本發(fā)明涉及一種多無人機(jī)輔助的船舶排放檢測方法，屬于多無人機(jī)排放監(jiān)測。

背景技術(shù)：

1、在經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展下，國際貨物運輸?shù)男枨箫@著上升。在眾多運輸手段中，海運因其較低的成本和高效的遠(yuǎn)程運輸能力，通常被視為最為便捷的選擇。隨著航運業(yè)的發(fā)展，其所帶來的污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是船舶航行排放所造成的污染問題。排放控制區(qū)的建立是緩解沿海地區(qū)環(huán)境污染的關(guān)鍵措施之一，并且相關(guān)管理部門采取多種措施對海域中行駛的船舶進(jìn)行排放監(jiān)管，同時對排放控制區(qū)的船舶有著更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和更大的監(jiān)管力度。但仍有大量的船舶追求經(jīng)濟(jì)效益，鋌而走險，置法律法規(guī)于不顧。同時，傳統(tǒng)的排放監(jiān)測方式主要依賴于沿海監(jiān)測站和技術(shù)人員登船等手段，這些方法存在監(jiān)測效果不盡人意、需要大量人力和資源、以及存在效率較低、靈活性差等諸多局限。

2、無人機(jī)憑借其卓越的靈活性和按需調(diào)度能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類環(huán)境檢測任務(wù)。其高機(jī)動性使得無人機(jī)能夠高效地覆蓋廣泛區(qū)域，進(jìn)行實時探測。盡管單一無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時具有較高的機(jī)動性和靈活性，但其也存在一些局限性。例如，單無人機(jī)的作業(yè)范圍和續(xù)航能力有限，且在面對大范圍或復(fù)雜環(huán)境時，可能無法高效完成任務(wù)。此外，單機(jī)的故障或性能不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致任務(wù)中斷或數(shù)據(jù)丟失。

3、與之相比，采用多無人機(jī)作業(yè)的方式則能夠克服這些缺點。多無人機(jī)通過分工合作，顯著提高任務(wù)的覆蓋范圍和處理效率。多個無人機(jī)可以在不同區(qū)域同時進(jìn)行監(jiān)測，從而縮短任務(wù)完成時間。此外，多無人機(jī)還具備較強(qiáng)的容錯能力，如果其中一架出現(xiàn)問題，其他無人機(jī)可以迅速補(bǔ)充，確保整體任務(wù)的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

4、多無人機(jī)輔助排放檢測可以顯著節(jié)省人力和時間資源，但考慮到無人機(jī)的電池容量有限，需要精細(xì)規(guī)劃無人機(jī)的軌跡，使其能夠完成盡可能多的檢測任務(wù)。

5、當(dāng)前現(xiàn)有研究多聚焦于無人機(jī)如何在船舶航行過程中進(jìn)行檢測，而對多無人機(jī)檢測和船舶檢測覆蓋率的研究較少。例如，?一種基于飛行平臺的船舶排放檢測方法及系統(tǒng)，提供了一種基于飛行平臺的船舶排放檢測方法及系統(tǒng)。該方法通過多旋翼無人機(jī)配備紅外相機(jī)、激光測距儀和氣體傳感器模塊，進(jìn)行船舶排放檢測。但面對大范圍海域的多艘船舶時，缺乏對多無人機(jī)的路徑規(guī)劃與任務(wù)分配，在檢測效率和覆蓋率上仍有不足。

6、因此，亟需一種多無人機(jī)輔助的船舶排放檢測方法，能夠在任務(wù)海域的船舶航行場景中，并考慮到能量與時間的約束，盡可能多地對船舶進(jìn)行檢測，提高檢測效率和檢測覆蓋率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種多無人機(jī)輔助的船舶排放檢測方法，采用無人機(jī)檢測技術(shù)，并同時部署多架無人機(jī)進(jìn)行輔助排放檢測，從而節(jié)省人力和時間資源，提高檢測效率與檢測覆蓋率。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種多無人機(jī)輔助的船舶排放檢測方法，所述方法適用于無人機(jī)，包括：

4、接收監(jiān)管中心發(fā)送的無人機(jī)執(zhí)行檢測任務(wù)的軌跡計劃，其中，所述檢測任務(wù)以任務(wù)海域內(nèi)的船舶作為檢測目標(biāo)，所述軌跡計劃基于遺傳算法的軌跡規(guī)劃方法生成；

5、按照軌跡計劃在任務(wù)海域內(nèi)執(zhí)行檢測任務(wù)，通過無人機(jī)上預(yù)先搭載的傳感器檢測船舶排放的氣體及可吸入顆粒物濃度，并將檢測得到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)管中心，完成船舶對應(yīng)的檢測任務(wù)；當(dāng)?shù)竭_(dá)任務(wù)截止期限或所有任務(wù)完成時，無人機(jī)返回基站。

