林恩凡，許江寧，安 文

改進(jìn)蟻群算法在海洋信標(biāo)回收中的應(yīng)用

林恩凡，許江寧，安 文

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對現(xiàn)有海洋信標(biāo)的回收主要借助于經(jīng)驗或基于人工判斷，導(dǎo)致浪費大量人力物力的問題，提出1種基于精英蟻群算法的信標(biāo)回收方法：介紹蟻群算法模型，并在改進(jìn)的精英蟻群算法基礎(chǔ)上，根據(jù)航跡運動方程對航跡進(jìn)行優(yōu)化；然后通過實現(xiàn)航行器的自治或半自治的航跡規(guī)劃，應(yīng)用到海洋信標(biāo)的回收中。實驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)算法相比，該算法具有路徑短、收斂快、航跡平滑等優(yōu)點，能有效指導(dǎo)航行器的定位，可以滿足針對海洋信標(biāo)回收的航跡規(guī)劃的要求。

海洋信標(biāo)；信標(biāo)回收；航跡規(guī)劃；精英蟻群算法；航跡優(yōu)化

0 引言

海洋信標(biāo)作為1種重要的海洋探測設(shè)備，通常搭載集成著很多造價昂貴的儀器儀表，能夠廣泛地應(yīng)用到海洋測繪、船舶導(dǎo)航以及其他海洋研究中；不論是潛標(biāo)還是浮標(biāo)，其布放與回收都會耗費大量的人力物力[1-4]。針對信標(biāo)的回收問題，研究合適的算法進(jìn)行航跡規(guī)劃，能夠提高海洋信標(biāo)的回收效率，節(jié)省大量人力物力。

航跡規(guī)劃是按照一定的方法和評價標(biāo)準(zhǔn)，去尋找1條或多條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最佳路徑[5-9]。主要環(huán)節(jié)包括環(huán)境建模、航跡搜索和生成、航跡優(yōu)化和平滑3個部分。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計并建立了南海浮標(biāo)管理信息系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]對沿海和近海的海洋浮標(biāo)拋投與回收方式、作業(yè)方式進(jìn)行了論述；文獻(xiàn)[3-4]基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS），研究了信標(biāo)回收的機(jī)制；文獻(xiàn)[10-12]對浮標(biāo)、潛標(biāo)的回收機(jī)制和搜尋定位設(shè)備進(jìn)行了研究。目前針對海洋信標(biāo)回收的研究主要集中在設(shè)備、拋投與回收方式、信標(biāo)布放位置信息的管理，而在信標(biāo)回收的問題上，往往借助經(jīng)驗或者基于人工判斷去規(guī)劃回收，這會浪費大量的人力物力。針對該問題，本文提出1種基于精英蟻群算法的航跡規(guī)劃方法，并根據(jù)航跡運動方程對航跡進(jìn)行了優(yōu)化平滑。

1 算法數(shù)學(xué)模型

螞蟻ant在信標(biāo)與信標(biāo)之間釋放的信息素濃度模型為

2 改進(jìn)精英蟻群算法

在傳統(tǒng)蟻群算法中，當(dāng)所有的螞蟻都經(jīng)歷完1次迭代后，才會更新信息素，所有螞蟻的信息素都會參與到信息素的更新中，這會導(dǎo)致某些尋找到非常長路徑的螞蟻，對整個蟻群的路徑搜索產(chǎn)生誤導(dǎo)，導(dǎo)致算法收斂速度變慢，甚至影響路徑的最終收斂值。精英蟻群算法是在傳統(tǒng)蟻群算法上，對信息素分配機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，將每次迭代搜索中，搜索出的最短路徑對應(yīng)螞蟻的信息素給予額外增強(qiáng)，對行程加權(quán)，這有助于算法收斂[15]。

改進(jìn)模型為：

規(guī)劃的航跡中，通常會出現(xiàn)大角度直接轉(zhuǎn)向航跡，這種折線航跡對低速與零轉(zhuǎn)向半徑的航行器而言可以使用；而實際上，大型船舶在轉(zhuǎn)向過程中，其航跡絕不允許出現(xiàn)大角度折線的[16]。所以需要對精英蟻群算法規(guī)劃出的航跡進(jìn)行優(yōu)化，以避免折線出現(xiàn)，如圖1所示，經(jīng)過優(yōu)化平滑后的航跡更適用于航行器的運動。

