CN111089591A - 一种船舶航线规划方法、***、终端及一种存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶航线规划方法，所述规划方法包括：将全球航路划分为多个区域；根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；获取第一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第一航线；船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确定船舶的第二途经区域；获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。本发明的有益效果为采取船‑岸协同的工作模式，岸基提供气象信息的收集、高效管理和下发和监控等服务，将气象信息作为一项服务提供至船端智能航行***，在船端***，船员可以查看叠加于电子海图之上的气象信息，做出航线的决策。
Description
技术领域
本发明属于船舶导航领域，具体涉及一种船舶航线规划方法、***、 终端及一种存储介质。
背景技术
近年来，信息、计算机、通信、网络、新能源、人工智能等技术的 发展以及物联网、大数据、综合船桥***和信息物理***的应用，大大 推进了船舶智能化的进程。智能船的研究已经成为整个航运市场的热点 话题，虽然目前船舶驾驶拥有卫星导航、导航雷达、电子航道图和自动 舵的辅助，但船舶还远未实现智能化。
实现智能航行的基础是气象服务，传统的气象导航产业，都是航运 公司向气象导航公司直接购买其气导服务，气导公司根据气象条件，以 规避大风浪为主要任务。根据黎飞.论气象导航在航海上的地位[J].中国 航海,2005(2):28-31.中的研究，一般而言,在接受客户的委托后,气导公 司首先会按照其气导电文标准格式,询问船舶的基本情况,如ETD,船 上油水存量,货物,船速等,以及船上的设计航线。然后,在回电中说考 虑过了船方的航线,并向船方提供气导的推荐航线,同时给出理由。尽管 要求船方提供设计航线做参考,但事实上气导公司也不一定都认真阅读, 推荐的航线有时无法使船长满意。船型不同,吨位不同,载货不同,受风 浪的影响也不同,这些只有身处船上的航海人员才能体验到。气导公司的 优势不在如何设计航线,而在于航线实施后把握未来几天的天气情况。
最常见的情况是，气象公司根据气象的条件提供一条整个航程中航 速恒定的航线。船载***没有任何计算的功能，航海人员在接收到气导 公司传来的航线后，需要手动将航线输入到电子海图中。
除了手动输入航线效率低下且容易出错外，气导公司所提供的航线 仅考虑了气象的因素，没有涉及到船舶的航行状态和海上的各种障碍物， 有可能会跨越岛礁或者浅水区，需要航海人员再次手工去修正这些航线 进行障碍物绕行，效率进一步降低，传统气导能够带来的收益及其有限。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种船舶航线规划方法、 ***、终端及一种存储介质，本发明的部分实施例能够通过岸基气象服 务***提供基础气象服务，包括气象数据的获取、压缩处理和下发、以 及服务监控，船端智能航行获取岸基的气象信息并结合船舶技术参数、 航次参数等综合运算并输出推荐的航线和航速。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种船舶航线规划方法，所述规划方法包括：将全球航路划分为多 个区域；根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；获取第一 途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第一 航线；船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确定 船舶的第二途经区域；获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气 象信息规划船舶依照航行的第二航线。
一种船舶航线规划***，所述规划***包括岸基模块和船基模块， 所述船基模块包括：定位单元，所述定位单元获取船舶的地理位置；第 一通讯单元，所述第一通讯单元与外部设备无线连接；以及
规划单元，所述规划单元与所述定位单元、第一通讯单元连接，所 述规划单元根据船舶的地理位置和设定的终点确定船舶的途经区域，所 述规划单元根据途径区域及其气象信息规划船舶依照航行的航线；所述 岸基模块包括：第二通讯单元，所述第二通讯单元与第一通讯单元、气 象预报服务器连接连接；以及
