基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法、装置及设备

1.本发明涉及行为轨迹预测技术领域，具体涉及一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法、装置及设备。


背景技术：

2.近年来，经济日益增长，海上石油开采、运输日益频繁，发生在近海岸区域的装卸油作业溢油事故几率随之增加。大规模溢油事故发生后，其围捕工作难度大、耗时长、危险性高。快速有效的围控与捕获溢油行动对于保障海洋环境至关重要。
3.溢油围捕的研究中存在两方面问题，一方面无法获得准确的溢油时间和位置信息；另一方面，受风、浪、流等外部环境的影响，溢油在海上会进行漂移运动，随时变化的溢油范围增加了搜捕路径规划的难度。传统的溢油围控与回收轨迹规划未将溢油扩散漂移分布考虑在内，与实际海洋环境存在较大差距。传统的轨迹规划算法无法针对溢油围控与回收调整溢油围控回收方案，导致溢油清除效率不高。
4.综上，现有技术对溢油扩散漂移分布情况考虑不足，且无法根据溢油围控与回收的情况实时调整溢油围控回收方案，导致溢油清除效率不高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法、装置及设备，解决现有技术中对溢油扩散漂移分布情况考虑不足，且无法根据溢油围控与回收的情况实时调整溢油围控回收方案的技术问题，提高溢油清除效率。
6.为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法，包括：
7.获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图；
8.获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案；
9.根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案；
10.根据更新后的溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收直到达到预设的溢油清除率。
11.在一些可能实现的方式中，所述溢油区域信息包括溢油初始位置的误差信息和溢油初始位置的海洋环境动力要素；所述获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图，包括:
12.基于蒙特卡洛方法，并根据所述溢油初始位置的误差信息建立溢油扩散油粒子模型，引入所述初始位置的海洋环境动力要素计算所述溢油扩散油粒子模型中每个油粒子在初始时刻的位置；
13.根据所述溢油扩散油粒子模型中每个油粒子在初始时刻的位置，确定初始时刻的溢油扩散漂移分布图。
14.在一些可能实现的方式中，所述无人艇编队包括回收艇和围控艇；所述获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案，包括：
15.获取无人艇编队信息，包括无人艇编队初始位置信息和无人艇编队的航速信息，所述无人艇编队包括回收母船、回收艇及围控艇；
16.根据所述溢油扩散漂移分布图及无人艇编队信息确定溢油围控初始目标点，根据所述溢油围控初始目标点确定围控艇的溢油围控方案；
17.根据所述溢油扩散漂移分布图确定回收艇的溢油回收方案；
18.其中，所述无人艇溢油围控回收方案包括溢油围控方案和溢油回收方案。
19.在一些可能实现的方式中，无人艇编队信息包括无人艇编队初始位置信息和无人艇编队的航速信息；所述根据所述溢油扩散漂移分布图及无人艇编队信息确定溢油围控初始目标点，根据所述溢油围控初始目标点确定围控艇的溢油围控方案，包括：
20.获取所述溢油扩散漂移分布图及无人艇编队位置信息和航速确定所述溢油围控目标点，并设置围油栏溢油拦截阈值；
21.根据所述溢油围控目标点将所述围控艇进行编队作为一个整体基于最短路径原则进行轨迹规划，得到溢油围控方案和溢油围控范围。
22.在一些可能实现的方式中，所述根据所述溢油扩散漂移分布图确定回收艇的溢油回收方案，包括：
23.获取所述溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围；
24.根据所述溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围确定回收艇的溢油回收方案，并设置所述回收艇溢油回收阈值和目标溢油清除率。
25.在一些可能实现的方式中，所述无人艇编队还包括回收母船；所述根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案，包括:
26.获取所述溢油围控方案中围控轨迹规划方案，根据所述围控轨迹规划方案控制所述围控艇按照规划轨迹航行至所述溢油围控目标点，依据溢油最大宽度及围油栏最大有效宽度确定所述围控艇的编队队形，并控制所述围控艇展开队形进行溢油围控；