圖1 航跡優(yōu)化原理

圖2給出了本文提出的改進(jìn)蟻群算法的運行流程。

圖2 算法步驟

運用改進(jìn)蟻群算法進(jìn)行海洋信標(biāo)回收的流程為：

1）通過衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋信標(biāo)位置的鍵入，構(gòu)建環(huán)境空間；

2）初始化蟻群算法相關(guān)參數(shù)；

3）構(gòu)建蟻群算法的解空間，包括所有路徑、起始點、終點等；

4）執(zhí)行算法，搜索最優(yōu)路徑，并記錄螞蟻的信息素濃度；

5）根據(jù)公式更新螞蟻的信息素，并進(jìn)行局部搜索判斷是否達(dá)到目的；

6）判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到初始參數(shù)預(yù)設(shè)，若達(dá)到則輸出最優(yōu)解，若否，返回4）；

7）根據(jù)最優(yōu)解的航跡運動方程，進(jìn)行航跡的優(yōu)化。

3 實驗與結(jié)果

仿真實驗在20 m×20 m的范圍內(nèi)隨機(jī)生成20個模擬信標(biāo)點，且盡可能保證分布不均勻和有較多路徑選擇。設(shè)算法中螞蟻數(shù)量為40，信息素重要程度為1，啟發(fā)函數(shù)重要程度因子為5，信息素的揮發(fā)程度參數(shù)為0.1；預(yù)設(shè)常數(shù)為1，迭代次數(shù)為100。仿真在Windows 8.1系統(tǒng)、MATLAB2014b、Intel Core i5-4200H CPU2.80GHZ（2CPUs）、內(nèi)存8 GB、64位操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。

圖3、圖4分別給出了傳統(tǒng)蟻群算法航跡規(guī)劃結(jié)果和本文改進(jìn)蟻群算法航跡規(guī)劃結(jié)果。本文算法和傳統(tǒng)算法的最短路徑長度分別為84.0764和87.1685 m，在如圖3、圖4所示的場景下可優(yōu)化3.0921 m的距離。改進(jìn)算法最短路徑：14→5→12→11→10→13→9→8→6→7→18→17→15→16→19→20→3→ 2→4→1→14，傳統(tǒng)算法最短路徑：19→16→17→15→12→11→10→13→9→8→6→ 7→18→20→3→ 2→ 4→14→ 5→1→19，有效避免重疊路徑的出現(xiàn)。圖5給出了改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法路徑距離與迭代次數(shù)關(guān)系。

圖3 傳統(tǒng)算法仿真結(jié)果

圖4 改進(jìn)算法仿真結(jié)果

圖5 迭代對比結(jié)果

從圖5可以看出，傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法收斂時的迭代次數(shù)分別為14和42，在百次迭代情況下，改進(jìn)算法的收斂速度對比傳統(tǒng)算法的收斂速度可提升百分之66 %。綜合圖3~圖5的實驗結(jié)果可以看出，本文算法相對于傳統(tǒng)算法的航跡規(guī)劃結(jié)果，在路徑長度和迭代收斂速度上都具有明顯優(yōu)勢。規(guī)劃航跡進(jìn)行優(yōu)化平滑后的結(jié)果如圖6所示。對比圖6和圖4可以看出，優(yōu)化后路徑幾乎沒有折線路徑出現(xiàn)，更適合航行器的實際航行。

圖6 優(yōu)化后的路徑

以上分析表明，本文提出的優(yōu)化路徑的精英蟻群算法，可以有效地提高海洋信標(biāo)布放和回收的效率。

4 結(jié)束語

本文為彌補(bǔ)海洋信標(biāo)布放和回收的全局規(guī)劃不足，提出利用優(yōu)化路徑的改進(jìn)精英蟻群算法進(jìn)行航跡規(guī)劃，通過分析傳統(tǒng)蟻群算法的數(shù)學(xué)模型和航跡模型后，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案：通過引入“精英螞蟻”這一概念，優(yōu)化了信息素更新策略，改進(jìn)了航跡運動方程，這使得航跡更平滑，更適合航行器的實際航行。仿真實驗表明：該方法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以滿足海洋信標(biāo)布放與回收航跡規(guī)劃的要求，能有效地指導(dǎo)航行器的導(dǎo)航與定位。

[1] 周保成, 張金尚, 王研, 等. 南海浮標(biāo)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 科技風(fēng), 2019, 32(24): 100.