6、進(jìn)一步的，所述軌跡計劃的生成方法包括：

7、步驟1-1：在任務(wù)海域內(nèi)，獲取船舶信息；部署無人機(jī)，并獲取無人機(jī)信息；

8、步驟1-2：根據(jù)無人機(jī)信息和船舶信息，通過染色體構(gòu)建方法編碼生成染色體，其中，染色體表示無人機(jī)將執(zhí)行的任務(wù)序列；

9、步驟1-3：通過可行解生成方法計算染色體的可行解，并更新記錄最佳解；其中，可行解包括無人機(jī)的軌跡計劃；

10、步驟1-4：重復(fù)步驟1-2至步驟1-3，生成包含多條染色體的第一代種群；

11、步驟1-5：基于第一代種群，通過輪盤賭選擇法選擇染色體，并通過染色體重構(gòu)方法生成新一代染色體；

12、步驟1-6：將新一代染色體通過交叉和變異操作產(chǎn)生新后代，形成新一代種群；

13、步驟1-7：通過可行解生成方法更新新一代種群中每個染色體的可行解，并記錄最佳解；

14、步驟1-8：重復(fù)步驟1-5至步驟1-7，迭代進(jìn)化種群，得到最佳解，作為最終生成的軌跡計劃。

15、進(jìn)一步的，所述步驟1-2中，根據(jù)無人機(jī)信息和船舶信息，通過染色體構(gòu)建方法編碼生成染色體，包括：

16、步驟2-1：根據(jù)任務(wù)的緊急性和重要性調(diào)整任務(wù)排序，為架無人機(jī)確定其首先要執(zhí)行的任務(wù)，其中，設(shè)計獎勵值公式對所有任務(wù)進(jìn)行降序排序，無人機(jī)從前的任務(wù)中隨機(jī)選擇一個任務(wù)；

17、步驟2-2：在后續(xù)任務(wù)分配中，設(shè)計新的獎勵值公式，使用貪婪策略選擇使獎勵值最大的任務(wù)目標(biāo)；

18、步驟2-3：根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)序列進(jìn)行染色體編碼，染色體表示架無人機(jī)將執(zhí)行的任務(wù)序列，染色體表示為公式定義的二維向量：

19、；

20、,；

21、其中，是無人機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)序列，定義為無人機(jī)執(zhí)行的第個任務(wù)，是無人機(jī)將執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量。

22、進(jìn)一步的，所述步驟2-1中，獎勵值公式為：

23、；

24、其中，為獎勵值，為的權(quán)重，表示無人機(jī)與任務(wù)的初始位置之間的距離，越高則說明其重要性越高，越小則說明任務(wù)的緊急程度越高。

25、進(jìn)一步的，所述步驟2-2中，新的獎勵值公式如下：

26、；

27、其中，為新的獎勵值，為的權(quán)重，表示當(dāng)前任務(wù)與下一個任務(wù)初始位置之間的距離。

28、進(jìn)一步的，所述步驟1-3中，通過可行解生成方法計算染色體的可行解，包括：

29、步驟3-1：給定一條染色體，定義一個失敗任務(wù)集，記錄因時間不足或能量不足導(dǎo)致的任務(wù)失敗；

30、步驟3-2：通過時間連續(xù)的工作狀態(tài)來構(gòu)建無人機(jī)的軌跡計劃，其中表示軌跡計劃的總狀態(tài)數(shù)量；軌跡計劃中的狀態(tài)以表示；其中，表示狀態(tài)目標(biāo)；和分別表示狀態(tài)的起止位置；表示無人機(jī)在狀態(tài)下的飛行速度；和分別表示狀態(tài)的起止時間；表示無人機(jī)在狀態(tài)下的飛行軌跡；逐個生成無人機(jī)的軌跡計劃；對于無人機(jī)，按照染色體中的任務(wù)序列執(zhí)行任務(wù)；

31、步驟3-3：對于無人機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)，為從當(dāng)前位置前往任務(wù)執(zhí)行位置，創(chuàng)建飛行狀態(tài)；之后創(chuàng)建檢測狀態(tài)；檢查無人機(jī)在狀態(tài)結(jié)束時的能量水平，存在兩種情況：能量水平較低，或者剩余能量充足；

