Моделирование маршрута судна с помощью кластерного анализа

Темой исследования является проблема прокладывания безопасного маршрута судна при изменении гидрометеорологической обстановки вдоль маршрута судна. Решение данного вопроса основано на разбиении акватории на отдельные кластеры, зависящие от ее характеристик. В качестве примера в статье используется маршрут от порта Пусан до порта Кусиро. Особенность данного маршрута в том, что он пролегает через открытое море, через проливы и архипелаги. Целью работы является автоматизация процесса прокладки маршрута и корректировки его в процессе движения в зависимости от изменения внешних условий. Предложено моделирование маршрута на основе теории графов. Построение графов реализуется с помощью метода кластерного анализа. В процессе анализа акватория пролегания маршрута разбивается на отдельные части, зависящие от расстояния до берегов и основных глубин. Открытые акватории делятся на кластеры большего размера. Вблизи берегов и на малых глубинах кластеризация является менее масштабной. Центроиды кластеров являются вершинами графов будущего маршрута. Это приводит к моделированию графов разного размера. Объединение графов вдоль маршрута формирует гиперграф. В качестве веса ребер графа использовалось расстояние. Для определения наивыгоднейшего маршрута по критерию скорости, стоимости или безопасности добавляются весовые коэффициенты, зависящие от погодных условий и других факторов. В результате такого подхода на гиперграфе появляется несколько маршрутов. В зависимости от веса приоритетного критерия автоматически выбирается маршрут. Предложенный метод может быть в дальнейшем использован для создания систем автоматизированной прокладки оптимальных маршрутов с учетом выбранных критериев при изменяющихся условиях окружающей среды в процессе движения и его перестроения при необходимости.

1. Акмайкин Д. А. Основные принципы и этапы планирования маршрутов судов / Д. А. Акмайкин, В. В. Бочарова, А. В. Гамс // Эксплуатация морского транспорта. — 2023. — № 1 (106). — C. 50–54.

2. Мезенцева Л. И. Практикум по гидрометеорологическому обеспечению судовождения. Ч. 2: Синоптическая метеорология для судоводителей: учеб. пособие / Л. И. Мезенцева, И. С. Карпушин. — Владивосток: Дальрыбвтуз, 2022. — 168 c.

3. Панов Б. Н. Гидрометеорологическое обеспечение судовождения / Б. Н. Панов. — Керчь: Керченский гос. морской технологический ун-т, 2020. — 173 c.

4. Сухина М. И. Гидрометеорологическое обеспечение судовождения / М. И. Сухина, Г. В. Белокур, А. В. Головко. — М.: ИНФРА-М, 2022. — 283 c.

5. Гилёв Ю. С. Кораблевождение / Ю. С. Гилёв, С. А. Верещагин, Д. Н. Рубинштейн, В. Н. Пасешниченко. — Владивосток: ТОВМИ им. С. О. Макарова, 2009. — 456 c.

6. Chelton D. B. Scatterometer-Based Assessment of 10-m Wind Analyses from the Operational ECMWF and NCEP Numerical Weather Prediction Models / D. B. Chelton, M. H. Freilich // Monthly Weather Review. — 2005. — Vol.133. — Is. 2. — Pp. 409–429. DOI: 10.1175/MWR-2861.1.

7. Chelton D. B. On the Use of QuikSCAT Scatterometer Measurements of Surface Winds for Marine Weather Prediction / D. B. Chelton, M. H. Freilich, J. M. Sienkiewicz, J. M. Von Ahn // Monthly Weather Review. — 2006. — Т. 134. — № 8. — Pp. 2055–2071. DOI: 10.1175/MWR3179.1

8. Risien C. M. A satellite-derived climatology of global ocean winds / C. M. Risien, D. B. Chelton // Remote Sensing of Environment. — 2006. — Vol. 105. — Is. 3. — Pp. 221–236. DOI: 10.1016/j.rse.2006.06.017.

9. Александров А. Г. Оптимальные и адаптивные системы / А. Г. Александров. — М.: Высшая школа, 1989. — 263 c.

10. Галеев Э. М. Оптимизация: теория, примеры, задачи / Э. М. Галеев, В. М. Тихомиров— М.: Эдиториял УРСС, 2000. — 320 c.

11. Моисеев Н. Н. Численные методы в теории оптимальных систем / Н. Н. Моисеев. — М.: Наука, 1971. — 424 c.

12. Акмайкин Д. А. Проект системы оперативного анализа и оптимизации движения морских судов / Д. А. Акмайкин, С. Ф. Клюева, П. А. Салюк // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2015. — № 1 (29). — C. 229–236. DOI: 10.21821/2309-5180-2015-7-1-229-236.

13. Васьков А. С. Анализ и выбор методов автоматизированного поиска оптимального маршрута в навигационных комплексах / А. С. Васьков, A. A. Мироненко // Сб. науч. тр. НГМА. — 1997. — Т. 2. — C. 103–119.

14. Васьков В. А. Построение программной траектории маневрирования судна при швартовке / В. А. Васьков, А. А. Мироненко // Эксплуатация морского транспорта. — 2009. — № 4 (58). — C. 25–29.

15. Akmaykin D. A. Solaris’ information system for ship’s navigation, using operational analysis of shipboard and satellite remote sensing data of hydrosphere and atmosphere / D. A. Akmaykin, D. B. Homenko, P. A. Salyuk, I. E. Stepochkin, K. A. Shmirko // Ocean Remote Sensing and Monitoring from Space. — SPIE, 2014. — Vol. 9261. — Pp. 201–210. DOI: 10.1117/12.2069007.

16. Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно-информационные системы / Л. Л. Вагущенко. — Одесса: Феникс, 2004. — 302 c.

17. Дерябин В. В. Планирование перехода в электронных картографических навигационных информационных системах (ЭКНИС): [Электронный ресурс] / В. В. Дерябин. — Электрон. граф. дан. (1,5 Гб). — СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. — эл. опт. диск в картридже 1USB флеш-накопитель.

18. Акмайкин Д. А. Результаты исследований проблемы моделирования графа маршрута судна на основе алгоритмов кластеризации / Д. А. Акмайкин, С. Ф. Клюева, П. А. Салюк // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2016. — № 5 (39). — С. 29–38. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-5-29-38.

19. Кутузов В. М. Морская радиолокация: конспект лекций / В. М. Кутузов, А. А. Коновалов, В. Н. Михайлов. — СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. — 145 c.

20. Дун С. Определение площади и плеча парусности судна-газовоза LNG / С. Дун // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. — 2015. — № 4 (111). — C. 218–221.