Application of Improved Multi-Objective Ant Colony Optimization Algorithm in Ship Weather Routing

This paper presents a novel intelligent and effective method based on an improved ant colony optimization(ACO)algorithm to solve the multi-objective ship weather routing optimization problem,considering the navigation safety,fuel consumption,and sailing time.Here the improvement of the ACO algorithm is mainly reflected in two aspects.First,to make the classical ACO algorithm more suitable for long-distance ship weather routing and plan a smoother route,the basic parameters of the algorithm are improved,and new control factors are introduced.Second,to improve the situation of too few Pareto non-dominated solutions generated by the algorithm for solving multi-objective problems,the related operations of crossover,recombination,and mutation in the genetic algorithm are introduced in the improved ACO algorithm.The final simulation results prove the effectiveness of the improved algorithm in solving multi-objective weather routing optimization problems.In addition,the black-box model method was used to study the ship fuel consumption during a voyage;the model was constructed based on an artificial neural network.The parameters of the neural network model were refined repeatedly through the historical navigation data of the test ship,and then the trained black-box model was used to predict the future fuel consumption of the test ship.Compared with other fuel consumption calculation methods,the black-box model method showed higher accuracy and applicability.     

台湾海峡船舶定线制设计的数据空间处理与分析

船舶定线制是指定船舶在水上某些区域航行时所遵循或采用的航线、航路或通航分道的一种制度,是水上交通繁忙区域实施有效管理的主要手段,是对航路合理规划、有效利用的重要方法,代表着水上船舶航行秩序管理的发展方向。本文针对台湾海峡船舶定线制设计中对船舶交通数据的空间处理及分析需求,经过大量实测数据分析和实践验证,提出了一些符合台湾海峡船舶定线制设计的数据空间处理及分析方法,并就船舶定线制推荐方案的空间表达形式作了简要介绍。     

基于非劣排序的多目标优化免疫遗传算法

提出一种基于非劣排序的多目标优化免疫遗传算法。算法基于非劣排序对种群进行分类来评价个体的价值,在选择操作中引入个体浓度保持种群多样性。采用免疫克隆操作为产生新种群和算法实现全局搜索提供了基础,采用遗传种群与父代群体锦标赛竞争的方式保留最优解。仿真实验结果表明:算法在收敛性和分布性方面要优于NSGA-II算法。     

AIS数据在集装箱港口服务效率的应用研究

港口是物流供应链中的核心环节,港口服务效率会决定整个物流供应链的效率。本文提出了一种基于海量船舶AIS（Automatic Identification System）轨迹数据的港口服务效率计算框架,利用集装箱船舶AIS轨迹、港口地理信息等海事大数据,采用滑动窗口算法等数据挖掘方法判断船舶在港内的状态,估算出反映港口服务效率的AWT/AST指标,从时间维度对港口服务效率评价,为港口管理运营部门和航运公司决策提供参考。并以上海港、宁波港、深圳港、釜山港为例,采用2018年全年全球5600余艘集装箱船舶的AIS轨迹数据,量化评价4个亚洲集装箱港口的服务效率。结果显示:① 船舶抵港泊位作业时间近似正太分布,正太分布均值在14~18 h之间,船舶泊位作业时间集中在10~30 h;② 船舶泊位作业时间与船舶船型大小成正相关,船型越大则泊位作业时间越长;③ 32%的船舶抵达上海港会发生等待时间,体现上海港集装箱码头整体处于供不应求的状态。宁波港整体服务效率较高,船舶发生等待事件较少。作为区域性枢纽港,釜山港近洋区域性运输频繁使得釜山港抵港船舶频率较高。④ 洋山四期码头为自动化码头,其港口装卸工艺与其他码头不同,但其码头作业效率并未高很多。     

基于格网化邻域查询的海上船舶救援搜索方法

海洋渔业是高风险行业,各类海洋灾害频繁发生,海上航行、作业环境复杂,因此,海上快速救援对保护渔民的生命财产安全具有重要意义。本文基于空间剖分的格网化编码,提出一种根据有效救援距离和失事船舶位置进行邻域搜索以查找失事船只相邻和最邻近可供救援的船只的方法,其中有效救援距离通过救援船舶的类型和航速来设定,根据有效救援距离设置不同的编码搜索长度。本文将模拟实验区域设定为我国东海海域,随机生成1×10⁴个船位点,在时间检索效率和内存占用两方面,实验结果表明,与传统的船舶间距离的计算方法相比,基于格网化邻域搜索的查询方法编码后船位数据较编码转换前船位数据占用内存空间减少56.47%,同时,编码后检索运算的用户时间是编码前用户时间的17.67%,因此,基于格网化邻域搜索的查询方法占用内存小,且运算效率较高,能够有效提升对遇险船舶邻域救援船只的查询效率。     

