滴水湖无人船测试场应急保障航道规划
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３. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司ꎬ上海 ２００１２０ꎻ ４. 大连海事大学航海学院ꎬ辽宁 大连 １１６０２６)
摘要:针对滴水湖新建无人船测试场的应急保障问题ꎬ建立基于 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论和 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法的多
终点航道规划模型ꎮ 通过环境建模确定障碍物大小和位置ꎻ受 ＰＮＰｏｌｙ 算法启发ꎬ引入剔除函数进
ｓａｆｅｔｙꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｅｒ￣
ｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ.
收稿日期: ２０２０￣０９￣０８ 修回日期: ２０２０￣１１￣２２
ＱＩ Ｙｕｌｉｎｇ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＳＨＥＮ Ｊｉａｎｈｕａ２ ꎬ ＸＵ Ｙｕａｎ３ ꎬ ＲＥＮ Ｈｏｎｇｘｉａｎｇ４ ꎬ ＺＥＮＧ Ｊｉａｎｆｅｎｇ３
(１. ａ. Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅｇｅꎻ ｂ. Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎꎬ
传统的路径规划模型的构建较少结合具体情况
性无人船测试场ꎮ 为保障无人船测试期间的安全ꎬ
需要根据无人船测试场的布局对可能的突发情况制
定应急物资输送、应急救援实施的交通组织规划尤
其是航道规划ꎮ 目前滴水湖一号码头具备充足的配
改进ꎬ所采用的算法比较单一ꎬ容易出现运算结果较
套资源和应急保障能力ꎮ
差、易陷入局部最优的情况ꎬ对复杂环境、特殊环境
以及通航安全ꎮ
合蚁群算法对规划的航道进行优化ꎬ为滴水湖管理
ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ. ｓｍｕｊｏｕｒｎａｌ. ｃｎ ｈｙｘｂ＠ ｓｈｍｔｕ. ｅｄｕ. ｃｎ
船舶在滴水湖内航行时会经过在建的无人船测
第１ 期
白响恩ꎬ等:滴水湖无人船测试场应急保障航道规划
１５
义为施工障碍物ꎬ在建设完成后则被定义为一般障
所有障碍物区域均需拓宽安全距离 [７] ꎮ 由于
图 ３ 应急保障航道规划总体流程
中心雕塑位于滴水湖正中位置ꎬ无论如何规划应急
保障船舶均需经过此处ꎬ所以中心雕塑对航道影响
较大ꎻ无人船测试场作为应急保障区域ꎬ在终点的数
量和位置选取上要仔细斟酌ꎮ 针对该情况ꎬ在中心
雕塑处将安全距离拓宽 ６０ ｍꎻ把以无人船测试场外
有一条真正意义上规范的航道ꎮ
向 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法求解多条改航路径ꎻ朱小林等 [４] 在
综合各项因素的基础上ꎬ针对海上应急救援系统中
应急资源的决策问题建立了基于事件类型的应急物
资和船舶分配模型ꎻ余梦珺等 [５] 选取海洋相关指标
构建出环境威胁场ꎬ利用蚁群算法对各目标在不同
救援时段具有不同权重的情况展开西北航道海上救
侧的两个端点为圆心、半径为 １００ ｍ 的两个圆形区
域作为终点选址区域( 见图 ２ 中虚线圆) ꎻ其余障碍
物处适当拓宽安全距离ꎮ 最终选取 １ 个起点 Ｓ 和 ３
个终点 Ｔ１ 、Ｔ２ 和 Ｔ３ ꎮ
３ ０００ ｍꎮ ②自由链接线( 采用虚线段表示) 被定义
为两个障碍物之间不与障碍物相交的端点之间的连
线ꎬ以及障碍物端点到环境模型边界线的垂直线段ꎻ
断向智能化过渡ꎮ 相较于陆地环境和空中环境ꎬ水
观光旅游条件的湖区ꎬ具有自身的独特性ꎬ为保障观
光旅游的安全和可持续发展ꎬ在航道规划中需要纳
边连接北岛、西岛和南岛ꎮ 随着上海自贸试验区临
心ꎬ涉及游船、快艇等多种船舶航行活动ꎮ
“ 滴水湖无人船测试场项目” 是由包括上海临
入应急保障因素ꎮ 航道规划的本质是路径规划ꎬ其
中图分类号: Ｕ６１２. １ꎻ Ｕ６９７. １ 文献标志码: Ａ
Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ
ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ ｉｎ Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅ
ＢＡＩ Ｘｉａｎｇ’ ｅｎ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＺＨＯＵ Ｊｕｎｊｉｅ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＸＩＡＯ Ｙｉｎｇｊｉｅ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＸＵ Ｘｉａｏｆｅｎｇ１ａꎬ１ｂ ꎬ
ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｉａｇｒａｍꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｔ ｃｏｌｏｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｅｍｅｒ￣
ｇｅｎｃｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ. Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｐｌａｎｎｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ
等新理念、新技术的发展ꎬ无人船开始兴起ꎬ船舶不
１ 滴水湖无人船测试场现状
１. １ 背景概况
滴水湖位于上海市浦东新区南汇新城镇ꎬ整个
域环境的限制条件更多、安全风险更大ꎬ因此对水域
湖呈圆形ꎬ直径约 ２ ６６０ ｍꎬ湖中心建有水滴雕塑ꎬ岸
进行航道规划十分必要ꎮ 水域环境尤其是具备一定
港新片区的经济发展ꎬ滴水湖成为该地区的旅游中
４. Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅꎬ Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｄａｌｉａｎ １１６０２６ꎬ Ｌｉａｏｎｉｎｇꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｕｉｌｔ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ ｉｎ
④可行路径( 采用实线段表示) 为每两个节点有效
相连的结果ꎬ其中“ 有效” 指线段不可与其端点外的
虚线线段相交ꎬ且线段不可穿越障碍物ꎮ 经拓宽安
全距离和膨化处理后的障碍物见图 ２ꎮ 构建出的滴
水湖无人船测试场的具体环境模型无向网络图见
图 ４ꎮ
图 ２ 经拓宽安全距离和膨化处理后的障碍物
２ 应急航道规划总体流程
１４
第 ４２ 卷
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅꎻ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅꎻ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔꎻ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇꎻ Ｍａｋｌｉｎｋ
ｇｒａｐｈ ｔｈｅｏｒｙꎻ Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
０ 引 言
随着近年来物联网、大数据、云计算、人工智能
ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ＰＮＰｏｌｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ. Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏ￣
ｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎ￣
港海洋高新技术产业发展有限公司在内的多家单位
实现离不开算法的支持ꎮ 这些算法根据其实现原理
和组织共同参与的新兴项目ꎬ旨在建立多功能前沿
可分为 非 进 化 型 算 法 ( 如 Ａ∗ 算 法、 人 工 势 场 法、
Ｆｌｏｙｄ 算法等) 和进化型算法( 如 ＴＳ 算法、粒子群算
法、遗传算法等) 两类 [１] ꎮ
基于 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论和 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法进行应急保
障航道规划ꎬ需要结合滴水湖的独特环境进行合理、
有效的创新ꎬ使规划出的航道安全且易于管理ꎮ 应
滴水湖无人船测试场应急保障航道规划
白响恩１ａꎬ１ｂ ꎬ 周俊杰１ａꎬ１ｂ ꎬ 肖英杰１ａꎬ１ｂ ꎬ 徐笑锋１ａꎬ１ｂ ꎬ 戚玉玲１ａꎬ１ｂ ꎬ
沈建华２ ꎬ 徐元３ ꎬ 任鸿翔４ ꎬ 曾建峰３
(１. 上海海事大学 ａ. 商船学院ꎻ ｂ. 航运仿真技术教育部工程研究中心ꎬ上海 ２０１３０６ꎻ ２. 上海港引航站ꎬ上海 ２０００８０ꎻ
行模型改进ꎻ利用 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法在无向网络图中搜索从起点至终点的最短应急航道ꎬ并利用蚁群算
法对最短应急航道集合进行优化ꎮ 结果分析显示ꎬ最终规划的航道高效、安全ꎬ规划结果可以为滴
水湖管理工作和无人船测试场应急保障提供参考ꎮ
关键词: 滴水湖ꎻ 无人船测试场ꎻ 应急保障ꎻ 航道规划ꎻ Ｍａｋｌｉｎｋ 图论ꎻ Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法
基金项目: 国家自然科学基金(５１９０９１５５) ꎻ上海市科学技术委员会项目(１４１７０５０１６００)
作者简介: 白响恩(１９８４—) ꎬ女ꎬ上海人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ研究方向为船舶交通管理ꎬ( Ｅ￣ｍａｉｌ) ｘｅｂａｉ＠ ｓｈｍｔｕ. ｅｄｕ. ｃｎ
