài)拾取海圖信息的方法檢索海圖是將船舶檢索區(qū)域分成若干份，每次拾取完其中的一個檢索圓內(nèi)的海圖數(shù)據(jù)進行危險礙航物的判斷，完成判斷之后將拾取的海圖信息進行清空，進行下一個檢索圓的海圖信息拾取，這樣可避免拾取的海圖信息鏈表內(nèi)容不斷增加，避免每一次的重復判斷，從而達到海圖信息的快速檢索。

2.3 幾何檢索航道邊界線方法

首先，采用描點法依次提取電子海圖上航道邊界上的拐點，記錄所有拐點的經(jīng)緯度信息。其次，根據(jù)拐點的經(jīng)緯度信息，連接相應的2個點，在電子海圖上將航道邊界線畫出來。最后，建立直角坐標系，在同一坐標系下判斷船舶所在區(qū)域的航道邊界線是否與船舶檢索區(qū)域相交，即計算機圖形學中判斷線是否與多邊形相交，從而檢索出航道線。

海圖數(shù)據(jù)中航道區(qū)是面特征，是由閉合的連接線構成。采用直接檢索的方式，需要依次判斷連接線上的所有鏈接點與檢索區(qū)域的位置關系。港口水域航道區(qū)較為復雜，鏈接點較多，如果依次判斷會在一定程度上影響檢索效率。采用上述特殊方法，不需要讀取海圖數(shù)據(jù)中的航道區(qū)信息，只需要通過船舶所在位置確定出所在航道區(qū)，然后判斷所在航道區(qū)提取的4條航道線是否與檢索矩形相交即可，從而提高檢索效率。

2.4 多船海圖檢索危險預警算法及流程

港口水域的船舶航行需要判斷危險礙航物的危險等級，并且為模擬VTS對港口水域船舶實時監(jiān)控，需要港口水域內(nèi)航行的所有船舶同時進行海圖檢索。其港口水域多船海圖檢索危險預警算法流程見圖6。

圖6 多船海圖檢索危險預警算法流程

船舶航行于港口水域，在進行自動避淺避礁決策時以危險等級最高的危險物標為主要避讓物標。因此在進行海圖檢索時，當檢索到緊迫危險的物標時，立即輸出危險信息并進行避讓決策，不再進行緊迫局面區(qū)域內(nèi)的海圖檢索。同理，當檢索到緊迫局面的物標時，不再進行危險預警區(qū)域內(nèi)的海圖檢索。這樣減少了海圖的檢索次數(shù)和范圍，可以達到更加快速檢索的目的。

3 算法實現(xiàn)結果及實驗驗證

以廈門港為例，將礙航物信息輸入到需要檢索的海圖物標配置文件中，見表1。

3.1 單船檢索危險物標實驗

基于SIHC仿真平臺的目標船服務器，以燈標作為檢索物標。燈標不在船舶檢索區(qū)域內(nèi)，因此輸出信息欄中無檢索物標輸出，見圖7。船舶檢索區(qū)域內(nèi)檢索到燈標，輸出信息欄中顯示危險物標為燈標，見圖8。

表1 檢測物標信息表

圖7 燈標檢測1

圖8 燈標檢測2

3.2 檢索物標危險等級實驗

以航道線為檢索目標，判斷船舶是否有偏離航道的危險。船舶初始狀態(tài)，沒有檢測到航道邊界線，因此輸出信息欄中無危險物標輸出，船舶危險等級為safe，見圖9。船舶的危險預警區(qū)域檢索到航道邊界線，輸出信息欄中顯示危險物標為航道線，且危險等級為warning，見圖10。船舶的緊迫局面區(qū)域檢測到航道邊界線，輸出信息欄中顯示危險物標為航道線，且危險等級為danger，見圖11。船舶的緊迫危險區(qū)域內(nèi)檢測到航道邊界線，輸出信息欄中顯示危險物標為航道線，且危險等級為deviation，見圖12。該實驗驗證了海圖檢索算法的可行性。

圖9 危險等級實驗截圖1

圖10 危險等級實驗截圖2

圖11 危險等級實驗截圖3

圖12 危險等級實驗截圖4

3.3 多船檢索危險物標實驗

設置10艘目標船進行多船海圖檢索實驗，驗證算法的實時性。實驗結果見圖13。實現(xiàn)了各船舶實時檢索功能。

圖13 多船海圖檢索實驗截圖

4 結論

電子海圖快速檢索算法實現(xiàn)了港口水域船舶自動檢索電子海圖功能，港口水域VTS監(jiān)控的航行船舶可以準確、實時檢索海圖的礙航物信息，并根據(jù)船舶與礙航物的不同距離提供不同級別擱淺觸礁危險預警。該算法采納了文獻[2]和[4]采用矩形搜索區(qū)的便于判斷與線和面海圖數(shù)據(jù)相交的優(yōu)點，回避了文獻[2]海圖網(wǎng)格化中裁剪海圖繁瑣以及文獻[4]需要對整幅海圖數(shù)據(jù)進行遍歷影響算法檢索效率的不足。港口水域船舶智能避碰決策系統(tǒng)，以及以IVTS的研究提供參考，具有良好的應用前景。采用動態(tài)拾取海圖數(shù)據(jù)法進行海圖檢索時，如何根據(jù)船速自動確定合適的檢索圓半徑，以既確保海圖檢索準確性，又保證海圖檢索的效率，還有待改進和優(yōu)化。

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Research of Algorithm and Application of Chart Data Quickly Retrieval in Port Area

NIU Liang-liang, LI Li-na, CHEN Guo-quan, WANG Peng-kun

(Navigation College, Jimei University, Xiamen Fujian 361021, China)

In port area, the environment is complicate and the vessel destiny is large. Based on the simulation platform of ship intelligent handle and control (SIHC), the S-57 chart data was reorganized. The chart retrieve area was constructed based on the model of ship early warning of grounding. The dynamic pick-up to get the electronic chart data was utilized to design the algorithm of rapidly retrieval of electronic chart data. The simulation result showed that the algorithm can achieve the real-time warning of static obstruction.

port area; electronic chart; anti-ground and anti-reef; chart data retrieval; IVTS

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.014

2016-01-05

國家自然科學基金(60774066)； 福建省自然科學基金(2012D031)

牛亮亮(1989—)，男，碩士生

U675.81;U675.79

A

1671-7953(2016)06-0061-06

修回日期：2016-02-24

研究方向:船舶避碰與航行智能化

E-mail:niu844241358@163.com