海上主航迹带边界统计推断与海西航路警戒区布局优化分析

台湾海峡是东北亚各国与东南亚、印度洋沿岸各国间的海上捷径,其交通主流是通行海峡的南北向航次,然而海峡两岸启动大三通后,穿越海峡的客货运船舶日益增多,导致闽台直航航次与台湾海峡南北干线主交通流交叉现象凸显,台湾海峡西侧水域冲突日益加剧。本文根据船舶轨迹观测数据,抽样出通行海峡南北及横穿海峡的航次样本,应用轨迹栅格化方法建立统计推断模型,以概率形式表达南北干线、两岸直航的海运利用分布,推断出2种交通流的主航迹带,识别南北向交通主流与两岸直航交通支流的显著冲突区,以此调整现有警戒区设置方案。研究结果表明：轨迹统计推断法能定量化分析海西现有交通流模式,易于辨识横越海峡的船舶与通行海峡在航船舶的冲突区中心,为优化警戒区布局提供有效的方法支撑;调整后的海西警戒区中心可与台湾本岛西岸港口外侧的直航船舶通过点对接,形成海峡两岸直航的固定航线,可降低台湾海峡船舶冲突隐患,规范台湾海峡的船舶交通秩序。     

上海外高桥港区停泊船聚类分析与异常检测

停泊船空间分布规律挖掘,在海事监管、港口管理和航运公司船队管理方面有着重要意义。现有研究主要针对船舶停泊点进行空间聚类以识别码头和锚地,缺乏对码头、锚地内船舶停泊特征分析,及码头和锚地外的异常停船的检测。因此,利用海量船舶自动识别系统（AIS）数据探索船舶停泊规律显得很有必要,且具备可行性。根据海况设定停泊速度阈值和停泊位置变化量阈值,建立停船判定模型。按港区、船型筛选,获取2016年1至11月外高桥港区集装箱船停泊记录。根据类中心点密度和聚类数量,设定邻域半径（ε）和邻域密度（MinPts）,采用密度聚类（DBSCAN）算法对船舶停泊点进行密度聚类,并将聚类结果与外高桥港区码头、锚地分布图进行比较,生成可疑停船列表。对比船舶历史轨迹,明确可疑停船列表中船舶真实停泊记录,筛选出异常停船。研究发现,2016年1至11月外高桥港区船舶异常停泊点位于圆圆沙锚地至吴淞口锚地间的南港水道和江亚南沙锚地附近的南港水道航段。船舶停泊前、后位置变化幅度小,而速度变化幅度大,推测船舶突发故障是其异常停泊的原因。海事主管部门（MSA）可根据船舶水上移动通信业务识别码（MMSI）快速锁定航运公司,加强岸上船舶安全管理。船舶停泊位置和时间能够记录船舶发生故障地点及其持续时间,为船队管理提供重要依据。     

基于改进熵权DEA-TOPSIS模型的乡村国土综合整治格局优化

针对国土综合整治时空格局优化的多目标量化问题,以空间脆弱性和时间迫切性为切入点,构建以目标功能为主线的乡村社会-生态系统脆弱性和迫切性评价指标体系,采用改进熵权DEA模型开展脆弱性效率评价和改进熵权多因素综合模型进行迫切性评价;在此基础上,采用层次目标分解法和主导问题归因法构建“业态兴旺、形态优化、生态宜居和综合复兴”4种国土综合整治多目标格局优化方案,采用改进熵权TOPSIS分析法开展多目标最优决策定量分析,以期从有限多目标系统优选和排序视角识别和划分国土综合整治多目标时空格局类型,实现对乡村国土综合整治多目标格局优化体系构建的目的。研究以上海市青浦区184个行政村为例进行实证,研究结果表明：改进熵权DEA模型能有效克服多行政村高度关联造成的结果偏大问题,提高了空间适宜性的应用精度;改进熵权TOPSIS模型能较为准确地划分国土综合整治的多目标格局优化方案,细化各最优方案间的异质性;2018年青浦区社会-生态系统脆弱性均值表现为社会子系统脆弱性（0.605）>经济子系统脆弱性（0.577）>生态子系统脆弱性（0.549）,社会子系统脆弱成为影响该区脆弱性的重要原因;行政村社会-生态系统脆弱性空间上呈现由中部向南北递增变化趋势;而村域国土综合整治迫切性空间团聚状分异显著,其值域范围为[0.435, 0.785],农业产业整治迫切性最大;针对脆弱性-迫切性多目标构建的4种多目标方案决策评价结果,将该区国土综合整治时空格局优化类型划分为16种。该研究结果丰富了乡村地理学理论,可为乡村区域治理、乡村振兴和区域可持续发展提供决策依据。     

