一种磷虾捕捞网口前进路线规划方法与流程

本发明涉及磷虾捕捞
技术领域：
，特别是涉及一种磷虾捕捞网口前进路线规划方法。
背景技术：
：南极磷虾是高度集群的浮游生物，其生物量约为10～20亿吨,每年的可捕量在1.5亿吨，具有极高的经济价值。目前，中国海洋大学、上海海洋大学、同济大学等学校的学者对影响南极磷虾捕捞效率的因素做了很多的研究。已有的研究表明网口是否对着磷虾集群质量中心，是影响南极磷虾捕捞效率的首要因素。但是这些研究都只是对影响因素的探讨，没有关于网口捕捞路线规划的研究。如何设计一条捕捞率高且易于跟踪的网口前进路线是当前亟待解决的问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种磷虾捕捞网口前进路线规划方法，通过层次分析法找出最优网口捕捞路径曲线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种磷虾捕捞网口前进路线规划方法，包括：步骤(1)：通过滑窗法获得磷虾群的若干密度中心，并将获得的若干密度中心进行连接得到路径簇；步骤(2)：通过层次分析法构建路线评价模型，其中，所述路线评价模型包括目标层、准则层、子准则层和方案层；所述构建路线评价模型具体为：获取所述准则层中的因子之比；计算子准则层中每个因子在准则层下的两两比较的判断矩阵；根据所述判断矩阵分别计算子准则层中每个因子在准则层下的权重；根据所述判断矩阵和子准则层中每个因子在准则层下的权重来计算路线评价模型的综合权重；步骤(3)：根据所述路线评价模型的综合权重评价所述步骤(1)中的路径簇，得到最优路径曲线。所述步骤(1)中将获得的若干密度中心进行连接得到路径簇，具体为：采用三次b样条曲线将获得的若干密度中心进行连接，得到三次b样条曲线路径簇。所述三次b样条曲线的公式为：其中，s为从初始状态到目标状态的归一化路径长度且s∈[0,1]，di为控制点，m为控制点个数，fi(s)为三次b样条曲线的基函数且所述步骤(2)中的准则层中的因子包括经济性和可控性；所述子准则层中的因子包括捕捞率、路径长度、曲率和和拐点个数。所述步骤(2)中的判断矩阵公式为：其中，r为判断矩阵，aij为子准则层对应的任意两个因子对准则层的相对重要程度且a11＝a22＝…ann＝1。所述步骤(2)中根据所述判断矩阵分别计算子准则层中每个因子在准则层下的权重之前还包括：检验所述判断矩阵的一致性，公式为：其中，ci为一致性指标且λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵维度，ri为平均随机一致性指标；若cr＜0.10，则表示所述判断矩阵满足一致性，若cr≥0.10，则对所述判断矩阵进行修正。所述步骤(2)中根据所述判断矩阵分别计算子准则层中每个因子在准则层下的权重，具体为：分别计算子准则层中每个因子在准则层下判断矩阵的最大特征值，再计算最大特征值对应的特征向量，所述最大特征值对应的特征向量为子准则层中每个因子在准则层下的权重c1j和c2j。所述步骤(2)中根据所述判断矩阵和子准则层中每个因子在准则层下的权重来计算路线评价模型的综合权重，公式为：wj＝b1c1j+b2c2j，其中，wj为综合权重，b1为准则层中经济性的权重，b2为准则层中可控性的权重，c1j为在经济性权重b1下的子准则层中对应因子的权重，c2j为在可控性权重b2下的子准则层中对应因子的权重。所述步骤(3)中根据所述路线评价模型的综合权重评价所述步骤(1)中的路径簇，公式为：s＝w1×u1+w2×u2+...+wj×uj，其中，s为评价分值，wj为子准则层中第j项因子在准则层下的综合权重，uj为子准则层中第j项因子在准则层下的的等级得分。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过层次分析法将磷虾捕捞问题从定性分析转换为定量分析，使得本发明的数据结果更具通用性和说服力；本发明的层次分析法以经济性和可控性为准则，以捕捞率、路径长度、曲率和、拐点个数为子准则层，通过从路径簇中选出最优捕捞行进路径，具备较强的实用性和通用性；本发明能够实时进行磷虾捕捞，不仅捕捞率高，而且实时性好，适用于在航行中的船舶对磷虾进行捕捞；本发明能够为船长提供实时性的捕捞路线建议。