处理单元，所述处理单元与所述第二通讯单元连接，所述处理单元 根据途径区域获取对应的气象信息。
优选地，所述气象预报服务器包括GFS、WW3、RTOFS、ECWMF。
优选地，所述第一通讯单元为VSAT卫星通信***。
优选地，所述处理单元每隔预设时间段，通过所述第二通讯单元自 所述气象预报服务器下载全球所有区域的气象信息。
一种存储介质，所述存储介质中储存有计算机程序，所述计算机程 序加载后执行：根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；获 取第一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行 的第一航线；船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点， 确定船舶的第二途经区域；获取第二途经区域的第二气象信息，根据第 二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。
一种船舶航线规划终端，所述规划终端包括：处理器，所述处理器 用来执行计算机程序；以及
存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序加 载后执行：根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；获取第 一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第 一航线；船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确 定船舶的第二途经区域；获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。
1.智能航行***船-岸协同架构
本发明提供了一种智能航行***船-岸架构的***，由船端***、通 信***(V-SAT或其他通信网络)、岸端***和其他相关导航设备构成。
智能航行***(船端)：接收岸端服务***的气象信息，采集传感器 实时数据，结合船舶技术参数、航次参数和电子海图数据综合运算并输 出推荐的航线和航速，同时可以叠加显示从岸基接收到气象信息，船长 或者二副可以利用气象信息的辅助制定航行计划。
岸基气象服务***(岸端)负责通过Internet网络从气象数据提供 方获取气象数据，并根据船端上传的船舶状态进行裁减，压缩处理后发 送到船端。
此外，船舶应配有导航测量子***，在航行过程中，船端***收集 实时导航信息，船端将本次航行中所采集的测量信息上传到岸基服务站， 用于积累航行数据，为未来大数据分析做准备。
2.岸基气象服务***分层设计
本发明提出的一种采用分层架构的岸基气象服务***，由客户端、 业务层和数据层组成。
客户层包括气象数据源管理和与后台交互两个部分。气象数据源是 指提供全球气象和海洋预报数据下载服务接口的外部***，例如NOAA、 ECMWF、***、国家气象局等可选数据源。后台交互是指岸基服务 站的后台管理中心人机交互界面。
业务层划分为控制层、业务逻辑层和基础服务层。控制层实现服务 端的http连接管理、会话保持、参数解析、数据包打包和解包处理等功 能，以便与客户端进行交互。业务逻辑层主要利用基础服务层中的各种 服务对业务逻辑进行Java Class封装。基础服务层将业务逻辑层进行进 一步的细化便于模块化设计。
数据层包括数据访问层和数据存储层。数据访问层提供MySQL数 据库和数据文件的读写操作组件。MySQL数据库的读写操作基于 MyBatis框架实现，通过MyBatis的数据库连接池机制进行jdbc数据库 连接的管理，建立数据对象与MySQL数据库中的关系型库表之间的映 射关系，封装每个数据对象的读写操作。而数据文件的读写操作基于 NFS/SSH共享文件访问机制封装为Java Class，实现对共享文件服务器 下的文件生成和更新操作。数据存储层采用MySQL数据库服务器进行 关系型数据的存储，采用Linux共享文件服务器进行气象海洋预报数据 文件的存储。
3.气象数据区域划分
目前船岸通讯的主要方式包括商用通讯卫星VSAT和海事卫星 Inmarsat，为解决船岸远洋通信受限于卫星的稳定性、带宽和价格等问题， 在向船端下发气象数据的过程中，应尽量压缩传输数据量来提高数据传 输成功率并降低卫星使用费用。
4.气象数据来源选择
岸基气象服务***以一定的时间间隔(时间可设)检查下载源的数 据更新情况，如有更新则将气象数据文件下载数据到数据库中。近几年 来气象预报准确度和精度在不断的进步，一些气象机构如NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)也向公众开放了免费的 气象数据接口，进一步使得气象数据服务的成本降低。