基于室内路网的跨楼层路径规划技术的设计与实现

随着室内定位技术、BIM-GIS技术和室内地图研究的发展,室内位置服务需求日益旺盛。作为室内位置服务的关键技术之一,室内路径规划成为研究与应用热点。但是早先的路径规划技术往往基于单层网络拓扑模型而设计,由于模型缺少楼层之间的连通信息,而不能实现跨楼层导航算法分析;而后随着跨楼层导航算法的出现,跨楼层的路径规划、导航及定位得以实现,但这些跨楼层导航算法基于楼层连接通达规则,往往需要多次遍历楼层信息,运算效率低下。针对这一问题,本文利用电梯、扶梯、楼梯等楼层间连接信息,设计、实现了基于楼层连接表的室内多层路网分析模型,并采用逐层分析的方法和多次网络分析,实现室内跨楼层的带有多个途经点路径分析。整个技术框架包括跨楼层路网生成模块、位置点接收模块、网络分析模块、循环控制模块。算法方面,本研究采用双向遍历的A*最短路径分析算法,通过网络路径分析,最终将满足约束条件的规划路径显示在移动设备上,帮助用户实现跨楼层、多途经点的定位与路径导航。     

基于最小能耗的海洋浮式平台位置轨迹优化

【目的】研究解决海洋大惯量浮式平台在复杂海况影响下所引起的振动冲击问题。【方法】采用逆运动学分析方法对平台回转位置进行优化研究,提出一种基于关节最小耗能的多目标轨迹优化算法。采用分段样条插值方法构造关节位置曲线,并建立关节能耗轨迹优化模型,采用粒子群算法实现对关节位置的优化搜索,从而得到基于平台转动最小耗能的位置优化轨迹。【结果与结论】所采用的轨迹优化方法能有效改善系统运行的平滑性,降低回转机构振动与冲击的影响程度,可为平台的振动与冲击主动控制提供必要的理论依据。     

Static Optimization of a Compliant Vertical Access Riser

The compliant vertical access riser(CVAR) is a new riser concept with good compliance; it can significantly reduce operating costs by eliminating the need for additional machines to operate wells directly on the platform. In this study, we determined the optimal riser parameters in terms of the stress and riser weight by optimizing the CVAR, and we compared the optimization results. A two-dimensional nonlinear static CVAR model was deduced according to the principles of virtual work and variation, and the model was verified using MATLAB. Design of experiments and Kriging method were used to reduce the number of sample calculations and improve the modeling accuracy. An appropriate selection of the multi-objective optimization problem(MOP) and the non-dominated sorting genetic algorithm helped to optimize the CVAR design. The non-dominated sorting genetic algorithm II was used to solve the Pareto frontier of the optimization model in order to provide decision makers with more choices for the optimization results. After optimizing the riser parameters, the geometry of the riser was smoother, and the stress and stress differences were greatly reduced; the maximum equivalent stresses at the top and bottom were reduced by 36.6% and 44%, respectively. In addition, the stress difference in the buoyancy block area was reduced by 20.9%, and the weight of the riser was increased significantly by 28.1%.     