附图说明图1是本发明实施方式的层次分析法示意图；图2是本发明实施方式的滑窗法原理示意图；图3是本发明实施方式的滑窗法中窗口为3的捕捞网口前进路线示意图；图4是本发明实施方式的滑窗法中窗口为4的捕捞网口前进路线示意图；图5是本发明实施方式的滑窗法中窗口为5的捕捞网口前进路线示意图；图6是本发明实施方式的滑窗法中窗口为6的捕捞网口前进路线示意图；图7是本发明实施方式的滑窗法中窗口为7的捕捞网口前进路线示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种磷虾捕捞网口前进路线规划方法，适用于南极磷虾捕捞船只上；本发明主要通过层次分析法将定性与定量相结合，以解决多目标的复杂问题，本实施方式的主要原理如下：一、关于路径控制点的选取：磷虾虾群反向体积散射强度(sv)，反映了磷虾的集群情况。通过滑窗法获得磷虾群的横向和纵向的密度中心，采用三次b样条曲线连接这些密度中心；通过改变窗口的大小获得路径簇，滑窗越大选取的控制点个数越少。根据层次分析法构建路线评价模型来评价路径簇的优劣，最终得到最佳的网口前进路线；所述路线评价模型包括目标层、准则层、子准则层和方案层，详见图1。二、关于评价路径优劣的因子：评价因子的等级得分根据捕捞率、路径长度、拐点个数、曲率和以及各自的排名得出；除了捕捞率，路径长度、拐点个数、曲率和都是数值越大得分越低。综合权重和等级得分之积最大的即为推荐路线。以下对磷虾捕捞网口前进路线规划方法的具体步骤进行详细介绍：(1)根据典型磷虾群的反向体积散射强度(sv)去除声呐探测图像中的干扰信号。(2)基于滑窗法(见图2)从sv数据中获取磷虾密度中心，窗口的大小决定最终控制点(即密度中心)的稠密程度。(3)用三次b样条曲线连接步骤(2)获得的控制点(即密度中心)，得到路径簇；三次b样条曲线是应用比较广泛的一种路径曲线平滑方式，使用该曲线可以生成曲率和连续的路径曲线，可以满足路径可执行的基本条件；所述三次b样条曲线的公式如下：其中，s为从初始状态到目标状态的归一化路径长度且s∈[0,1]，di为控制点，i∈[1,m]，m为控制点个数，fi(s)为三次b样条曲线的基函数，fi(s)公式如下：(4)构建基于层次分析法的路线评价模型，构造成对比较矩阵，将不同因素两两比较的相对重要程度用数值表示，写成矩阵的形式即判断矩阵。构造判断矩阵是层次分析法将研究问题从定性分析转为定量分析的关键步骤。本实施方式采用1～9及其倒数评定子准则层中每个因子的重要性，数值越大代表某个因子相比于另一个越重要，这两个因子之间的重要性为倒数关系。判断矩阵的公式如下：其中，r为判断矩阵，aij为子准则层对应的任意两个因子对准则层的相对重要程度且a11＝a22＝…ann＝1，aij的取值范围为1～9及其倒数，数值越大表示越重要。进一步地，分别计算子准则层中每个因子在准则层下判断矩阵的最大特征值，再计算最大特征值对应的特征向量，所述最大特征值对应的特征向量为子准则层中每个因子在准则层下的权重c1j和c2j，即c1j和c2j是判断矩阵最大特征值对应的特征向量的值；其中，判断矩阵r的特征值和特征向量求解公式如下：rx＝λmaxx其中，x是特征向量，λmax是判断矩阵的最大特征值。需要注意的是，在计算每个子准则层的因子权重之前需要检验判断矩阵的一致性，计算一致性比例cr，公式如下：其中，ci为一致性指标且λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵维度，ri为平均随机一致性指标，详见表1；若cr＜0.10，则表示所述判断矩阵满足一致性，若cr≥0.10，则对所述判断矩阵进行修正后才可以计算权重。表1平均随机一致性指标ri矩阵阶数123456ri000.520.891.121.26进一步地，计算路线评价模型的综合权重，公式为：wj＝b1c1j+b2c2j其中，wj为综合权重，b1为准则层中经济性的权重，b2为准则层中可控性的权重，c1j为在经济性权重b1下的子准则层中对应因子的权重，c2j为在可控性权重b2下的子准则层中对应因子的权重。进一步地，通过分析处理，得到各指标因子的得分数据，利用叠加分析将各个得分数据进行加权叠加，公式如下：s＝w1×u1+w2×u2+...+wj×uj其中，s为评价分值，wj为子准则层中第j项因子在准则层下的综合权重，uj为子准则层中第j项因子在准则层下的的等级得分。每个评价因子(评价因子是经济性或可控性下子准则层中的因子)的等级得分根据捕捞率、路径长度、拐点个数、曲率和和各自的排名得出，除了捕捞率都是数值越大得分越低，最后s最大的为捕捞网口的最优行进路线。下面通过一个具体的实施方式进一步说明本发明：(1)当无干扰信号时，将磷虾虾群反向体积散射强度(sv)的最大值和最小值作为去除干扰信号的上限阈值和下限阈值。