一般对于船舶航行影响较大的气象因素包括风、浪、涌浪和洋流等 因素，可选择的公开气象数据源类型包括GFS(Global Forecasting System),WW3,RTOFS,ECWMF等。GFS全称Global Forecasting System, 是由美国国家海洋和大气管理局NOAA推出的全球数值天气预报计算 模式，可以获取风、气压、浪、500hPa、气温等数据；WW3则是由美 国国家环境预报中心NCEP基于WAM模式思想开发的第三代海浪模型， 可获取风、浪高、风浪向、风浪周期等数；欧洲中期天气预报中心 (European Centre for Medium-Range WeatherForecasts简称ECMWF) 可以提供风、浪、气压、降雨等数据；RTOFS是基于混合坐标大洋环流模式(HYCOM)的全球洋流预报***。
除以上气象数据源外，***可以自定义数据源访问地址，获取其他 气象数据源的数据。并可根据实际应用情况自定义选择气象数据的精度 和预报时效，按预报时效划分为：5天、8天、15天等；按预报数据精 度划分：2.5度、1.0度、0.5度、0.25度等；
5.岸基气象服务***工作流程
岸基气象服务***在整个智能航行***中的工作流程如下：
步骤一、岸基气象服务***时钟按照“气象数据源管理”设定的数 据获取规则，定时触发气象数据下载程序到对应的网站下载气象数据到 岸基服务站。然后将下载的气象格点数据文件根据气象区域和精度进行 拆分、解码处理，并加载到岸基气象信息文件库；
步骤二、船端智能航行***通过VSAT终端设备或其他通讯设备建 立卫星通讯链路，接入互联网，船端智能航行***启动航线优化功能；
步骤三、船端智能航行***检查是否存该时间区间、该优化区域的 气象预报数据，如存在，则直接采用这些气象预报数据进行优化计算； 否则以船舶license、该时间区间、该优化区域作为参数，向岸基发起气 象预报数据下载请求；
步骤四、岸基接收船舶发出的气象预报数据下载请求后，首先进行 license验证，如果验证不通过，则返回出错代码。如果验证通过，则会 根据航线的出发地和目的地计算出本次航线优化所需的气象区域，然后 根据时间范围进行气象预报数据的切割、打包，压缩成气象预报数据文 件，发送气象预报文件到船端；
步骤五、船端接收岸基返回结果，更新本地的气象预报数据文件， 再读取气象预报数据进行优化计算；
6.服务监控
监测后台服务执行情况，可以查看***的文件下载、气象数据请求 处理、船位和航线上报处理、航次信息上报请求处理的状态。
最新气象文件下载包括文件名称、下载时间、预报时间、时效、气 象要素、文件大小、数据源、保存路径、下载状态。最新船端气象数据 请求包括船舶标识、航线信息、请求时间、数据区域、文件大小、处理 状态。最新船位和航线上报包括船舶标识、上报时间、经度、纬度、航 速、航向、预计到达下一港口时间、航线信息、处理状态。最新船端航 次信息包括船舶标识、航线信息、航次信息、上报时间、处理状态。
本发明构建了船-岸协同工作的智能航行***的基础上，创建了一套 船-岸气象信息服务的工作流程，利用客户层、业务层和数据层这种分层 机制实现了岸基气象服务***，实现了气象数据的获取、压缩处理和下 发、以及服务监控。提出了一种气象区域的划分方式，在保证气象信息 需求的同时使得传输的数据量大幅减少，采用了免费公开的、多数据类 型的气象数据来源，进一步降低气象数据服务的费用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、采取船-岸协同的工作模式，岸基提供气象信息的收集、高效 管理和下发和监控等服务，将气象信息作为一项服务提供至 船端智能航行***，在船端***，船员可以查看叠加于电子 海图之上的气象信息，做出航线的决策；
2、同时智能航行***拥有自动规划航线的能力，与现有技术仅 仅提供一条整个航程中航速恒定的航线不同，***可以利用 气象信息，电子海图数据，船舶接收的各种传感器信息：包 括位置、航速、航向、风速、风向、横纵摇，结合航次的任 务进行航线规划，所规划出的航线不仅可以自动避障，通常 可以分航段匹配不同的航速使得航线设计更加灵活，可以通 过电子海图的航线安全监测，可直接将航线导入到电子海图 设备，避免了船员收到气象航线后还需手动输入航线的效率 低下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