全息高精度导航地图: 概念及理论模型

本文提出了全息高精度导航地图的概念,它融合了多源数据,尤其是电磁传感器、声音传感器、热红外仪等传感器数据,从更多角度为导航提供信息。在此概念基础上,提出了一种融合多源数据的全息高精度导航地图理论模型框架,该框架包含4个步骤：① 全息道路数据采集,包含道路三维彩色激光点云、遥感影像、无人机航拍倾斜测量数据、摄像头图像、热红外图像、声场信号、电磁场信号;② 道路静态信息提取,从上述采集信息提取和标记得到,如车道线、路坎、栏杆、路牌、路灯、隧道等,作为无人驾驶车辆规划基础路线和车辆位置定位的数据基础;③ 道路动态信息提取,从上述采集信息提取和标记得到,如离前后车辆的距离、前方有无行人、道路施工护栏、泛在信息等,作为检测无人驾驶车辆周围的实时道路环境和规划无人驾驶车辆行驶路线的依据;④ 动、静态信息融合：融合道路静态信息和道路动态信息,丰富道路信息,提高道路线精度,提高全息高精度导航地图更新的效率,为导航和无人驾驶车辆提供地图服务。     

Rapid detection to long ship wake in synthetic aperture radar satellite imagery

The maritime administrative department employs synthetic aperture radar(SAR)satellite remote sensing technology to obtain evidence of illegal discharge of ships.If the ship is discharged during navigation,it forms a long dark wake on the SAR image due to the suppression of the Bragg wave by the oil film.This study investigates key techniques for rapid detection of long ship wakes,thereby providing law enforcement agencies with candidate ships for possible discharge.This paper presents a rapid long ship wake detection method that uses satellite imaging parameters and the axial direction of the ship in images to determine the potential detection area of the wake.Then,the threshold of long ship wake detection is determined using statistical analysis,the area is binarized,and isolated points are removed using a morphological filter operator.The method was tested with ENVISAT Synthetic Aperture Radar and GF-3 SAR data,and results showed that the method was effective,and the overall accuracy of the decision reaches 71%.We present two innovations;one is a method that draws a Doppler shift curve,and uses the SAR imaging parameters to determine the detection area of the long wake to achieve rapid detection and reduce the image detection area.The other is where a classical linear fitting method is used to quickly and accurately determine whether the detected dark area is a long ship wake and realizes the twisted long ship wake detection caused by the sea surface flow field,which is otherwise difficult to detect by the traditional Radon and Hough transform methods.This method has good suppression performance for the dark spot false alarm formed by low speed wind region or upward flow.The method is developed for maritime ship monitoring system and will promote the operational application of maritime ship monitoring system.     

水下惯性导航系统姿态算法的适用性分析

针对水下潜器搭载的惯性导航系统圆锥运动这一复杂特性,研究经典多子样算法、优化多子样算法、扩展圆锥误差补偿算法和基于四元数微分方程迭代算法的姿态求解精度与适用性情况,并以圆锥运动作为测试输入进行仿真实验.结果表明,采用子样数大于3的迭代算法进行水下重力辅助惯性导航姿态解算,能够满足角度漂移小于1″/h的精度要求.     

基于中轴变换算法的室内外一体化导航路网自动生成方法

室内外一体化导航路网的快速生成与更新对面向行人的跨场景导航具有重要意义。当前研究主要关注单一场景下的导航路网构建,对于跨室内外场景的导航路网自动生成研究较少。本文基于对偶图思想与二维平面多边形中轴变换（Medial Axis Transform）算法,提出一种室内外一体化导航路网自动生成方法,并以某建筑CAD平面图及周边路网环境为基础数据进行了实例研究。结果表明：该方法能够根据原始数据的几何、拓扑、语义信息自动构建导航路网,并支持室内外跨场景的最短路径查询,在最短路径查询效率上较传统分场景寻路模型整体提升10.18%;相较单一场景下的导航路网,一体化导航路网可结合语义信息将室内及室外导航路网有机统一起来,解决跨场景寻求最优路径的问题,为最优路径规划的相关研究提供了新的思路。     

基于序贯UKF的GNSS/CNS/SINS组合导航最优融合算法

组合导航系统在动态环境下具有强非线性,为提高GNSS/CNS/SINS组合导航系统的导航精度,提出一种基于序贯UKF的多传感器最优融合算法。首先,建立GNSS/CNS/SINS组合导航系统的非线性状态方程及2个子滤波器的线性量测方程;然后,对标准UKF的量测更新过程进行简化,简化UKF算法具有与标准UKF算法相同的滤波精度,且具有计算量低的特性;最后,将序贯滤波算法与简化UKF算法结合,提出多传感器组合导航系统的序贯UKF最优融合算法。仿真结果表明,本文序贯UKF算法不仅可提高系统解算的实时性,并且相对于集中线性卡尔曼滤波算法及经典集中线性UKF算法具有较高的滤波精度。     

