基于海流数值预报信息的航线评估系统、方法及存储介质与流程

1.本发明涉及一种基于海流数值预报信息的航线评估系统及方法，属于船舶导航技术领域。


背景技术：

2.为保证船舶在海上航行的安全性和经济性，需在航行前做好航线规划，然后按规划航线航行。航线规划得是否合理与船舶在全航程中是否能安全航行直接相关，也直接关系到航行时间的长短和燃料耗费的多寡等经济效益指标。所以，在正式开航前，有必要对规划好的航线进行科学评估，以便及时对其中的不合理之处进行调整，有效帮助船员规划出安全和经济的航线。
3.电子海图具有实时动态显示航行态势、航行监控、航海计算和航线安全检查等功能，可以让船员更加直观地感受航行过程，也提高了船员的航海作业效率。目前普遍采用通过电子海图获取的已知的水深和碍航物等信息来评估航线的安全性，也可在电子海图上叠加天气预报信息，以动态显示航行过程中的天气变化，综合评估天气对航行安全性等方面的影响。
4.但在实际航行中，海流的流向和流速等水文数据都会对航行的安全性和经济性产生较大影响，目前的航线评估方案中并没有考虑航程中水文数据的变化趋势对航行的影响，使航线评估的准确性大打折扣，大大增加了航行过程的不确定性，存在较大的安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决上述背景技术中提及的缺陷。
6.为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种基于海流数值预报信息的航线评估系统，包括航线分割模块，用于将拟规划航线分割成n个航路段；航线海域范围确定模块，用于确定拟规划航线的海域范围；海流数值预报区域确定模块，用于确定与所述拟规划航线的海域范围相对应的海流数值预报区域，所述海流数值预报区域内的海流数值预报信息为与网格代号对应的网格数据，并由网格的左上角位置点定位；航路段等分模块，用于将各所述航路段等分为ri份，每份之间为等分位置点p
ij
；等分位置点的海流数据确定模块，用于将所述等分位置点p
ij
的地理坐标值通过所述网格代号换算成在所述海流数值预报区域中对应网格的左上角位置点的地理坐标值z
ij
，设船舶到达等分位置点p
ij
的时刻为t
pij
，在存储有海流数值预报信息的数据库中检索出z
ij
位置点在t
pij
时刻所对应的海流数据，所述海流数据为海流的运动向量；顺逆流状态判断模块，用于通过等分位置点的海流运动向量与船舶运动向量的点乘结果q
ij
来判断等分位置点处的船舶运动状态是顺流还是逆流，进而通过qi＝∑q
ij
判断各航路段的顺逆流情况，最后通过q
total
＝∑qi判断整条拟规划航线的顺逆流情况。
7.进一步地，所述航线海域范围确定模块通过拟规划航线的经纬度极值来确定航线
海域范围。
8.进一步地，所述航线海域范围为由最大经度值φ
max
、最小经度值φ
min
、最大纬度值λ
max
和最小纬度值λ
min
所在的四根经线或纬线所围成的区域。
9.进一步地，所述顺逆流状态判断模块包括向量点乘单元、累加单元和状态判断单元，所述向量点乘单元适于将各等分位置点的海流数据与船舶运动向量进行点乘并输出点乘结果，所述累加单元适于接收各所述点乘结果并对其进行累加后输出累加结果，所述状态判断单元适于判断所述累加结果的正负，正值对应于顺流状态，负值对应于逆流状态。
10.第二方面，本发明提供一种基于海流数值预报信息的航线评估方法，包括以下步骤：(1)分割航线：将拟规划航线分割成n个航线段；(2)确定拟规划航线的海域范围；(3)确定海流数值预报区域：确定与所述拟规划航线的海域范围相对应的海流数值预报区域，所述海流数值预报区域内的海流数值预报信息为与网格代号对应的网格数据，并由网格的左上角位置点定位；(4)航路段等分：将各所述航路段等分为ri份，每份之间为等分位置点p
ij
；(5)确定等分位置点的海流数据：将所述等分位置点p
ij
的地理坐标值通过所述网格代号换算成在所述海流数值预报区域中对应网格的左上角位置点的地理坐标值z