图1为本发明实施例中船舶航线规划***的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中船舶航线规划***的分层架构示意图。
图3为本发明实施例中航线规划的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理 解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例提供智能航行船-岸架构***设计，主要组成 部分为由岸基气象服务站和船载智能航行***，***的正常运行也需要 其他设备或数据共同作用完成，包括气象数据源是岸基气象服务的数据 获取来源，电子海图显示与信息***可以接收智能航行***规划完的航 线，航线规划人员在此设备上进行航线最后的校验，导航***网络收集 导航测量子***相关设备的位置信息、航向信息、风速风向信息和水深 信息等通过串口服务器的适配发送到智能航行***。船载V-SAT***通 过数据中心使用卫星通讯为和的数据传输提供通讯链路。
图2是船舶航线规划***的分层架构示意图，其中客户层主要负责 与船端智能航行***、后台的交互WEB端和气象数据下载源的交互， 采用Ajax开发技术，以实现网页异步刷新，开发语言采用HTTP+CSS+JS 组合。业务层分为控制层、业务逻辑层和基础服务层，控制层在物理上 是基于Java web技术开发的一系列Servlet，这些Servlet实现与客户端 之间的交互界面，交互背后的业务处理、则通过调用业务逻辑层Java Class实现。控制层通过调用这些Java Class实现交互服务中的业务处理 逻辑。业务逻辑层主要利用基础服务层中的各种服务对业务逻辑进行 Java Class封装。业务逻辑层的主要组件包括岸基服务的一系列功能：参 数设置、后台服务、服务监控、航次分析和***管理。基础服务层是在 业务逻辑层的一个细化，将Java Class分为数据源监控服务、文件压缩 服务、GRIB2编解码压缩服务、文件读写服务、JNI调用服务、日志服 务、权限限制等对象。数据层包括数据访问层和数据存储层。数据访问 层提供数据访问DAO和数据文件的读写操作组件，数据存储层采用MySQL数据库服务器和本地文件库进行关系型数据的存储。
气象区域管理需要进行全球分区，为了便于数据管理和存储，同时 尽量保证全球主要商船航线跨越较少的区域这一原则，本发明制定了一 个规则，将全球气象区域进行拆分，默认划分为14个航区，具体见下表。
| 区域ID | 区域名称 | 经度1 | 经度2 | 纬度1 | 纬度2 |
| Region 1 | 北美东部沿海 | -100 | -50 | 0 | 70 |
| Region 2 | 大西洋北部 | -50 | 40 | 30 | 70 |
| Region 3 | 大西洋中部 | -50 | 30 | -100 | 30 |
| Region 4 | 印度洋北部 | 30 | 100 | -10 | 30 |
| Region 5 | 亚洲东部沿海 | 100 | 150 | -10 | 60 |
| Region 6 | 太平洋西北部 | 150 | 210 | 10 | 70 |
| Region 7 | 太平洋东北部 | -150 | -100 | 10 | 65 |
| Region 8 | 大西洋南部 | -50 | 20 | -60 | -10 |
| Region 9 | 印度洋西南部 | 20 | 70 | -60 | -10 |
| Region 10 | 印度洋东南部 | 70 | 150 | -60 | -10 |
| Region 11 | 太平洋西南部 | 150 | 200 | -60 | 10 |
| Region 12 | 太平洋东南部 | -160 | -100 | -60 | 10 |
| Region 13 | 南美西部沿岸 | -100 | -50 | -60 | 0 |
| Region 14 | 加拿大北部海域 | -180 | -120 | 60 | 80 |
气象数据源设置，选择了GFS，WW3，RTOFS和ECWMF这四类数据。 数据精度选择1.0度，预报时效选择8天。
具体岸基气象服务***的工作流程如下：
步骤一、岸基气象服务***时钟按照“气象数据源管理”设定的数 据获取规则，每6小时触发气象数据下载程序到对应的网站下载气象数 据到岸基服务站。然后将下载的气象格点数据文件根据气象区域和精度 进行拆分、解码处理，加载到岸基气象预报库中的gfs，ww3，rtofs和 ecwmf对应的文件夹中。
步骤二、船端智能航行***通过VSAT设备接入互联网，出发港选 择波士顿(42°27.287′N，70°35.953′W)，目的港选择鹿特丹(52°1.567′N,3°53.769′E)，确定出发时间和后进行航线的规划工作