[2] 董林根. 淺談大型海洋浮標(biāo)拋設(shè)回收作業(yè)[J]. 珠江水運, 2012(19): 83-85.

[3] 張鵬鵬. 基于北斗通信與定位的深?；厥招艠?biāo)系統(tǒng)研制[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2018.

[4] 張炳洋. 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋信標(biāo)回收中的應(yīng)用[C]//中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會智能信息處理產(chǎn)業(yè)化分會、中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會信號處理專家委員會. 第十一屆全國信號和智能信息處理與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議專刊. 北京: 中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會, 2017: 249-252.

[5] 劉潮東. 水下信號處理與航行器路徑規(guī)劃方法[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2006.

[6] TAN L, JIANG J. Adaptive volterra filters for active control of nonlinear noise processes[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2001, 49(8):1667-1676.

[7] SUN X, KUO S M, MENG G. Adaptive filtering of stable processes for active attenuation of impulsive noise[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE). Proceedings of 1995 International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing(ICASSP-95). Detroit, Michigan: IEEE, 1995: 26-32.

[8] WU L, HE H, QIU X. An active impulsive noise control algorithm with logarithmic transformation[J]. IEEE Transactions on Audio, Speech and Language Processing, 2011, 19(4):1041-1044.

[9] LU L, ZHAO H. Adaptive volterra filter with continuous lp-normusing a logarithmic cost for nonlinear active noise control[J]. Journal of Sound and Vibration, 2016, 364: 14-29.

[10] 王瑛. 基于STM8L的潛水信標(biāo)水面無線搜尋裝置的設(shè)計[C]//中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會智能信息處理產(chǎn)業(yè)化

分會. 第九屆全國信號和智能信息處理與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議?？? 北京: 中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會, 2015: 172-175.

[11] 侯彬, 曾釹釙, 高劍, 等. 信號浮標(biāo)布放回收裝置研制[J]. 機(jī)械與電子, 2014(6): 72-75.

[12] 周光輝. 深海設(shè)備回收無線信標(biāo)機(jī)研制[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2014.

[13] 司守奎, 孫璽菁. 數(shù)學(xué)建模算法與應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[14] MARCO D, CHRISTIAN B. Ant colony optimization theory: a survey[J]. Theoretical Computer Science, 2005, 344(2/3): 243-278.

[15] 劉學(xué)芳, 曾國輝, 劉瑾. 基于改進(jìn)蟻群算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2019, 38(10): 129-131, 138.

[16] 榮少巍. 基于改進(jìn)A*算法的水下航行器自主搜索航跡規(guī)劃[J]. 電子科技, 2015, 28(4): 17-19, 22.

Application of improved ant colony algorithm in ocean beacon recycling

LIN Enfan, XU Jiangning, AN Wen

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

Aiming at the problem that it is maily with help of experience or artificial judgment for current recovery of marine beacons, leading to a huge waste of manpower and material resources, the paper proposed a recovery method of marine beacons based on elite ant colony algorithm: the model of ant colony algorithm was introduced, and the track was optimized according to the track motion equation based on the modified elite ant colony algorithm; then the autonomous or semi-autonomous track layout of the aircraft was realized and applied to the recovery of marine beacons. Experimental result showed that the proposed method would have shorter path, faster convergence and smoother track than traditional methods, which could effectively guide the navigation and positioning of the aircraft, meeting the basic requirements of the track planning for marine beacon recycling.

marine beacon; beacon recycling; track planning; elite ant colony algorithm; track optimization

P228

A

2095-4999(2020)03-0053-05

林恩凡，許江寧，安文. 改進(jìn)蟻群算法在海洋信標(biāo)回收中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2020, 8(3): 53-57.（LIN Enfan, XU Jiangning, AN Wen.Application of improved ant colony algorithm in ocean beacon recycling[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(3): 53-57.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200308.

2019-12-02

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0501700，2016YFB0501701）；湖北省基金資助項目（2017CFC865）。

林恩凡（1997—），河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為慣性導(dǎo)航技術(shù)。

許江寧（1964—），江西九江人，博士，教授，研究方向為慣性導(dǎo)航技術(shù)。