上 海 海 事 大 学 学 报
Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅꎬ ａ ｍｕｌｔｉ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｋｌｉｎｋ ｇｒａｐｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ
Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ. Ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ. Ｔｈｅ
Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｐｉｌｏｔ Ｓｔａｔｉｏｎꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００８０ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
３. Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏ.ꎬ Ｌｔｄ.ꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２０ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
省略个别邻近的不具显著实际效果的自由链接线ꎻ
ｖ ｉ 表示自由链接线 Ｌ ｉ 的中点( 以下简称“ 节点” ) ꎬ
ｉ∈Ｎ ∗ ꎮ ③障碍物并非全部为规则形状ꎬ如北岛、南
岛均为极不规则形状ꎬ中心雕塑为圆形形状ꎬ无人船
测试场为近似扇形形状ꎮ 这类障碍物需要进行“ 膨
化处理” [１０] ꎬ膨化处理后的障碍物由凸多边形替代ꎮ
无规范航道的现状及无人船测试场的介入ꎬ势
意外事件发生后应急救援迅速ꎬ因此规划的航道应
必会对滴水湖内通航环境造成很大影响ꎮ 无人船在
该满足高效性、安全性和易管理性ꎮ 本文根据滴水
滴水湖进行测试时会占据很大一片水域ꎬ湖内其他
境模型进行改进ꎻ考虑滴水湖地理环境的独特性、无
应考虑这些实际情况ꎬ以确保应急保障的快速、及时
１. ２ 通航环境
中的路径规划不够有效ꎮ 刘云翔等 [２] 通过实验比
较了 Ａ∗ 算法与 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法的搜索速度和搜索效
率ꎬ以及在障碍物较多情况下的搜索效果ꎻ仝佳璐
等 [３] 为解决空中航班流的运行问题ꎬ采用改进的双
在建设无人船测试场前ꎬ滴水湖主要营运的船
Байду номын сангаас
舶基本按照固定航线逆时针方向航行( 见图 １) ꎬ没
援路径规划ꎻ谢新连等 [６] 根据海上施工水域的航道
规划问题ꎬ建立了以航线总长度最短为目标函数、不
可航行区域为约束条件的航线规划数学模型ꎮ
为处置无人船在滴水湖新建无人船测试场测试
期间发生的失控、碰撞或泄漏ꎬ甚至燃爆等危险情
况ꎬ需要在测试场周围设置多个应急保障点ꎬ以确保
图 １ 建设无人船测试场前滴水湖内船舶航线
标终点ꎬ利用 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法进行多终点航道规划ꎻ结
１. ３ 问题描述
工作和无人船测试场应急保障提供参考ꎮ
试场( 见图 ２ 中的扇形区域ꎬ其在建设完成前被定
湖实际环境ꎬ将剔除函数引入 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论中对环
船舶活动水域将大幅缩减ꎬ因此应急保障航道规划
人船测试场的影响及应急保障等因素ꎬ选取 ３ 个目
第 ４２ 卷 第 １ 期
２０２１ 年 ３ 月
上 海 海 事 大 学 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ＤＯＩ:１０. １３３４０ / ｊ. ｊｓｍｕ. ２０２１. ０１. ００３
Ｖｏｌ. ４２ Ｎｏ. １
Ｍａｒ. ２０２１
文章编号:１６７２ － ９４９８(２０２１)０１￣００１３￣０６
碍物) 以及中心雕塑、北岛、西岛和南岛等 ４ 个静态
障碍物ꎮ 应急保障船舶在水域内航行应避开这些障
碍物ꎬ同时为保证应急保障的全面性和及时性ꎬ需要
根据无人船测试场地理位置为应急保障船舶设置多
个终点ꎮ 本文结合相关图论和算法设计出应急保障
船舶从起点到多个终点的多条合理路径ꎬ实现滴水
湖无人船测试场应急保障航道规划ꎮ
摘要:针对滴水湖新建无人船测试场的应急保障问题ꎬ建立基于 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论和 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法的多
终点航道规划模型ꎮ 通过环境建模确定障碍物大小和位置ꎻ受 ＰＮＰｏｌｙ 算法启发ꎬ引入剔除函数进
ｓａｆｅｔｙꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｅｒ￣
ｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ.