ij
，设船舶到达等分位置点p
ij
的时刻为t
pij
，在存储有海流数值预报信息的数据库中检索出z
ij
位置点在t
pij
时刻所对应的海流数据，所述海流数据为海流的运动向量；(6)判断顺逆流状态：通过等分位置点的海流运动向量与船舶运动向量的点乘结果q
ij
来判断等分位置点处的船舶运动状态是顺流还是逆流，进而通过qi＝∑q
ij
判断各航路段的顺逆流情况，最后通过q
total
＝∑qi判断整条拟规划航线的顺逆流情况。
11.进一步地，步骤(2)中所述拟规划航线的海域范围的确定过程为：先确定拟规划航线的最大经度值φ
max
、最小经度值φ
min
、最大纬度值λ
max
和最小纬度值λ
min
，则拟规划航线的海域范围为由φ
max
经线、φ
min
经线、λ
max
纬线和λ
min
纬线所围合成的区域。
12.进一步地，步骤(3)中所述的海流数值预报区域的确定过程为：以所述拟规划航线的海域范围的左上角点a1(φ1，λ1)为原点，其中φ1取自φ
max
或φ
min
，λ1取自λ
max
或λ
min
，设海流网格数据的网格分辨率为p度
×
q度，设海流网格数据的网格代号为x&y，其中x为从a1点开始向右计算的第x列网格，y为从a1点开始向下计算的第y行网格，则拟规划航线的海域范围内的位置点a2(φ2，λ2)的网格代号x2&y2为：
13.x2＝(φ
2-φ1)/p+1；(φ1、φ2符号相同时)
14.y2＝(λ
1-λ2)/q+1；
15.或者
16.x2＝(360+φ
2-φ1)/p+1；(φ1》0、φ2《0时)
17.y2＝(λ
1-λ2)/q+1；
18.则，该x2&y2网格的左上角点a3(φ3，λ3)的经纬度值为：φ3＝φ1+(x
2-1)*p；
19.λ3＝λ1–
(y
2-1)*q；当φ3》180时，φ3＝360-φ3；
20.该x2&y2网格的右下角点a4(φ4，λ4)的经纬度值为：φ4＝φ1+x2*p；
21.λ4＝λ
1-y2*q；当φ4》180时，φ4＝360-φ4；
22.以此类推，直至得到海流数值预报区域的左上角点n1(φ
n1
，λ
n1
)的经纬度值φ
n1
、λ
n1
和右下角点n2(φ
n2
，λ
n2
)的经纬度值φ
n2
、λ
n2
，海流数值预报区域为由n1(φ
n1
，λ
n1
)和n2(φ
n2
，λ
n2
)所确定的区域。
23.进一步地，步骤(5)中所述等分位置点p
ij
的地理坐标值根据大地主题正算规则计算得到。
24.进一步地，步骤(5)中所述等分位置点p
ij
的海流数据的确定过程为：先计算p
ij
所在的网格代号，再计算p
ij
所在网格的左上角位置点z
ij
的经纬度值，设第i个航路段的起点为pi，开始时间为t
si
，到达时间为t
ei
，航向为hi，航速为vi，航程为si，p
ij
到pi的距离为s
ij
，则船舶到达p
ij
点的时刻t
pij
＝t
si
+s
ij
/vi，在存储有海流数值预报信息的数据库中检索出z
ij
位置点在t
pij
时刻所对应的海流数据，该海流数据包括流向h
pij
和流速v
pij
，对应的海流向量为c
pij
(x
pij
，y
pij
)，其中x
pij
＝v
pij
*sin(h
pij
)，y
pij
＝v
pij
*cos(h
pij
)。
25.进一步地，步骤(6)中所述顺逆流状态的判断过程为：实时获取船舶在t
pij
时刻到达p
ij
位置点时的航向hi和航速vi，对应的船舶运动向量为ci(xi，yi)，其中xi＝vi*sin(hi)，yi＝vi*cos(hi)；q
ij
＝ci(xi，yi)
·cpij
(x
pij
，y
pij
)＝xi*x
pij
+yi*y
pij
；第i个航路段的顺逆流状态数据为qi＝∑q
ij
，全航程的顺逆流状态数据为q
total
＝∑qi；若q
total
＞0，判定航线顺流；若q
total
《0，判定航线逆流。
