基于无人机技术的低空海洋溢油监测巡航路径_史一凡

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２１，２２，史一凡１，孙健，胡昊
（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海２１．００２４０；）上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２２．００２４０
摘要：近年来，随着海上运输业和石油加工业的不断发展，溢油事故逐渐增多。因而，监控海洋溢油、预防海油污染、维护生态平衡具有重要的经济和社会现实意义。无人机以其部署快、成本低的特点成为海洋溢油低空监测的理想载体。提出将无人机技术应用于中国海域的低空溢油监测，对无人机海上监测航迹进行规划；以无人机飞行总航程及降落次数为变量、成本最低为目标函数，建立无人机海洋溢油监测最优巡航线路模型；利用模拟退火算法求解出较优路径，为无人机溢油监测的路径规划提供决策支持。最后，以环渤海湾多个采油点为实例进行路径选择，为我国低空海洋溢油监测系统的建立提供参考。关键词：水路运输；无人机；海洋溢油监测；最优路径模型；路径选择；模拟退火算法中图分类号：Ｐ７１５．６文献标志码：Ａ
平衡具有重要的经济和社会现实意义。
收稿日期：１００１３０９２百度文库－
）；国家自然科学基金（）基金项目：上海交通大学海洋工程国家重点实验室创新基金（ＺＤ０１００５９９７１１０１１０９ＧＫ２－：，作者简介：女，北京人，史一凡（硕士生，主要从事交通及海洋环境监测研究。Ｅ－ｍ９９０－）ａｉｌｓｈｉｉｆａｎ１９９０＠ｓｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．１ｙｊ：，孙健（男，安徽芜湖人，研究员，主要研究路网优化及海洋环境监测。Ｅ－ｍ１９７７－）ａｉｌｄａｎｉｅｌｓｕｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．＠ｓｊ
，：ＡｓｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｍａｒｉｔｉｍｅｔｒａｎｓｏｒｔａｎｄｏｉｌｉｎｄｕｓｔｒｂｓｔｒａｃｔＯｉｌｓｉｌｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｐｙｐｇ，，ｅｃｏｌｏｉｃａｌｂａｌａｎｃｅａｒｅｏｆｒｅａｔｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｓｅａｏｉｌｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｉｎｍａｒｉｎｅｏｉｌｓｉｌｌｉｎｒｅｖｅｎｔｉｎｇｇｐｇｐｇｐｇｄｕｅｔｏａｎｉｄｅａｌｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｍａｒｉｎｅｏｉｌｓｉｌｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｉｍｏｒｔａｎｃｅ．ＴｈｅＵｎｍａｎｎｅｄＡｉｒＶｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｉｓｂｅｃｏｍｉｎｐｐｇｐｇ，ｆｌｉｈｔｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｎｕｍｂｅｒｏｆｌａｎｄｉｎｓａｓｖａｒｉａｂｌｅｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔｃｏｓｔａｓｔｈｅｉｔｓｒａｉｄｄｅｌｏｍｅｎｔａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ．ｉｖｉｎｇｇｐｐｙｇｇ，，ｉｓｆｏｒｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｅｄｏｂｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｍｏｄｅｌｏｆＵＡＶ’ ｓｏｔｉｍａｌａｔｈｏｆｍａｒｉｎｅｏｉｌｓｉｌｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｊｐｐｐｇＡｎｎｅａｌｉｎＡｌｏｒｉｔｈｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍｏｄｅｌｔｏｅｔａｎａｃｃｅｔａｂｌｅｏｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｒｏｖｉｄｅａｖｉａｂｌｅａｔｈｇｇｐｐｐｐｇｔｏｉｍｌｅｍｅｎｔｌｏｗｆｏｒＵＡＶ．ＡｌａｎｆｏｒＢｏｈａｉＢａＵＡＶｉｓｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｆｏｒｄｅｍｏｎｌｔｉｔｕｄｅｏｉｌｓｉｌｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｂａ－－ｐｙｐｐｇｙｐｓｔｒａｔｉｏｎ．；；；：ｗＫｅｗｏｒｄｓａｔｅｒｗａｔｒａｎｏｒｔａｔｉｏｎｕｎｍａｎｎｅｄａｉｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｏｔｉｍａｌａｔｈｏｆｏｉｌｓｉｌｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎＯＰＯＳＭ）ｐｐｐｐｇ（ｙｙ；；ｏｔｉｍａｌｍｏｄｅｌｏｆａｔｈａｔｈｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎａｌｏｒｉｔｈｍｐｐｇｐｇ