27.根据所述溢油回收方案控制所述回收艇搜索范围内油粒子目标，若回收艇搜索范围内无油粒子，根据预设的第一轨迹规划目标函数控制回收艇寻找下一子结点进行溢油回收，若回收无人艇搜索范围内有油粒子，根据预设的第二轨迹规划目标函数控制回收艇寻找下一子结点进行溢油回收；
28.当检测到所述回收艇溢油回收达到所述溢油回收阈值后，控制所述回收艇返回回收母船进行卸油作业，并反馈溢油回收信息；
29.根据所述溢油回收信息统计回收艇回收油粒子数量，并判断溢油清除率是否达到目标溢油回收率；
30.若未达到目标溢油清除率，则根据所述溢油回收信息对已回收的油粒子进行删除
作用，并实时更新所述溢油扩散漂移分布图；
31.根据更新后的溢油扩散漂移分布图更新所述溢油围控方案和溢油围控范围；
32.根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围更新所述溢油回收方案。
33.在一些可能实现的方式中，所述根据更新后的溢油扩散漂移分布图更新所述溢油围控方案和溢油围控范围，包括：
34.获取更新后的溢油扩散漂移分布图，统计所述更新后的溢油扩散漂移分布图中油粒子数量，当达到所述围油栏溢油拦截阈值时更新所述溢油围控方案，根据所述更新后的溢油围控方案调整所述围控艇的编队队形，并更新所述溢油围控范围。
35.另一方面，本发明还提供了一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收装置，包括：
36.信息获取模块，用于获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图；
37.方案确定模块，用于获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案；
38.控制更新模块，用于根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案；
39.回收确定模块，根据更新后的溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收直到达到预设的溢油清除率。
40.另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时，实现上述实现方式中所述的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法。
41.最后，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述实现方式中所述的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法。
42.采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法，一方面通过预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图，相比现有技术未考虑溢油扩散对溢油围控回收的影响，本发明提供的方案能够对溢油区域实现更精准的溢油围控回收；另一方面根据漂移分布图确定无人艇编队溢油围控回收方案，并实时根据实际溢油围控回收情况更新溢油围控回收方案，进行溢油回收直到达到预设的溢油清除率，相比现有技术未根据溢油围控回收的实际情况实时更新溢油围控回收方案，本本发明提供的方案能够实现更高效率的溢油围控回收。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
44.图1为本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法的一个实施例流程示意图；
45.图2为本发明提供的图1中步骤s101一实施例的流程示意图；
46.图3为本发明提供的图1中步骤s102一实施例的流程示意图；
47.图4为本发明提供的图1中步骤s103一实施例的流程示意图；
48.图5为本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收装置一实施例的结构示意图；
49.图6为本发明提供的电子设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
50.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，本领域技术人员在没有做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。
51.应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
