一种海上搜救路径规划方法和装置
本发明属于海上救援，具体而言，涉及一种海上搜救路径规划方法和装置。
背景技术：
1、随着信息技术和人工智能的不断发展，海上移动目标搜索路径规划技术也可以不断创新和提高。该技术可广泛应用于海上救援、海洋环境监测、海上交通管制和海战场目标搜寻等领域，可以为海上行业的安全和发展带来更加可靠和高效的保障。
2、目前，海上搜救路径规划主要以搜索规划理论为基础，即最大化成功概率(probability of successful search，pos)、包含概率(probabilityof containment，poc)和发现概率(probability of detection，pod)；搜索理论的表达式为 pos=poc×pod。
3、然而，搜索规划理论规划路径的过程中，注重于最佳搜索路径以提高搜索效率，节约搜索时间。但是，考虑到救援船舶的航行速度和搜索耗时，搜索规划理论对于最佳搜索区域确定和搜索资源分配等方面较为薄弱，通常并不能得到更优的搜索任务区域的大小和搜索任务点的分配比重，也就无法得到更优的搜索路径。
技术实现思路
1、本发明实施例提供了一种海上搜救路径规划方法和装置，其目的在于解决现有的搜索规划理论不能得到更优的搜索任务区域的大小和搜索任务点的分配比重的问题。
2、鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：
3、第一方面，一种海上搜救路径规划方法，所述方法包括：
4、根据海上遇险目标确定搜救区域，获得所述搜救区域的海洋动力学环境数据和图像数据，利用所述海洋动力学环境数据和所述图像数据构建所述搜救区域的环境模型场，所述环境模型场包括可用救援船舶的总量、多个网格区域和多个搜索任务点；
5、根据所述环境模型场确定可用救援船舶的总量，同时根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域；
6、利用多智能体协同算法根据各所述搜索任务区域为对应的所述可用救援船舶规划搜索路径。
7、进一步地，所述根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，包括：
8、确定各所述可用救援船舶的搜索起始点；
9、根据所述环境模型场的总面积和各所述可用救援船舶的速度的比例关系划分所述搜索任务区域的大小；
10、根据各所述搜索任务点与各所述搜索起始点的距离关系将所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域。
11、进一步地，所述确定各所述可用救援船舶的搜索起始点，包括：
12、根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量；
13、将各所述可用救援船舶距离所述环境模型场最近的所述搜索任务点作为所述搜索起始点。
14、进一步地，所述根据所述环境模型场的总面积和各所述可用救援船舶的速度的比例关系划分所述搜索任务区域的大小，包括：
15、计算各所述可用救援船舶搜索所述环境模型场的理论搜索总耗时；
16、所述理论搜索总耗时的计算公式如下：
17、
18、式中： t为理论搜索总耗时；
19、 a为环境模型场的总面积；
20、 s为可用救援船舶的航行速度；
21、根据各所述理论搜索总耗时计算各所述可用救援船舶的实际搜索耗时；
22、所述实际搜索耗时的计算公式如下：
23、
24、式中： t实为可用救援船舶的实际搜索耗时；
25、 t行为可用救援船舶从原始位置搜索起始点；
26、依据各所述可用救援船舶的实际搜索耗时和所述搜索任务区域的总量将所述环境模型场按比例划分各所述搜索任务区域的总面积和确定任务容量。
27、进一步地，所述根据各所述搜索任务点与各所述搜索起始点的距离关系将所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，包括：
28、计算剩余的所述搜索任务点与各所述可用救援船舶的搜索起始点的曼哈顿距离；
29、依据各所述可用救援船舶的曼哈顿距离将剩余的所述搜索任务点分配至距离最近的所述搜索任务区域。
30、进一步地，所述根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，进一步包括：
31、优化各所述搜索任务区域的搜索任务点，包括：
32、计算各所述搜索任务区域的目标函数，得到各所述搜索任务区域的距离总和；
33、当所述搜索任务区域的距离总和超过预设阈值，将超过预设阈值的所述搜索任务区域的搜索任务点重新分配至最近的所述搜索任务区域。
34、进一步地，所述目标函数的计算公式如下：
35、
36、 j为目标函数；
37、 k为搜索任务区域的总量；
38、 c i为第 i个搜索任务区域；
39、 x为搜索任务区域的搜索任务点；
40、 p i是搜索起始点；