32、步驟3-4：當(dāng)無人機(jī)的剩余能量為負(fù)或不足以飛往最近的基站，則其處于能量水平較低的情況，無人機(jī)需要在執(zhí)行任務(wù)之前，前往基站更換電池，相應(yīng)地生成四種狀態(tài)：從當(dāng)前位置飛往最近基站的飛行狀態(tài)、充電狀態(tài)、從基站再次前往執(zhí)行任務(wù)的飛行狀態(tài)以及檢測狀態(tài)；如果在狀態(tài)結(jié)束時違反了完成時間約束或截止時間約束，暫時放棄該任務(wù)并將其記錄為失敗任務(wù)；如果在狀態(tài)結(jié)束時無人機(jī)的能量水平仍然較低，也暫時放棄該任務(wù)并將其記錄為失敗任務(wù)；否則，狀態(tài)是可行的且予以保存，并更新無人機(jī)的軌跡計劃；

33、步驟3-5：如果無人機(jī)剩余能量足以前往最近的基站，檢查是否滿足完成時間約束和截止時間約束，如果違反了約束，則暫時放棄任務(wù)，否則，說明無人機(jī)可以順利執(zhí)行任務(wù)，并更新的軌跡計劃；

34、步驟3-6：將失敗任務(wù)集中的任務(wù)從對應(yīng)染色體中刪除，得到可行解與失敗任務(wù)集，可行解由全部無人機(jī)的軌跡計劃構(gòu)成，計算公式為：。

35、進(jìn)一步的，所述步驟1-5中，通過染色體重構(gòu)方法生成新一代染色體，包括：

36、步驟4-1：通過染色體重建方法，基于失敗任務(wù)集的失敗歷史信息，將失敗任務(wù)插入給定的染色體中來重建染色體；

37、步驟4-2：將失敗任務(wù)集的失敗任務(wù)迭代插入給定染色體的副本；

38、步驟4-3：根據(jù)序列長度選擇染色體中的任務(wù)序列；

39、步驟4-4：從失敗任務(wù)集中隨機(jī)選擇一個任務(wù)；根據(jù)歷史失敗原因分別進(jìn)行調(diào)整；如果任務(wù)因為時間不足而失敗，則有更大概率將其放在任務(wù)序列的前面位置；如果任務(wù)因能量不足而失敗，則有更大概率將其插入任務(wù)序列中較近的任務(wù)之后。

40、進(jìn)一步的，所述步驟1-6中，將新一代染色體通過交叉和變異操作產(chǎn)生新后代，包括：

41、步驟5-1：交叉操作中，將給定染色體的二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為兩個線性結(jié)構(gòu)，選擇并交換兩個線性結(jié)構(gòu)的隨機(jī)段；

42、步驟5-2：刪除兩個線性結(jié)構(gòu)中的重復(fù)任務(wù)，隨后轉(zhuǎn)化為二維結(jié)構(gòu)，作為新的后代；

43、步驟5-3：在變異操作中，給定一條染色體，將其轉(zhuǎn)化為線性結(jié)構(gòu)，隨機(jī)選擇兩個任務(wù)并交換，將線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為新染色體的二維結(jié)構(gòu)。

44、進(jìn)一步的，所述方法的優(yōu)化目標(biāo)為找到權(quán)重和最大的可行解，權(quán)重和的計算公式如下：

45、；

46、其中，包含所有已經(jīng)完成的任務(wù)，計算公式如下：

47、。

48、進(jìn)一步的，所述方法的約束條件包括：

49、能量約束：限制無人機(jī)的能量水平在任何時間不能為負(fù)；

50、連續(xù)性約束：限制無人機(jī)在軌跡計劃中的狀態(tài)必須隨時間連續(xù)；

51、完成時間限制：保證任務(wù)必須在船舶到達(dá)港口前完成；

52、截止期限約束：保證任務(wù)必須在預(yù)定義截止期限前完成，否則舍棄任務(wù)；

53、距離約束：限制無人機(jī)之間保持安全距離；

54、位置約束：限制無人機(jī)與船舶在計劃位置相遇。

55、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

56、本發(fā)明提供一種多無人機(jī)輔助的船舶排放檢測方法，采用無人機(jī)檢測技術(shù)，并同時部署多架無人機(jī)進(jìn)行輔助排放檢測，不僅提高了檢測效率與檢測覆蓋率；同時引入基于失敗歷史的染色體構(gòu)建方法，以此獲得更高質(zhì)量的種群，還在任務(wù)分配過程中引入了基于任務(wù)權(quán)重和距離優(yōu)化的獎勵值公式，優(yōu)化了無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行順序。與傳統(tǒng)單無人機(jī)作業(yè)或基于靜態(tài)算法的多無人機(jī)作業(yè)不同，本發(fā)明考慮了一個動態(tài)場景，且考慮時間與能量的多種約束條件，并能夠根據(jù)實時任務(wù)要求動態(tài)調(diào)整任務(wù)分配策略，更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境中的變化和任務(wù)優(yōu)先級的差異，從而實現(xiàn)了更高的檢測效率與覆蓋率。