52.附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
53.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
54.在实施例描述之前，对相关背景技术进行介绍，现有的对溢油围捕的研究中存在两方面问题，一是无法获得准确的溢油时间和位置信息；另一方面，受风、浪、流等外部环境的影响，溢油在海上会进行漂移运动，随时变化的溢油范围增加了搜捕路径规划的难度。
55.溢油预测技术可从溢油扩展、漂移及扩散变化特点的角度进行研究。溢油的扩展指油膜由自身物理特性引发的面积增大；溢油的漂移与扩散指油在海面风、海流及海浪等海洋环境动力要素的共同作用下发生的迁移运输。
56.在路径规划研究领域，已经有很多经典有效的路径规划算法但这些算法大多以寻找最短且无碰撞快速到达终点的路径为目标，例如人工势场法、迪杰斯特拉算法、快速行进算法等。不同于规划起点到终点无碰撞最短路径的传统路径规划，覆盖路径规划的目标是规划出遍历目标区域的路径。传统的搜索与救援行动使用特定的策略来实现这一目标，例如扇形搜索、扩展方形搜索、平行扫视搜索等。但是，这些搜索方式对于搜索区域的确定没有结合当前海洋环境对溢油漂移的影响，而是根据经验推算出搜索区域。若将溢油位置概率及位置概率的变化考虑在内，得到溢油范围内油粒子分布，从而进行溢油回收路径规划可以显著提高溢油回收效率。
57.无人艇的轨迹是指以时间、位置为参数的连续状态序列，一般包含位置与时间两个维度，轨迹规划是指对无人艇在指定时间到达的指定位置进行的一种规划。轨迹规划完
成后，则需进行轨迹跟踪，使无人艇能够顺利跟踪规划得到的轨迹，完成溢油围控与回收的任务。在无人艇轨迹跟踪研究中，模型预测控制法、pid控制法、滑模控制法、自适应神经网络控制等方法得到了充分研究。其中，模型预测控制(mpc)法在每一个采样时刻根据当前的信息在线求解一个有限时域开环优化问题，具有模型预测滚动优化和前馈-反馈控制结构等的特点。近年来，mpc常被应用于不确定环境下的船舶运动控制。基于此方法，tube-based mpc的核心思想就是利用常规的mpc方法在收紧约束的条件下对标称系统进行控制求解，得到一个开环最优控制序列和最优状态序列(tube中心)，然后通过局部反馈器来限制tube的尺寸。这个局部反馈器的作用就是将系统不确定性的所有可能轨迹引导至tube中心轨迹使其收敛，能够使无人艇较为准确地进行轨迹跟踪。
58.公开号为cn 105775054 a的发明专利，提供了一种蚁群式动态溢油回收无人艇系统，所述系统包括子母船和多个无人艇组。该发明提出的蚁群式动态溢油回收方法，能够对溢油区域进行分区，按分区对无人艇进行分组并分配任务进而对溢油进行回收。但是该回收方法仍忽略了溢油回收过程中的溢油位置变化，并对搜索区域进行无差别覆盖。此外，该方法忽略了传统溢油应急处理方法中先围控再回收的实际情形，未能更好地提高溢油回收效率。
59.基于上述背景技术的描述，现有技术对溢油扩散漂移分布情况考虑不足，且无法根据溢油围控与回收的情况实时调整溢油围控回收方案，且对无人艇的搜索区域进行轨迹规划也为结合当前海洋环境对溢油漂移扩散的影响，从而导致溢油清除效率不高，本发明旨在提出一种考虑海洋环境对溢油漂移扩散影响并根据溢油围控与回收的情况实时调整溢油围控回收方案对的无人艇编队海上溢油围控回收方法。
60.以下分别对具体实施例进行详细说明：
61.本发明实施例提供了一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法、装置及设备，以下分别进行说明。
62.如图1所示，图1为本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法的一个实施例流程示意图，基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法包括：
63.s101、获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图；
64.s102、获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案；
65.s103、根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案；
66.s104、根据更新后的溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收直到达到预设的溢油清除率。
67.与现有技术相比，本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法，一方面通过预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图，能够对溢油区域实现更精准的溢油围控回收；另一方面根据漂移分布图确定无人艇编队溢油围控回收方案，并实时根据实际溢油围控回收情况更新溢油围控回收方案，进行溢油回收直到达到预设的溢油清除率，能够实现更高效率的溢油围控回收。