41、 d( x, p i)为搜索任务点到第 i个搜索任务区域最近的曼哈顿距离，
42、。
43、进一步地，所述多智能体协同算法包括：路径规划模型、环境建模与动作空间模型、奖励函数模型和dqn模型。
44、进一步地，所述奖励函数模型的计算公式如下：
45、
46、 r exp为探索奖励：指可用救援船舶进入新的网格区域时获得所述探索奖励；
47、 r limit为限制状态惩罚：指可用救援船舶越界或进入障碍物区域时给予相应的惩罚；
48、 r cov为重复覆盖惩罚：指可用救援船舶进入已搜索的网格区域时给予相应的惩罚；
49、 r exsteps为终止状态惩罚：指可用救援船舶的航行距离超过预设最大学习航行距离 n max时，将可用救援船舶置于终止状态 s exsteps并给予相应的惩罚；
50、 r unit为完成全覆盖的固定奖励：指可用救援船舶完成搜索任务区域时获得固定的奖励；
51、 r pre为高效路径奖励：指可用救援船舶以小于预设转向阈值的转向次数完成搜索任务区域时获得的额外奖励。
52、第二方面，一种海上搜救路径规划装置，所述装置包括：
53、模型场构建模块，被配置为根据海上遇险目标确定搜救区域，获得所述搜救区域的海洋动力学环境数据和图像数据，利用所述海洋动力学环境数据和所述图像数据构建所述搜救区域的环境模型场，所述环境模型场包括可用救援船舶的总量、多个网格区域和多个搜索任务点；
54、分配模块，被配置为根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域；
55、规划模块，被配置为利用多智能体协同算法根据各所述搜索任务区域为对应的所述可用救援船舶规划搜索路径。
56、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：基于创建的环境模型场，通过搜索起始点与可用救援船舶的相对位置与距离，以全局最优为导向为各可用救援船舶分配搜索任务点，并为各可用救援船舶提供路径规划，实现全局覆盖。从而能够降低各可用救援船舶的工作量，节约了搜索时间。
57、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
技术特征：
1.一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，包括：
3.根据权利要求2所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述确定各所述可用救援船舶的搜索起始点，包括：
4.根据权利要求2所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述根据所述环境模型场的总面积和各所述可用救援船舶的速度的比例关系划分所述搜索任务区域的大小，包括：
5.根据权利要求4所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述根据各所述搜索任务点与各所述搜索起始点的距离关系将所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，包括：
6.根据权利要求5所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域，进一步包括：
7.根据权利要求 1 所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在15 于，所述目标函数的计算公式如下：
8.根据权利要求 1 所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述多智能体协同算法包括：路径规划模型、环境建模与动作空间模型、奖励函数模型和 dqn 模型。
9.根据权利要求 8 所述的一种海上搜救路径规划方法，其特征在于，所述奖励函数模型的计算公式如下：
10.一种海上搜救路径规划装置，其特征在于，所述装置包括：
技术总结
本发明提供了一种海上搜救路径规划方法和装置，属于海上救援技术领域，所述方法包括：根据海上遇险目标确定搜救区域，获得所述搜救区域的海洋动力学环境数据和图像数据，利用所述海洋动力学环境数据和所述图像数据构建所述搜救区域的环境模型场；根据所述可用救援船舶的总量确定搜索任务区域的总量和大小，再将各所述搜索任务点分配至所述搜索任务区域；利用多智能体协同算法根据各所述搜索任务区域为对应的所述可用救援船舶规划搜索路径。本发明通过搜索起始点与可用救援船舶的相对位置与距离，以全局最优为导向为各可用救援船舶分配搜索任务点，并提供路径规划，实现全局覆盖。
技术研发人员：艾波,李苯帅,吕冠南,尚恒帅,冯文君,庞振勇,朱琪琪
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23