对干扰信号消除后的采样点赋以空白值(-999db)，空白值不参与磷虾集群特征的直接运算。数据采集时，将回声探测仪ek80工作频率设置为120khz。通过echoview软件初步分析得出磷虾群分布水深范围为15到40米，磷虾sv数据目标强度范围在-70db到-80db。(2)磷虾虾群反向体积散射强度sv与直接取样确定的浮游动物生物量有很好的相关性。本实施方式基于滑窗法从sv数据中获取磷虾密度中心。在p×l的数据窗(p为sv原始数据行数，l为3到7的数)，计算窗内每行数据和，并将结果存放到矩阵b(p×1)，矩阵b(p×1)最大的数所在的位置即为该段候选磷虾密度中心的深度(控制点的纵坐标)，然后计算该段深度下网口范围内最大和所在的位置即为控制点的横坐标。数据窗每次横向移动l个数据，直到结束，详见图2。为了避免出现网口通过无磷虾区域，在计算控制点的纵坐标时，需要考虑磷虾群分布的水深范围。网口高度为20米，纵坐标小于25或者大于30时，取纵坐标为固定值27.5。(3)根据上述步骤(2)得到的网口路径曲线的控制点集合，采用三次b样条曲线将获得的若干密度中心进行连接，得到三次b样条曲线路径簇；图3～图7展示了5种不同窗口大小下规划的网口捕捞前进路线。(4)根据层次分析法构建路线评价模型。本实施方式中的路线评价模型包括目标层、准则层、子准则层和方案层(见图1)，通过特尔菲法(即专家调查法)确定了指标层与因子层之间的两两比较判断矩阵，即以捕捞率、路径长度、曲率和、拐点个数为子准则层，分别获得子准则层基于经济性和可控性的两两比较判断矩阵；再根据得到的判断矩阵分别计算，捕捞率、路径长度、曲率和、拐点个数在经济性和可控性两种准则下的权重；具体见表2和表3。经济性决定磷虾的捕捞量，可控性决定规划路线跟踪的难易程度，本实施方式以提高捕捞量为最终目标，所以经济性的重要程度大于可控性，故两者之比为b1:b2＝0.75:0.25，b1为准则层中经济性的权重，b2为准则层中可控性的权重。基于准则层的经济性和可控性，构建子准则层的判断矩阵。捕捞率、路径长度、曲率和和拐点个数对可控性的影响程度关系为：曲率和>拐点个数>捕捞率>路径长度，对经济性的影响程度关系为：捕捞率>路径长度>曲率和>拐点个数。表2子准则层对可控性的两两比较判断矩阵及权重向量捕捞率路径长度曲率和拐点个数权重向量c1j捕捞率131/51/30.1175路径长度1/311/71/50.0553曲率和57130.5650拐点个数351/310.2622表3子准则层对经济性的两两比较判断矩阵及权重向量捕捞率路径长度曲率和拐点个数权重向量c2j捕捞率13790.6073路径长度1/31350.2427曲率和1/71/3130.1015拐点个数1/91/51/310.0485由表2可得：ci＝0.0390，cr＝0.0433<0.10，通过一致性检验；由表3可得：ci＝0.0292，cr＝0.0325<0.10，通过一致性检验。进一步地，根据公式wj＝b1c1j+b2c2j来计算路线评价模型的综合权重，综合权重的结果见表4。表4综合权重排序因子权重(wj)捕捞率0.4849路径长度0.1959曲率和0.2174拐点个数0.1019由表4可得：ci＝0.0317，cr＝0.0352<0.10，通过一致性检验。由表4可知，最终捕捞率、路径长度、曲率和、拐点个数的综合权重分别为0.4849、0.1959、0.2174、0.1019。进一步地，通过分析处理，得到各指标因子的得分数据(最高60分)，利用叠加分析将各个得分数据进行加权叠加，取最大的s(s＝w1×u1+w2×u2+...+wi×ui)作为捕捞网口的最优行进路线，详见表5。表5各因子计算结果、等级得分(最高60分)及综合评价分值图3～图7分别展示了5种网口捕捞的前进路线，表5中加入了固定深度下最大捕捞率的路径长度、曲率和以及拐点个数与这5种路线进行了对比，根据层次分析法的综合评价得分可以得出，数据窗口大小为5时规划的路径曲线便是筛选出的最优路线。在该条路径下既易于控制船速和网纲长度使网口沿着该路线前进，捕捞率又高。实验数据表明最优路径的总耗时为2.5s，可以满足磷虾捕捞网口前进路线实时规划的要求。由此可见，本发明通过层次分析法将磷虾捕捞问题从定性分析转换为定量分析，使得本发明的数据结果更具通用性和说服力；本发明的层次分析法以经济性和可控性为准则，以捕捞率、路径长度、曲率和、拐点个数为子准则层，通过从路径簇中选出最优捕捞行进路径，具备较强的实用性和通用性。当前第1页12