68.进一步地，在本发明的一些实施例中，如图2所示，图2为本发明提供的图1中步骤s101一实施例的流程示意图，步骤s101包括：
69.s201、获取溢油区域信息，包括溢油初始位置的误差信息和溢油初始位置的海洋环境动力要素；
70.s202、基于蒙特卡洛方法建立溢油扩散油粒子模型，引入所述初始位置的海洋环境动力要素计算所述溢油扩散油粒子模型中每个油粒子在初始时刻的位置；
71.s203、根据所述溢油扩散油粒子模型中每个油粒子在初始时刻的位置，确定初始时刻的溢油扩散漂移分布图。
72.在本发明具体的实施例中，获取溢油区域信息，包括溢油初始位置和溢油初始位置的海洋环境动力要素，采用基于蒙特卡洛方法的油粒子模型将溢油抽象为一个个相互独立的随机粒子，每个粒子都具有搜寻目标的一切属性并受外部海洋环境(风、流)的作用而发生漂移运动。随着粒子在风、流等海洋环境因素作用下不断漂移，粒子不断扩散，搜寻区域膨胀，单元栅格包含粒子数目也随之改变。由于在实际溢油发生时往往无法获得准确的溢油时间和位置信息，因此在模型中考虑溢油初始位置误差，已知基于参考基准点的溢油初始位置误差符合如下二维高斯分布：
[0073][0074]
其中r为初始概率圆半径，θ为概率圆半径与真北方向的夹角，ur,u
θ
,σr,σ
θ
,ρ为关联系数，其中-∞＜ur＜+∞、-∞＜u
θ
＜+∞、-∞＜σr＜+∞、-∞＜σ
θ
＜+∞、-1＜ρ＜1，溢油初始位置误差的二维高斯分布记作
[0075]
需要说明的是，关联系数ur,u
θ
,σr,σ
θ
,ρ在本实施例中代表的含义分别为：r范围的风速系数、θ方向风速系数、r范围的扩散系数、θ方向的扩散系数、预设关联系数。
[0076]
初始位置误差是用于定量描述溢油的初始位置估计的误差，可根据具体实际情况自行设定误差大小。
[0077]
此外，为合理预测溢油的扩散漂移运动以确定溢油回收区域，需综合考虑海上风场、流场等外部环境因素对油粒子扩散漂移的影响。
[0078]
设油粒子对应的海面上h高度处的风速估计值为wf：
[0079]
wf＝||w
f'
+ξi||
ꢀꢀ②
[0080]
其中，w
f'
为海面上h米高度处的预计风速，ξi是海面h米高度处的风速扰动，其中为风速扰动方差。
[0081]
在具体的实施中，海上风场选取海面上10米高度处的风场作为漂移预测的输入风场。正常天气情况下，海面上10米高度处的预计风速w
f'
为5.83m/s；海面上10米高度处的风速扰动ξi服从正态分布，记为：ξi～n(0,1.85)。通过式
②
可得油粒子对应的海面上10米高度处的风速估计值为wf。
[0082]
已知风压与海面上h高度处的风速值的经验回归表达式为：
[0083]
lf＝(a+τi/h)*wfꢀꢀ③
[0084]
其中lf为风致漂移量，a为海面上h米高度处的风速斜率，τi为风压差系数的随机扰动。
[0085]
在本实例中，海面上10米高度处的风速斜率a为1.71％；风压差系数的随机扰动τi服从正态分布，记为：τi～n(0,15.45)。将式
②
代入式
③
可得海面上10米高度处的风速值lf。
[0086]
设油粒子的流致漂移的速度为vc：
[0087]vc
＝||v
c'
+ξ'i||
ꢀꢀ④
[0088]
其中，v
c'
为油粒子在海面下d米深度的流速的预测值，ξi'为海面下d深度的流速扰动，其中为流速扰动方差。
[0089]
在本实例中，海水流场选取海面下0.5米深度处的流场作为漂移预测的输入流场。正常天气情况下，溢油在海面下0.5米深度处的流速的预测值v
c'
为0.32m/s；海面下0.5米深度处的流速扰动ξi'服从正态分布，记为：ξ'i～n(0,0.05)。通过式
④
可得油粒子的流致漂移速度vc。
[0090]
设油粒子的漂移速度为vd：
[0091]vd
＝lf+vcꢀꢀ⑤
[0092]
将式
③
与式
④
代入式
⑤
可得油粒子的漂移速度vd。
[0093]
设第i个油粒子在t时刻的位置为pi(t)：
[0094][0095]
其中，pi(0)是第i个油粒子在初始时刻的位置。将式
⑤
代入式
⑥
可得第i个油粒子在t时刻的位置pi(t)。
[0096]
本发明实施例采用基于蒙特卡洛方法的油粒子模型将溢油抽象为一个个相互独立的随机粒子，考虑海洋环境影响因素计算每个油粒子在某一时刻的位置，得到溢油漂移扩散图，作为溢油围控回收的参照，为提高溢油围控回收的效率提供基础。
[0097]
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图3所示，图3为本发明提供的图1中步骤s102一实施例的流程示意图，步骤s102包括：
[0098]
