技术特征：
1.一种船舶路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：构建船舶航行时所处的航行环境，在航行环境中设置船舶航行的航行条件，并在航行环境中增设对航行中的船舶构成干扰风险的风险区域；s2：在船舶的航行环境中规划出船舶的船舶航线，建立船舶在该船舶航线中以航行时间为变量的航行时间优化目标函数，并同时建立以航行风险为变量的船舶航线风险评估函数；s3：引入麻雀算法，计算麻雀的飞行距离以及对应的适应度值；s4：将麻雀的飞行距离带入航行时间优化目标函数进行计算，将麻雀对应的适应度值带入船舶航线风险评估函数进行计算，并形成麻雀总代价评估函数，求出麻雀总代价评估函数的最小值，此时最小值对应的麻雀飞行路径即为船舶最优航行路径。2.根据权利要求1所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，步骤s1具体如下：s11、将船舶航行的内河水域设定为二维空间，并在该二维空间内建立二维坐标系，进而构成船舶航行时的航行环境；s12、船舶的航行条件包括内河水域中的障碍物、船舶航行的起始点和船舶航行的目标点；根据内河水域中障碍物的大小、数量和位置，在该二维坐标系中设定障碍物对应的坐标；并同时为船舶航行的起始点和目标点赋予对应的坐标；s13、在该二维坐标系中对长度为x、宽度为y的内河流域进行分割，将其分割为g
×
r个边长为u的正方形区域，则有：其中，x为内河流域在二维坐标系中的长度；y为内河流域在二维坐标系中的宽度；u为正方形区域的边长；r为正方形区域在内河流域长度方向上的个数；g为正方形区域在内河流域宽度方向上的个数；s14、将有障碍物的区域设为障碍域，没有障碍物的区域设为可行域，将可行域设为存在气流影响的风险区域和没有气流影响的可自由航行的安全区域。3.根据权利要求2所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，步骤s2具体如下：s21、在船舶的航行环境中根据障碍域、安全区域和风险区域的分布，规划出船舶的船舶航线；s22、以船舶的航行时间为变量建立船舶在该船舶航线上的航行时间优化目标函数j
tc
，其计算公式如下：其中，t
c,total
为船舶沿船舶航线航行的总航行时长；t
c,alarm
为船舶警报时间，即定义为船舶在该船舶航线风险区域中航行的时间；s23、以船舶在风险区域中的航行风险为变量建立船舶在该船舶航线上的船舶航线风险评估函数，其计算公式如下：
其中：α
c+
β
c
=1，α
c
表征波高对船舶航行风险影响程度的系数；β
c
表征风速对船舶航行风险影响程度的系数；r
c,risk
为该船舶航线中的风险值；q为该船舶航线中的总航路段数；h
c,i,wave
为该船舶航线中的第i个航路段的波高；h
c,max,wave
为该船舶航线的总航路段中的最大波高；v
c
,
i,wind
为该船舶航线中的第i个航路段的风速；v
c,max,wind
为该船舶航线的总航路段中的最大风速。4.根据权利要求3所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，步骤s3中的麻雀算法的建立过程具体如下：s31、构建含有预定麻雀数量的麻雀种群，按照预定比例将麻雀种群分为发现者、追随者和警戒者，并让发现者、追随者和警戒者在船舶的航行环境中寻找食物，即将航行环境转化为麻雀对应的飞行环境；建立由n个发现者a、h个追随者b和m个警戒者c组成的种群矩阵x：其中：x中的每一行代表麻雀种群中对应的麻雀个体在一次飞行中的所有位置，表示一条飞行路径，与船舶航行彼此对应，且其中的每一个位置对应一段航段；d表示待优化问题变量的维数，即麻雀在该次飞行中的总飞行航线段数；a表示发现者，n表示发现者个数；表示第n个发现者在第1维的位置，即该发现者在该次飞行中的起始位置；表示第n个发现者在第d维的位置；即该发现者在该次飞行中的终点位置；b表示追随者，h表示追随者个数；表示第h个追随者在第1维的位置，即该追随者在该次飞行中的起始位置；表示第h个追随者在第d维的位置，即该追随者在该次飞行中的终点位置；c表示警戒者，m表示警戒者个数；表示第m个警戒者在第1维的位置，即该警戒者在
该次飞行中的起始位置；表示第m个警戒者在第d维的位置，即该警戒者在该次飞行中的终点位置；s32、根据麻雀在飞行过程中的位置变化，计算出麻雀对应的飞行距离；s33、根据麻雀的飞行距离建立麻雀的适应度值矩阵f，表示如下：其中：f[]为麻雀适应度值的计算函数，f中每一行的f值表示为麻雀种群中对应个体的适应度值。5.根据权利要求4所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，步骤s4具体如下：s41、使用发现者位置计算公式更新发现者的位置，得到发现者的当前位置；s42、使用追随者位置计算公式更新追随者的位置，得到追随者的当前位置；s43、使用警戒者位置计算公式更新警戒者的位置，得到警戒者的当前位置；s44、通过终止条件进行判断，即分别将发现者、追随者和警戒者更新后的位置与各自对应的初始位置进行对比；若当前位置与初始位置之间的路径短于更新前的位置与初始位置之间的路径，则将当前位置记为最终位置；反之将更新前的位置记为最终位置；并计算出麻雀对应的飞行距离和适应度值；s45、将麻雀的飞行距离转化为飞行时间，并将飞行时间带入船舶的航行时间优化目标函数进行计算，并得到麻雀的飞行时间优化目标函数；将麻雀的适应度值转化为航行风险带入船舶航线风险评估函数进行计算，并得到麻雀航线风险评估函数；s46、将麻雀的飞行时间优化目标函数和麻雀航线风险评估函数组合形成麻雀总代价评估函数，并计算出此时对应的代价值；s47、重复步骤s41～s46进行多次迭代，直至分别找出当前位置到初始位置距离最近的发现者、追随者或者警戒者，并且计算出其对应的适应度值，进而得出使麻雀总代价评估函数取最小值的麻雀，此时该麻雀对应的飞行航线即为船舶最优航行路径。6.根据权利要求5所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，发现者的位置计算公式如下：其中，s代表当前迭代数，s∈(1,iter