26.第三方面，本发明提供一种计算机存储介质，所述存储介质中存有如第一方面任一技术方案所述的基于海流数值预报信息的航线评估系统，该基于海流数值预报信息的航线评估系统适于在计算机上执行如第二方面任一技术方案所述的基于海流数值预报信息的航线评估方法。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
28.利用水文数值预报信息中的海流数据实现拟规划航线的航行影响评估，可根据评估结果从多条航线中选择最安全和最经济的航线，提高了航线评估的可靠性，能为航海作业人员提供辅助决策支持。
附图说明
29.图1是本发明系统一个实施例的原理框图；
30.图2是本发明系统一个实施例中顺逆流状态判断模块的原理框图；
31.图3是本发明方法一个实施例的流程图；
32.图4是本发明方法一个实施例中确定航线某一位置点海流数据的流程图；
33.图5是本发明方法一个实施例中判断顺逆流状态的流程图；
34.图6是本发明方法一个实施例中航路段等分点示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
36.如图1所示，本发明基于海流数值预报信息的航线评估系统的一个实施例，包括航线分割模块，用于将拟规划航线分割成n个航路段；航线海域范围确定模块，用于确定拟规划航线的海域范围；海流数值预报区域确定模块，用于确定与所述拟规划航线的海域范围相对应的海流数值预报区域，所述海流数值预报区域内的海流数值预报信息为与网格代号对应的网格数据，并由网格的左上角位置点定位；航路段等分模块，用于将各所述航路段等分为ri份，每份之间为等分位置点p
ij
；等分位置点的海流数据确定模块，用于将所述等分位置点p
ij
的地理坐标值通过所述网格代号换算成在所述海流数值预报区域中对应网格的左
上角位置点的地理坐标值z
ij
，设船舶到达等分位置点p
ij
的时刻为t
pij
，在存储有海流数值预报信息的数据库中检索出z
ij
位置点在t
pij
时刻所对应的海流数据，所述海流数据为海流的运动向量；顺逆流状态判断模块，用于通过等分位置点的海流运动向量与船舶运动向量的点乘结果q
ij
来判断等分位置点处的船舶运动状态是顺流还是逆流，进而通过qi＝∑q
ij
判断各航路段的顺逆流情况，最后通过q
total
＝∑qi判断整条拟规划航线的顺逆流情况。
37.在本发明系统的一个实施例中，所述航线海域范围确定模块通过拟规划航线的经纬度极值来确定航线海域范围。
38.在本发明系统的一个实施例中，所述航线海域范围为由最大经度值φ
max
、最小经度值φ
min
、最大纬度值λ
max
和最小纬度值λ
min
所在的四根经线或纬线所围成的区域。
39.在本发明系统的一个实施例中，如图2所示，所述顺逆流状态判断模块包括向量点乘单元、累加单元和状态判断单元，所述向量点乘单元适于将各等分位置点的海流数据与船舶运动向量进行点乘并输出点乘结果，所述累加单元适于接收各所述点乘结果并对其进行累加后输出累加结果，所述状态判断单元适于判断所述累加结果的正负，正值对应于顺流状态，负值对应于逆流状态。
40.如图3-图5所示，本发明基于海流数值预报信息的航线评估方法的一个实施例，步骤如下：
41.s100：拟定一条拟规划航线，该拟规划航线由n个航路段、n+1个航路点组成，n为正整数；记起航时间为ts、到达时间为te，第i个航路段的开始时间、到达时间、航向、航速和航程分别为t
si
,t
ei
,hi,vi,si，第k个航路点的经纬度为pk(φ
pk
，λ
pk
)，i的取值为1至n，k的取值为1至n+1，其中第i个航路段的到达时间等于第i+1个航路段的起始时间；航速、航程的单位分别为节(kn)、海里(n mail)。
42.设n＝2,ts＝2021-08-12 12:00,te＝2021-08-12 17:04,t
s1
＝2021-08-1212:00，t
e1
＝2021-08-12 14:32，h1＝38.3
°
，v1＝15kn，s1＝38.2nm，t
s2
＝2021-08-12 14:32,t