s301、获取无人艇编队信息；
[0099]
s302、根据所述溢油扩散漂移分布图及无人艇编队信息确定溢油围控初始目标点，根据所述溢油围控初始目标点确定围控艇的溢油围控方案；
[0100]
s303、根据所述溢油扩散漂移分布图确定回收艇的溢油回收方案；
[0101]
其中，所述无人艇溢油围控回收方案包括溢油围控方案和溢油回收方案，所述无人艇编队包括回收母船、回收艇及围控艇。
[0102]
具体的，无人艇编队信息包括无人艇编队初始位置信息和无人艇编队的航速信息，确定围控艇的溢油围控方案包括：获取所述溢油扩散漂移分布图、无人艇编队初始位置信息和航速信息确定所述溢油围控目标点，并设置围油栏溢油拦截阈值；
[0103]
根据所述溢油围控目标点将所述围控艇进行编队作为一个整体基于最短路径原则进行轨迹规划，得到溢油围控方案和溢油围控范围。
[0104]
确定回收艇的溢油回收方案包括：获取所述溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围；
[0105]
根据所述溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围确定回收艇的溢油回收方案，并设
置所述回收艇溢油回收阈值和目标溢油清除率。
[0106]
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图4所示，图4为本发明提供的图1中步骤s103一实施例的流程示意图，步骤s103包括：
[0107]
s401、获取所述溢油围控方案中围控轨迹规划方案，根据所述围控轨迹规划方案控制所述围控艇按照规划轨迹航行至所述溢油围控目标点，依据溢油最大宽度及围油栏最大有效宽度确定所述围控艇的编队队形，并控制所述围控艇展开队形进行溢油围控；
[0108]
s402、根据所述溢油回收方案控制所述回收艇搜索范围内油粒子目标，若回收艇搜索范围内无油粒子，根据预设的第一轨迹规划目标函数控制回收艇寻找下一子结点进行溢油回收，若回收无人艇搜索范围内有油粒子，根据预设的第二轨迹规划目标函数控制回收艇寻找下一子结点进行溢油回收；
[0109]
s403、当检测到所述回收艇溢油回收达到所述溢油回收阈值后，控制所述回收艇返回回收母船进行卸油作业，并反馈溢油回收信息；
[0110]
s404、根据所述溢油回收信息统计回收艇回收油粒子数量，并判断溢油清除率是否达到目标溢油回收率；
[0111]
s405、若未达到目标溢油清除率，则根据所述溢油回收信息对已回收的油粒子进行删除作用，并实时更新所述溢油扩散漂移分布图；
[0112]
s406、根据更新后的溢油扩散漂移分布图更新所述溢油围控方案和溢油围控范围；
[0113]
s407、根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围更新所述溢油回收方案。
[0114]
其中，根据更新后的溢油扩散漂移分布图更新溢油围控方案和溢油围控范围，包括:获取更新后的溢油扩散漂移分布图，统计所述更新后的溢油扩散漂移分布图中油粒子数量，当达到所述围油栏溢油拦截阈值时更新所述溢油围控方案，根据所述更新后的溢油围控方案调整所述围控艇的编队队形，并更新所述溢油围控范围。
[0115]
需要说明的是，回收艇完成卸油作业后根据更新后的溢油回收方案继续进行溢油回收。
[0116]
在本发明具体的实施例中，首先获取无人艇编队信息，包括无人艇编队初始位置信息和无人艇编队的航速信息，其中，无人艇编队包括回收母船、多个回收艇及多个围控艇构成的编队，依据溢油扩散漂移方向、母船位置及无人艇航速推算出能够保证与溢油扩散漂移最远位置保持一定距离的初始围控目标点。
[0117]
假设初始围控目标点的位置满足：
[0118]
dist(p
tar
,p
far
)》δd+d0ꢀꢀ⑦
[0119]
其中，p
tar
为初始围控目标点位置，p
far
为围控无人艇到达p
tar
时溢油在溢油扩散漂移方向最远的粒子位置，dist(p
tar
,p
far
)为p
tar
与p
far
之间的欧式距离，δd为预定p
tar
与p
far
之间的最小距离，d0为一个无限趋近于零的距离。
[0120]
将围控艇编队视为整体进行轨迹规划，按照最短路径原则围控无人艇到达初始围控目标点的时间为：
[0121]
[0122]
其中，t
track
为围控艇到达初始围控目标点的时间，v
cage
为围控艇航速。
[0123]
步将t
track
输入至溢油扩散漂移模块可得到围控无人艇到达初始围控目标点后的溢油分布情况，结合围油栏有效拦油宽度及溢油扩散最大宽度确定围控艇编队队形及溢油围控范围。
[0124]
当围控艇编队队形展开后，回收艇进行溢油回收，当回收艇搜索范围内不存在油粒子时，回收艇在保证与围控艇及彼此之间避碰的基础上，第一轨迹规划目标函数c1(n)为：
[0125]
c1(n)＝dist(pi,p