［１］
目前，发达国家普遍采用高空卫星监控和低空航空监控相结合的方法进行溢油监测。利用卫星遥感进行大范围海洋溢油监测，利用低空航空监测验证卫星遥感的监测结果，并对溢油区进行定点、详细的监测。鉴于无人机在监测成本、灵活机动性及操作便利性等方面具有明显的优势，且石油开发平台通常远离大陆，在一段时间内位置相对稳定，可运用无人机设定固定的巡航线路对该区域进行巡航监
［２］
２．２模型的建立海洋溢油监测主要针对的是钻井平台，假设无人机可以在任意一个海洋平台降落加油，监测完所有平台后无需返回至起始点。由于每次起飞、降落会产生时间和经济成本，故在海洋溢油监测中得到一条较优路径需考虑总路径长度与降落次数两个关键要素。首先，对监测范围内的ｎ个钻井平台进行编号， …，，其中依次为１，ｎ。距离矩阵Ｄ＝（ｄ２，３，ｉｎ×ｎ）ｊ， …，ｄｉ、ｉｎ；Ｄ为实对称矩２，ｊ两点距离，ｊ＝１，ｉｊ为阵。无人机从点ｉ出发，遍历所有中间点后到达终点。在此过程中，需根据总路径长度ｆ及降落次数可建立ｍ的权重关系式得到一条较优路径。因此，目标函数为（）Ｍ＝ａ×ｆ＋ｂ× ｍ１ｉｎｍ）式（中：１ａ、ｂ分别为总路程与降落次数的权重，ａ＝１－ｂ。２．３应急监测应急监测是一种较为特殊的海洋溢油监测方式，即已发现确定海域发生漏油，需要无人机在最短的时间内飞往已知海域进行监测。这里采用的无人机系瑞士Ａ１ｅｒｏｓｃｏｕｔ公司生产的ＡｅｒｏｓｃｏｕｔＢ１００－，／自重４巡航速度为３航程ＵＡＶ，４ｋ６～７０ｋｍｈ，ｇ，。极限飞行时长该无人机的航速为４００ｋｍ５～６ｈ和油耗在给定条件下存在正相关关系，其航程与航速之间的关系见图１。
ＲｏｕｔｅＰｌａｎｎｉｎｆｏｒＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＳｉｌｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎａｎｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈＵＡＶｇｐｇ
１２２，ＳＹＪＨｈｉｉａｎ１２，ｕｎｉａｎｕａｏＳＨｆ（，，１．ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＯｃｅａｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｈａｎｈａｉＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＳｈａｎｈａｉ２００２４０，ｙｙｇｇｇｇｙｇ；，，，Ｃｈｉｎａ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＯｃｅａｎａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｈａｎｈａｉＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｇｇｇｇｙ）Ｓｈａｎｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａｇ，，
７卷第１期第３０１４年３月２
中国航海
ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＯＦＣＨＩＮＡ
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１４
（）文章编号：０００－４６５３２０１４０１－０１３６－０４１
基于无人机技术的低空海洋溢油监测巡航路径
伴随经济持续快速发展，人类海洋（特近年来，别是近海）活动频繁。据国际油船船东防污染联合会（ｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴａｎｋｅｒＯｗｎｅｒｓＰｏｌｌｕｔｉｏｎＴ，统计，在过去的４ＦｅｄｅｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄＩＴＯＰＦ）０ａ中，全球每年发生溢油事故多达２世４０余起。同期，界１１２个国家的水域发生过５０ｔ以上的溢油事故。因而，监控海洋溢油、预防海油污染、维护生态
等：基于无人机技术的低空海洋溢油监测巡航路径史一凡，
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测，及时发现和报告溢油状况。
［８］航速。
１国内外研究现状
航迹规划是提高无人机飞行效率的有效手段，目前国内外学者提出了许多无人机航迹规划算法，按照规划决策可以分为传统经典算法和现代智能算容易法。传统的航迹规划算法存在着共同的缺点：