e2
＝2021-08-12 17:04,h2＝38.1
°
,v2＝15kn，s2＝38.1nm，p1(120
°
，38
°
),p2(120.5
°
，38.5
°
),p3(121
°
，39
°
)。
43.s200：确定所拟定拟规划航线的最大经度值φ
max
、最小经度值φ
min
、最大纬度值λ
max
、最小纬度值λ
min
。
44.此处，φ
max
＝121
°
，φ
min
＝120
°
，λ
max
＝39
°
，λ
min
＝38
°
。
45.s300：根据步骤s200所确定的经纬度极值，确定拟规划航线所在矩形海域对应的海流数值区域。
46.海流数值预报信息为网格数据，里面包含每一个格点的经纬度值以及海流的流向、流速。记海流网格数据的左上角点a1(φ1，λ1)，其中φ1为a1点的经度值，λ1为a1点的纬度值；海流数值预报的网格分辨率为p度
×
q度，其中，p、q为浮点数,p为经度分辨率，q为纬度分辨率；约定海流数据网格代号为x&y，x为从a1点开始向右计算的第x列网格，y为从a1点开始向下计算的第y行网格，x&y即表示第x列、第y行的网格,x、y为正整数。
47.某一位置的经纬度a2(φ2，λ2)，计算该位置所在网格代号的计算方法为：
48.x2＝(φ
2-φ1)/p+1；(φ1、φ2符号相同时)
49.y2＝(λ
1-λ2)/q+1；
50.或者
51.x2＝(360+φ
2-φ1)/p+1；(φ1》0、φ2《0时)
52.y2＝(λ
1-λ2)/q+1；
53.其中符号“/”表示整除，即两个数相除后取整数值。上述a2点所在的网格代号为x2&y2。在得到网格代号后，也可以通过网格代号计算该网格的左上角点a3(φ3，λ3)和右下角点a4(φ4，λ4)的值，计算方法为：
54.φ3＝φ1+(x
2-1)*p；
55.λ3＝λ1–
(y
2-1)*q；
56.φ4＝φ1+x2*p；
57.λ4＝λ
1-y2*q；
58.(当φ3》180时，φ3＝360-φ3；当φ4》180时，φ4＝360-φ4)
59.由于航行海域的最大经度值φ
max
、最小经度值φ
min
、最大纬度值λ
max
和最小纬度值λ
min
，利用上述方法可以计算出航行过程中的海流数值预报区域的左上角点为n1(φ
n1
，λ
n1
)、右下角点为n2(φ
n2
，λ
n2
)。
60.选择海流数值预报起始时间为ts、海流数值预报结束时间为te、区域范围左上角点n1(φ
n1
，λ
n1
)、右下角点n2(φ
n2
，λ
n2
)的海表面海流数值预报信息。
61.设φ1＝120
°
，λ1＝39
°
，p＝0.125
°
,q＝0.125
°
,φ2＝120.1
°
，λ2＝38.1
°
。依据公式计算得到x2＝1，y2＝8，φ3＝120
°
，λ3＝38.125
°
，φ4＝120.125
°
，λ4＝38
°
。
62.s400：取i的初值为1，将第i个航路段等分为ri份，ri为正整数。在已知第i个航路段的起始点经纬度，以及航路段划分步长si/ri的条件下，根据大地主题正算计算各等分点p
ij
的经纬度和p
ij
到pi的距离s
ij
，其中j为正整数，取值从1到ri。大地主题正算在本领域是公知的，具体形式不再展开，第i航路段及该航路段各等分点示意图如图6所示，其中pi为第i个航路段的起始点。
63.i＝1,r1＝5,由于步骤一设置的p1(120
°
，38
°
),p2(120.5
°
，38.5
°
)，根据大地主题反算计算得到s1＝38.165n mail、p2点相对于p1点的方位为38.26
°
，航路段划分步长为38.165/5＝7.633，因此根据大地主题正算计算方法可以得到p
11
(120.1
°
,38.1
°
),p
12
(120.2
°
,38.2
°
),p
13
(120.3
°
,38.3
°
),p
14
(120.4
°
,38.4
°
),p
15
(120.5
°
,38.5
°
)。