max
)，iter
max
是最大迭代代数；表示在第s次迭代中第y个发现者在第j维占据的位置；
表示在第s+1次迭代中第y个发现者在第j维占据的位置；y∈(1,n)，j∈(1,d)；δ∈(0,1)是一个随机数；r2代表警戒值；st表示安全阈值；d是一个正态分布的随机数；l是一个一行d维的全一矩阵；追随者的位置计算公式如下：其中：表示在第s+1次迭代中第z个追随者在第j维占据的位置，z∈(1,h)；表示在第s次迭代中第z个追随者在第j维占据的位置；表示在第s次迭代时所有追随者中在第j维占据的最佳位置；表示在第s次迭代时所有追随者中在第j维占据的最差位置；a
+
是一个各元素为1或者-1的一行d维矩阵；警戒者的位置计算公式如下：其中：表示在第s+1次迭代中第k个警戒者在第j维占据的位置，k∈(1,m)；表示在第s次迭代中第k个警戒者在第j维占据的位置；表示在第s次迭代时所有警戒者中在第j维占据的最佳位置；表示在第s次迭代时所有警戒者中在第j维占据的最差位置；表示在第s次迭代中第k个警戒者在第j维时的适应度值；表示在第s次迭代时所有警戒者中在第j维的最佳适应度值；表示在第s次迭代时所有警戒者中在第j维的最差适应度值；μ是步长控制参数；k∈(0,1)是一个随机数；ε为常数。7.根据权利要求6所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，步骤s45具体如下：
s451、根据麻雀的终点位置和起始位置之间的距离，并结合麻雀的飞行速度计算麻雀在该次飞行中的飞行时间；s452、将飞行时间带入船舶的航行时间优化目标函数，进而得到麻雀的飞行时间优化目标函数j
tm
：其中，t
m,total
为麻雀沿飞行航线飞行的总飞行时长；t
m,alarm
为麻雀警报时间，即为麻雀在该飞行航线的风险区域中飞行的时间；s453、麻雀在该次飞行的过程中适应度值会受到飞行航线上风速以及麻雀飞行高度的影响，于是将对应的风速和飞行高度带入船舶航线风险评估函数，计算得到麻雀航线风险评估函数r
m,risk
：其中：α
m+
β
m
=1，α
m
表征麻雀的飞行高度对飞行风险影响程度的系数；β
m
表征风速对飞行风险影响程度的系数；r
m,risk
为麻雀航线风险评估函数；d为麻雀在该次飞行航线中的总飞行航线段数；h
m,j,wave
为麻雀在该飞行航线中的第j个飞行航线段的飞行高度；h
m,max,wave
为麻雀在该飞行航线的总飞行航线段中最大的飞行高度；v
m,j,wind
为麻雀在该飞行航线中的第j个飞行航线段的风速；v
m,max,wind
为麻雀在该飞行航线的总飞行航线段中最大的风速；麻雀总代价评估函数的计算公式如下：其中，j
m,cost
为麻雀总代价评估函数；w1为麻雀的飞行时间优化目标函数j
tm
的权重参数，w2为麻雀航线风险评估函数r
m,risk
的权重参数；作为权重系数需满足如下条件：w1≥0，w2≥0，w1+w2=1。8.根据权利要求7所述的一种船舶路径优化方法，其特征在于，为防止在迭代后期的麻雀的位置更新陷入局部最优，对麻雀的位置采取自适应t分布变异策略：其中：t(m)是以迭代次数s为自由度的t分布；为变异后的第y个发现者在第j维占据的位置；为第y个发现者在第j维占据的位置；
为变异后的第z个追随者在第j维占据的位置，第z个追随者在第j维占据的位置；为变异后的第k个警戒者在第j维占据的位置，第k个警戒者在第j维占据的位置。9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1-8任一项所述的方法。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
技术总结
本发明涉及船舶路径优化技术领域，具体是一种船舶路径优化方法、电子设备及存储介质，包括以下步骤：构建船舶航行时所处的航行环境，在航行环境中设置船舶航行的航行条件；建立船舶在该船舶航线中以航行时间为变量的航行时间优化目标函数，并同时建立以航行风险为变量的船舶航线风险评估函数；引入麻雀算法，计算麻雀的飞行距离以及对应的适应度值，并形成麻雀总代价评估函数，求出麻雀总代价评估函数的最小值，此时最小值对应的麻雀飞行路径即为船舶最优航行路径；本发明考虑多功能抢险救援船舶的动态特性和气流引起的干扰效应，考虑气流与非完整约束效应，能够有效的对障碍物、暗礁进行精确定位，使得船舶的路径规划更加高效智能。效智能。效智能。
技术研发人员：张琼 林威 张玉明 于竞宇 顾永根 王静峰 邱征 浦玉学 李振轩
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/1/31