收稿日期: ２０２０￣０９￣０８ 修回日期: ２０２０￣１１￣２２
ＱＩ Ｙｕｌｉｎｇ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＳＨＥＮ Ｊｉａｎｈｕａ２ ꎬ ＸＵ Ｙｕａｎ３ ꎬ ＲＥＮ Ｈｏｎｇｘｉａｎｇ４ ꎬ ＺＥＮＧ Ｊｉａｎｆｅｎｇ３
(１. ａ. Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍａｒｉｎｅ Ｃｏｌｌｅｇｅꎻ ｂ. Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎꎬ
传统的路径规划模型的构建较少结合具体情况
性无人船测试场ꎮ 为保障无人船测试期间的安全ꎬ
需要根据无人船测试场的布局对可能的突发情况制
定应急物资输送、应急救援实施的交通组织规划尤
其是航道规划ꎮ 目前滴水湖一号码头具备充足的配
改进ꎬ所采用的算法比较单一ꎬ容易出现运算结果较
套资源和应急保障能力ꎮ
差、易陷入局部最优的情况ꎬ对复杂环境、特殊环境
以及通航安全ꎮ
合蚁群算法对规划的航道进行优化ꎬ为滴水湖管理
ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ. ｓｍｕｊｏｕｒｎａｌ. ｃｎ ｈｙｘｂ＠ ｓｈｍｔｕ. ｅｄｕ. ｃｎ
船舶在滴水湖内航行时会经过在建的无人船测
第１ 期
白响恩ꎬ等:滴水湖无人船测试场应急保障航道规划
１５
义为施工障碍物ꎬ在建设完成后则被定义为一般障
所有障碍物区域均需拓宽安全距离 [７] ꎮ 由于
图 ３ 应急保障航道规划总体流程
中心雕塑位于滴水湖正中位置ꎬ无论如何规划应急
保障船舶均需经过此处ꎬ所以中心雕塑对航道影响
较大ꎻ无人船测试场作为应急保障区域ꎬ在终点的数
量和位置选取上要仔细斟酌ꎮ 针对该情况ꎬ在中心
雕塑处将安全距离拓宽 ６０ ｍꎻ把以无人船测试场外
有一条真正意义上规范的航道ꎮ
向 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法求解多条改航路径ꎻ朱小林等 [４] 在
综合各项因素的基础上ꎬ针对海上应急救援系统中
应急资源的决策问题建立了基于事件类型的应急物
资和船舶分配模型ꎻ余梦珺等 [５] 选取海洋相关指标
构建出环境威胁场ꎬ利用蚁群算法对各目标在不同
救援时段具有不同权重的情况展开西北航道海上救
侧的两个端点为圆心、半径为 １００ ｍ 的两个圆形区
域作为终点选址区域( 见图 ２ 中虚线圆) ꎻ其余障碍
物处适当拓宽安全距离ꎮ 最终选取 １ 个起点 Ｓ 和 ３
个终点 Ｔ１ 、Ｔ２ 和 Ｔ３ ꎮ
３ ０００ ｍꎮ ②自由链接线( 采用虚线段表示) 被定义
为两个障碍物之间不与障碍物相交的端点之间的连
线ꎬ以及障碍物端点到环境模型边界线的垂直线段ꎻ
断向智能化过渡ꎮ 相较于陆地环境和空中环境ꎬ水
观光旅游条件的湖区ꎬ具有自身的独特性ꎬ为保障观
光旅游的安全和可持续发展ꎬ在航道规划中需要纳
边连接北岛、西岛和南岛ꎮ 随着上海自贸试验区临
心ꎬ涉及游船、快艇等多种船舶航行活动ꎮ
“ 滴水湖无人船测试场项目” 是由包括上海临
入应急保障因素ꎮ 航道规划的本质是路径规划ꎬ其
中图分类号: Ｕ６１２. １ꎻ Ｕ６９７. １ 文献标志码: Ａ
Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ
ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ ｉｎ Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅ
ＢＡＩ Ｘｉａｎｇ’ ｅｎ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＺＨＯＵ Ｊｕｎｊｉｅ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＸＩＡＯ Ｙｉｎｇｊｉｅ１ａꎬ１ｂ ꎬ ＸＵ Ｘｉａｏｆｅｎｇ１ａꎬ１ｂ ꎬ
ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｉａｇｒａｍꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｔ ｃｏｌｏｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｅｍｅｒ￣
ｇｅｎｃｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ. Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｐｌａｎｎｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ
等新理念、新技术的发展ꎬ无人船开始兴起ꎬ船舶不
１ 滴水湖无人船测试场现状
１. １ 背景概况
滴水湖位于上海市浦东新区南汇新城镇ꎬ整个
域环境的限制条件更多、安全风险更大ꎬ因此对水域
湖呈圆形ꎬ直径约 ２ ６６０ ｍꎬ湖中心建有水滴雕塑ꎬ岸
进行航道规划十分必要ꎮ 水域环境尤其是具备一定
港新片区的经济发展ꎬ滴水湖成为该地区的旅游中
４. Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅꎬ Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｄａｌｉａｎ １１６０２６ꎬ Ｌｉａｏｎｉｎｇꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｕｉｌｔ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ ｉｎ
④可行路径( 采用实线段表示) 为每两个节点有效
相连的结果ꎬ其中“ 有效” 指线段不可与其端点外的
虚线线段相交ꎬ且线段不可穿越障碍物ꎮ 经拓宽安
全距离和膨化处理后的障碍物见图 ２ꎮ 构建出的滴
水湖无人船测试场的具体环境模型无向网络图见
图 ４ꎮ
图 ２ 经拓宽安全距离和膨化处理后的障碍物
２ 应急航道规划总体流程
１４
第 ４２ 卷
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅꎻ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｈｉｐ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅꎻ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｕｐｐｏｒｔꎻ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇꎻ Ｍａｋｌｉｎｋ
ｇｒａｐｈ ｔｈｅｏｒｙꎻ Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
０ 引 言
随着近年来物联网、大数据、云计算、人工智能
ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ＰＮＰｏｌｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ. Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏ￣
ｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎ￣
港海洋高新技术产业发展有限公司在内的多家单位
实现离不开算法的支持ꎮ 这些算法根据其实现原理
和组织共同参与的新兴项目ꎬ旨在建立多功能前沿
可分为 非 进 化 型 算 法 ( 如 Ａ∗ 算 法、 人 工 势 场 法、
Ｆｌｏｙｄ 算法等) 和进化型算法( 如 ＴＳ 算法、粒子群算
法、遗传算法等) 两类 [１] ꎮ
基于 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论和 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法进行应急保
障航道规划ꎬ需要结合滴水湖的独特环境进行合理、
有效的创新ꎬ使规划出的航道安全且易于管理ꎮ 应
滴水湖无人船测试场应急保障航道规划
白响恩１ａꎬ１ｂ ꎬ 周俊杰１ａꎬ１ｂ ꎬ 肖英杰１ａꎬ１ｂ ꎬ 徐笑锋１ａꎬ１ｂ ꎬ 戚玉玲１ａꎬ１ｂ ꎬ
沈建华２ ꎬ 徐元３ ꎬ 任鸿翔４ ꎬ 曾建峰３
(１. 上海海事大学 ａ. 商船学院ꎻ ｂ. 航运仿真技术教育部工程研究中心ꎬ上海 ２０１３０６ꎻ ２. 上海港引航站ꎬ上海 ２０００８０ꎻ
行模型改进ꎻ利用 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法在无向网络图中搜索从起点至终点的最短应急航道ꎬ并利用蚁群算
法对最短应急航道集合进行优化ꎮ 结果分析显示ꎬ最终规划的航道高效、安全ꎬ规划结果可以为滴
水湖管理工作和无人船测试场应急保障提供参考ꎮ
关键词: 滴水湖ꎻ 无人船测试场ꎻ 应急保障ꎻ 航道规划ꎻ Ｍａｋｌｉｎｋ 图论ꎻ Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法