步骤三、船端智能航行***检查是否存该时间区间、该优化区域的 气象预报数据，因为本地不存在符合要求的气象预报数据，需要下载到 本地，船端***以船舶license、该时间区间、该优化区域作为参数，向 岸基发起气象预报数据下载请求；
步骤四、岸基接收船舶发出的气象预报数据下载请求后，进行license 验证通过，则会根据航线的出发地和目的地计算出本次航线优化所需的 气象区域(从14个航区中选取)，选择REGION1和REGION2区域的 气象预报，然后根据时间范围进行气象预报数据的切割、打包，压缩成 气象预报数据文件发送气象预报文件到船端；
步骤五、船端接收岸基返回结果，更新本地的气象预报数据文件， 再读取气象预报数据进行优化计算，如图3所示，船端智能行航行*** 利用岸基发送的气象预报信息可以规划出安全节省成本且具有避障功能 的航线。
步骤六、可将优化航线发送至电子海图进行进一步检查或者直接使 用。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通 技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基 于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精 神以及范围之内。
Claims (7)
1.一种船舶航线规划方法，其特征在于，所述规划方法包括：
将全球航路划分为多个区域；
根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；
获取第一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第一航线；
船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确定船舶的第二途经区域；
获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。
2.一种船舶航线规划***，其特征在于，所述规划***包括岸基模块和船基模块，所述船基模块包括：
定位单元，所述定位单元获取船舶的地理位置；
第一通讯单元，所述第一通讯单元与外部设备无线连接；以及
规划单元，所述规划单元与所述定位单元、第一通讯单元连接，所述规划单元根据船舶的地理位置和设定的终点确定船舶的途经区域，所述规划单元根据途径区域及其气象信息规划船舶依照航行的航线；
所述岸基模块包括：
第二通讯单元，所述第二通讯单元与第一通讯单元、气象预报服务器连接连接；以及
处理单元，所述处理单元与所述第二通讯单元连接，所述处理单元根据途径区域获取对应的气象信息。
3.根据权利要求2所述的船舶航线规划***，其特征在于，所述气象预报服务器包括GFS、WW3、RTOFS、ECWMF。
4.根据权利要求3所述的船舶航线规划***，其特征在于，所述第一通讯单元为VSAT卫星通信***。
5.根据权利要求4所述的船舶航线规划***，其特征在于，所述处理单元每隔预设时间段，通过所述第二通讯单元自所述气象预报服务器下载全球所有区域的气象信息。
6.一种存储介质，所述存储介质中储存有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序加载后执行：
根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；
获取第一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第一航线；
船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确定船舶的第二途经区域；
获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。
7.一种船舶航线规划终端，其特征在于，所述规划终端包括：
处理器，所述处理器用来执行计算机程序；以及
存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序加载后执行：
根据船舶的起点和终点，确定船舶的第一途经区域；
获取第一途经区域的第一气象信息，根据第一气象信息规划船舶依照航行的第一航线；
船舶航行预定时间后，获取船舶的地理位置，再结合终点，确定船舶的第二途经区域；
获取第二途经区域的第二气象信息，根据第二气象信息规划船舶依照航行的第二航线。
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