near
)
ꢀꢀ⑨
[0126]
其中，pi为第i个子节点位置，p
near
为距离父节点最近油粒子位置，dist(pi,p
near
)为第i个子节点与距离父节点最近油粒子间的欧式距离。当c1(n)最小时，对应子节点即为下一步的父节点。
[0127]
当回收艇搜索范围内存在油粒子时，回收艇的第二轨迹规划目标函数c2(n)为：
[0128][0129]
其中，α和β为权重因子，num(n)为当前子节点方格包含油粒子数，∑num(n)为扩展至当前子节点途径方格包含的油粒子总数，dist(n)当前子节点与其父节点的欧式距离。当c2(n)最大时，对应子节点即为下一步的父节点。
[0130]
由于回收艇具有预设的溢油回收阈值和目标溢油清除率，围控艇具有预设的围油栏溢油拦截阈值，当回收艇达到预设的溢油回收阈值时便会返回回收母船进行卸油作业，并反馈溢油回收信息，包括溢油回收轨迹，和回收油粒子数量，通过统计无人艇回收油粒子数量，判断当前是否达到目标溢油清除率，若未达到目标溢油清除率，则根据溢油回收信息对已回收的油粒子进行删除作用，并实时更新溢油扩散漂移分布图，根据更新后的溢油扩散漂移分布图，统计更新后的溢油扩散漂移分布图中油粒子数量，当达到预设的围油栏溢油拦截阈值时更新溢油围控方案，根据更新后的溢油围控方案调整围控艇的编队队形，并重新确定溢油围控范围，根据更新后的溢油扩散漂移分布图和溢油围控范围回收艇重新规划轨迹，继续进行溢油回收，直到达到预设的溢油清除率。
[0131]
本发明实施例通过实时根据实际溢油围控回收情况更新溢油围控回收方案，进行溢油回收直到达到预设的溢油清除率，相比现有技术未根据溢油围控回收的实际情况实时更新溢油围控回收方案，本发明提供的方案能够针对溢油围控与回收调整目标函数，实现更高效率的溢油围控回收。
[0132]
进一步地，在本发明的一些实施例中，对无人艇编队进行轨迹规划之后还需要根据规划的轨迹进行轨迹跟踪，能够根据海面的实际情况控制无人艇编队的航行，其中轨迹跟踪算法模型如下：
[0133]
考虑船舶的动力学模型表述如下：
[0134][0135]
其中，x为当前时刻的系统状态，u、w分别代表当前时刻的控制输入和受到的具有边界的扰动，x
+
为下一时刻的系统状态。r(ψ)为旋转矩阵，m为系统惯性矩阵，包括刚体和附
加质量矩阵，c为科里奥利向心矩阵，包括刚体和附加质量的科里奥利向心矩阵，d为阻尼力。
[0136]
但其模型中描述的动力学是高度非线性的。使用非线性模型对于tube-based mpc控制器的预测和优化具有更高的计算复杂度，且过程非常耗时。因此，考虑样本时间ts的离散化动态模型，公式如下所示：
[0137][0138]
通过泰勒展开，我们可以得到离散线性化模型：
[0139][0140]
其中ad和bd是相应的离散雅可比矩阵。
[0141]
通过导入船舶运动模型和参考路径，推导船舶轨迹控制律，将船舶控制问题转化为具有如下形式目标函数的最优化控制问题：
[0142][0143]
其中|x
k+j
|s是tube的位置控制，控制x
k+j
到目标集合s的距离测度惩罚；ls(x
k+j
)为tube的形状控制，控制x
k+j
的形状(包括大小)的惩罚；l(v)为对决策变量v的惩罚，lf(x
k+n
)为终端惩罚。由此船舶操纵控制问题转化为对的求解问题，其中s为船舶当前位置与标称位置的误差集。
[0144]
使用局部反馈控制律u
k+j
＝k(x
k+j-z
k+j
)+v
k+j
将系统分离为确定性的标称系统和不确定性部分。将首次计算出的最优操纵决策设定为运动前馈控制，以提高系统的自适应性；结合当前时刻的船舶运动误差反馈，通过船舶运动模型预测控制算法实时计算出船舶车、舵指令，作为推荐的航行操作决策。
[0145]
在本发明实施例中，通过引入滚动优化策略，提高无人艇控制方案的鲁棒性：将各时刻系统运动控制优化问题进行求解，以获取未来有限时域船舶运动控制序列，以序列第一个分量作为航行决策执行，在下一时刻，根据新得到的测量值为初始条件重新预测系统的未来输出并求解运动控制优化问题获取新的控制序列，以有限时域滚动迭代的形式，为每一次计算所预估的动作提供实时的反馈校正，使本系统具有更强的鲁棒性及稳定性，应对船舶航行过程中不断出现的不确定状况。
[0146]
进一步地，本发明还相应提供了一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收装置500，如图5所示，图5为本发明提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收装置一实施例的结构示意图，包括：
[0147]
信息获取模块501，用于获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图；
[0148]