基金项目: 国家自然科学基金(５１９０９１５５) ꎻ上海市科学技术委员会项目(１４１７０５０１６００)
作者简介: 白响恩(１９８４—) ꎬ女ꎬ上海人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ研究方向为船舶交通管理ꎬ( Ｅ￣ｍａｉｌ) ｘｅｂａｉ＠ ｓｈｍｔｕ. ｅｄｕ. ｃｎ
上 海 海 事 大 学 学 报
Ｄｉｓｈｕｉ Ｌａｋｅꎬ ａ ｍｕｌｔｉ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｋｌｉｎｋ ｇｒａｐｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ
Ｄｉｊｋｓｔｒａ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ. Ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ. Ｔｈｅ
Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｐｉｌｏｔ Ｓｔａｔｉｏｎꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００８０ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
３. Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏ.ꎬ Ｌｔｄ.ꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２０ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
省略个别邻近的不具显著实际效果的自由链接线ꎻ
ｖ ｉ 表示自由链接线 Ｌ ｉ 的中点( 以下简称“ 节点” ) ꎬ
ｉ∈Ｎ ∗ ꎮ ③障碍物并非全部为规则形状ꎬ如北岛、南
岛均为极不规则形状ꎬ中心雕塑为圆形形状ꎬ无人船
测试场为近似扇形形状ꎮ 这类障碍物需要进行“ 膨
化处理” [１０] ꎬ膨化处理后的障碍物由凸多边形替代ꎮ
无规范航道的现状及无人船测试场的介入ꎬ势
意外事件发生后应急救援迅速ꎬ因此规划的航道应
必会对滴水湖内通航环境造成很大影响ꎮ 无人船在
该满足高效性、安全性和易管理性ꎮ 本文根据滴水
滴水湖进行测试时会占据很大一片水域ꎬ湖内其他
境模型进行改进ꎻ考虑滴水湖地理环境的独特性、无
应考虑这些实际情况ꎬ以确保应急保障的快速、及时
１. ２ 通航环境
中的路径规划不够有效ꎮ 刘云翔等 [２] 通过实验比
较了 Ａ∗ 算法与 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法的搜索速度和搜索效
率ꎬ以及在障碍物较多情况下的搜索效果ꎻ仝佳璐
等 [３] 为解决空中航班流的运行问题ꎬ采用改进的双
在建设无人船测试场前ꎬ滴水湖主要营运的船
Байду номын сангаас
舶基本按照固定航线逆时针方向航行( 见图 １) ꎬ没
援路径规划ꎻ谢新连等 [６] 根据海上施工水域的航道
规划问题ꎬ建立了以航线总长度最短为目标函数、不
可航行区域为约束条件的航线规划数学模型ꎮ
为处置无人船在滴水湖新建无人船测试场测试
期间发生的失控、碰撞或泄漏ꎬ甚至燃爆等危险情
况ꎬ需要在测试场周围设置多个应急保障点ꎬ以确保
图 １ 建设无人船测试场前滴水湖内船舶航线
标终点ꎬ利用 Ｄｉｊｋｓｔｒａ 算法进行多终点航道规划ꎻ结
１. ３ 问题描述
工作和无人船测试场应急保障提供参考ꎮ
试场( 见图 ２ 中的扇形区域ꎬ其在建设完成前被定
湖实际环境ꎬ将剔除函数引入 Ｍａｋｌｉｎｋ 图论中对环
船舶活动水域将大幅缩减ꎬ因此应急保障航道规划
人船测试场的影响及应急保障等因素ꎬ选取 ３ 个目
第 ４２ 卷 第 １ 期
２０２１ 年 ３ 月
上 海 海 事 大 学 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ＤＯＩ:１０. １３３４０ / ｊ. ｊｓｍｕ. ２０２１. ０１. ００３
Ｖｏｌ. ４２ Ｎｏ. １
Ｍａｒ. ２０２１
文章编号:１６７２ － ９４９８(２０２１)０１￣００１３￣０６
碍物) 以及中心雕塑、北岛、西岛和南岛等 ４ 个静态
障碍物ꎮ 应急保障船舶在水域内航行应避开这些障
碍物ꎬ同时为保证应急保障的全面性和及时性ꎬ需要
根据无人船测试场地理位置为应急保障船舶设置多
个终点ꎮ 本文结合相关图论和算法设计出应急保障
船舶从起点到多个终点的多条合理路径ꎬ实现滴水
湖无人船测试场应急保障航道规划ꎮ