基于图论算法的单元上布线

Pal等提出一个纯粹的图论算法体系TAH（Track Assignment Heuristic），该算法用理想的或接近理想的轨道数解决了许多非常有名的通道布线的例子，其中有两层VH通道布线模型、三层HVH通道布线模型、多层Vi-Hi和ViHi＋1通道布线模型，这种算法推广应用到了两层和三层的单元上布线中，实验结果表明取得了良好的效果。     

基于AIS数据的船舶行为特征挖掘与预测:研究进展与展望

船舶行为特征挖掘与预测是水上智能交通系统的重要研究内容,也是交通运输工程领域的关键科学问题。为系统研究基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）数据的船舶行为特征挖掘与预测的研究现状与发展趋势,本文首先针对Web of Science(WOS)和中国知网（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）收录的文献,用知识图谱分析软件VOSviewer对文献关键词进行处理,从文献计量学的角度生成高频关键词的聚类图谱和趋势演化。然后对基于AIS数据的水上交通要素挖掘、船舶行为聚类和船舶行为预测3个主题的研究内容、方法、存在问题进行了系统分析和展望,研究结果表明：① 在基于AIS的水上交通要素挖掘方面,主要集中在对AIS数据中表征船舶行为空间特征和交通流的时间特征单独挖掘分析,缺乏对AIS数据的时间、空间以及环境因素特征的关联挖掘,对于如何进行交通要素的关联融合挖掘研究还有待深入探索;② 在船舶行为聚类方面,研究主要是运用无监督聚类方法研究船舶航迹点和航迹段聚类,得到船舶航行行为模式的时空分布和船舶操纵意图辨识模型,然而融合多维特征的船舶轨迹的相似性计算方法、聚类参数的自适应选取以及船舶行为的语义特征建模有待进一步研究;③ 在船舶行为预测方面,主要集中在基于动力学方程、传统智能算法和深度循环神经网络的船舶行为预测研究,考虑船舶行为的随机性、多样性和耦合性的特点,运用混合神经网络模型以及神经网络与向量机、注意力机制相结合的模型实现多维的船舶航行行为特征的实时预测将是新的研究方向。最后提出了基于语义模型的船舶行为特征挖掘、基于深度卷积神经网络的船舶行为的预测和基于知识图谱的船舶行为特征挖掘和预测结果可视化等有待进一步研究的方向。     

航标三维GIS系统的构建与应用

海上航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分,航标信息化是"数字海事"战略实施的重要基础之一。本文结合上海海事局厦门航标处的航标日常管理与实时监控的实际业务需求,开展了利用实时仿真与电子海图相结合的技术构建航标三维GIS系统的应用研究和系统实现等工作。该系统的实现,有利于航标设置方案的审定与选择,监控者对现场环境的把握和应急决策。另外从业务应用和系统实现角度,对系统做了简要的介绍。     

基于多源海事数据的大型船舶精细化分段乘潮研究

针对大型船舶长航道乘潮进港窗口期时长不充足问题,本文提出了基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）数据、港口潮汐数据、官方电子海图数据和航道地理位置数据等多源海事数据的大型船舶长航道精细化分段乘潮模型。首先,基于AIS数据采用K中心点算法对大型船舶乘潮航行行为特征进行挖掘,识别出大型船舶乘潮航迹关键点,计算大型船舶乘潮航行行为变化关键船位点。接着,结合长航道地理环境特征和大型船舶航行行为特征对长航道进行精细化分段,在此基础上基于港口潮汐数据构建大型船舶精细化分段乘潮窗口期计算模型。其次,设计乘潮历时自适应排列算法求解大型船舶乘潮最长窗口期;然后,以黄骅港综合港区航道为例验证了本文所提出的精细化分段乘潮模型。最后,基于电子海图数据利用地理信息系统平台实现大型船舶精细化分段乘潮三维动态推演,进一步验证大型船舶精细化分段乘潮航行的安全性。结果表明,该模型能够有效增加大型船舶乘潮进港窗口期时长,提高大型船舶乘潮进港效率,可为港航管理部门制定大型船舶进港计划提供理论指导。