方案确定模块502，用于获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案；
[0149]
控制更新模块503，用于根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述
更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案；
[0150]
回收确定模块504，根据更新后的溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收直到达到预设的溢油清除率。
[0151]
如图6所示，本发明还相应提供了一种电子设备600。该电子设备600包括处理器601、存储器602及显示器603。图6仅示出了电子设备600的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0152]
处理器601在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit，cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器602中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的基于无人艇编队的海上溢油围控回收程序。
[0153]
在一些实施例中，处理器601可以是单个服务器或服务器组。服务器组可为集中式或分布式的。在一些实施例中，处理器601可为本地的或远程的。在一些实施例中，处理器601可实施于云平台。在一实施例中，云平台可包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、内部间、多重云等，或以上的任意组合。
[0154]
存储器602在一些实施例中可以是电子设备600的内部存储单元，例如电子设备600的硬盘或内存。存储器602在另一些实施例中也可以是电子设备600的外部存储设备，例如电子设备600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。
[0155]
进一步地，存储器602还可既包括电子设备600的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器602用于存储安装电子设备600的应用软件及各类数据。
[0156]
显示器603在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器603用于显示在电子设备600的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备600的部件601-603通过系统总线相互通信。
[0157]
在一实施例中，当处理器601执行存储器602中的基于无人艇编队的海上溢油围控回收程序时，可实现以下步骤：
[0158]
获取溢油区域信息，基于预设的溢油漂移预测算法确定溢油扩散漂移分布图；
[0159]
获取无人艇编队信息，基于所述溢油扩散漂移分布图和所述无人艇编队信息确定无人艇溢油围控回收方案；
[0160]
根据所述溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收，根据所述无人艇进行溢油围控回收的结果更新溢油扩散漂移分布图，并根据所述更新后的溢油扩散漂移分布图实时更新所述溢油围控回收方案；
[0161]
根据更新后的溢油围控回收方案控制所述无人艇进行溢油围控回收直到达到预设的溢油清除率。
[0162]
应当理解的是：处理器601在执行存储器602中的基于无人艇编队的海上溢油围控回收程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。
[0163]
进一步地，本发明实施例对提及的电子设备600的类型不做具体限定，电子设备600可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不
限于搭载ios、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备600也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。
[0164]
相应地，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法中的步骤或功能。
[0165]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0166]
以上对本发明所提供的一种基于无人艇编队的海上溢油围控回收方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。