64.s500：确定各等分点处的海表面海流信息。根据各等分点p
ij
的经纬度值，利用步骤s300的计算方法，先计算p
ij
所在的网格代号，再计算p
ij
所在网格的左上角点经纬度值z
ij
。在航线规划中船舶到达p
ij
点的时刻为：
65.t
pij
＝t
si
+s
ij
/vi；
66.在海流数据文件中检索z
ij
位置点在t
pij
时刻所对应的流向h
pij
、流速v
pij
，本发明采用网格左上角点的海流信息表示网格区域内的海流信息，因此即可得到船舶在t
pij
时刻于位置点p
ij
上面临的海流流向和流速分别为h
pij
和v
pij
，即此时对应的海流向量为c
pij
(x
pij
，y
pij
)，计算方法为：
67.x
pij
＝v
pij
*sin(h
pij
)；
68.y
pij
＝v
pij
*cos(h
pij
)。
69.h
p11
＝90，v
p11
＝5，根据上述计算方法计算得到x
p11
＝5*sin(90)＝5，y
p11
＝5*cos(90)＝0，故c
p11
(5，0)。其他数值同样计算方法，不一一说明。
70.s600：船舶在t
pij
时刻航行到p
ij
位置点时，船舶的航向为hi，航速为vi，根据步骤
s500的方法可计算得到对应的船舶运动向量为ci(xi，yi)，其中xi＝vi*sin(hi)，yi＝vi*cos(hi)。利用向量点乘结果作为顺逆流状态数据来判断p
ij
点船舶的顺流、逆流情况：
71.q
ij
＝ci·cpij
＝xi*x
pij
+yi*y
pij
；
72.如果q
ij
》0，则表示船舶在t
pij
时刻航行到p
ij
位置点时处于顺流状态；如果q
ij
《0，则表示船舶在t
pij
时刻航行到p
ij
位置点时处于逆流状态。
73.第i个航路段的顺逆流状态数据为qi＝∑q
ij
。
74.取i＝i+1，重复步骤s400至s600，直到i》n，得到每个航路段的顺逆流状态数据，再计算q
total
＝∑qi，评估整条拟规划航线的逆顺流情况。若q
total
＞0，说明航线顺流；q
total
《0，说明航线逆流。
75.h1＝38.3，v1＝15，通过计算xi＝15*sin(38.3)＝9.3，yi＝15*cos(38.3)＝11.77，
76.故c1(9.3，11.77)，q
11
＝9.3*5+11.77*0＝46.5。
77.i的取值分别为1，2。q1＝q
11
+q
12
+q
13
+q
14
+q
15
＝46.5+38.7+20-17.9-5＝82.3,q2＝q
21
+q
22
+q
23
+q
24
+q
25
＝36+28.7+10-27.9-30＝16.8。
78.q
total
＝q1+q2＝99.1，由于q
total
＞0，说明航线顺流，表明船舶在规定时刻沿航线实际航行时，海流的流向和流速等水文情况会对航行的经济性产生正面影响。正值越大，说明拟规划航线的安全性和经济性越好；反之，负值的绝对值越大，说明拟规划航线的安全性和经济性越差。据此，可从多条航线中选择一条最合适的航线作为正式航线。
79.本发明计算机存储介质的实施例中，存储介质中存有上述本发明系统任一实施例所述的基于海流数值预报信息的航线评估系统，该基于海流数值预报信息的航线评估系统适于在计算机上执行如上述本发明方法任一实施例所述的基于海流数值预报信息的航线评估方法。
80.本发明是参照根据本发明实施例的系统、方法和计算机存储介质的流程图和/或框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
81.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
82.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
83.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。