4. 环境感知与航行场景建模

航迹规划不是在一张空白地图上画线，而是要在“看得清、算得准、判得稳”的环境模型上求解。环境感知的任务，是把电子海图、AIS、雷达、气象水文四类来源不同、坐标系不同、更新频率不同的数据，统一到同一时空基准下，形成可供规划算法直接查询的航行场景模型。本节围绕“数据怎么用”和“障碍怎么表达”两条主线展开。

一、四类数据在规划中的分工

电子海图（ENC）提供静态、权威的地理与航行要素：岸线、等深线、航道边界、锚地、禁航区、沉船与障碍物、助航标志。规划中它主要承担两件事：一是构建可航水域的“底图掩膜”，把水深不足、禁止进入的区域从搜索空间中剔除；二是提供航道中心线、转向点等结构化要素，用于生成初始参考航线。使用时必须关注海图的比例尺与使用范围（如 1:45000 的沿海海图不适合港口内精细操纵），以及数据基准——多数 ENC 采用 WGS-84，若与本地坐标混用需先统一。

AIS提供他船的动态信息：MMSI、船位、对地航向/航速（COG/SOG）、船首向、航行状态、船舶尺寸与类型。它的价值在于“意图可读”——能判断对方是锚泊、操纵受限还是正常航行。但 AIS 存在更新间隔随航速变化（锚泊约 3 分钟、航行中数秒至十余秒）、信号遮挡与错误配置等问题，不能作为唯一避碰依据。

雷达提供不依赖他船配合的实测回波，能发现未开启 AIS 的小船、浮标、岸线轮廓，且更新周期短（天线一转约 2～3 秒）。规划中雷达主要用于：验证 AIS 目标的一致性、补充非合作目标、在能见度不良时提供近距障碍的实时位置。

气象水文数据（风、浪、流、潮位）不直接产生障碍，但改变“代价”。顶流与顺流会显著改变对地航速与燃油消耗，横风横流造成漂移角，大浪限制某些航段的可航性。规划时通常把流场作为栅格代价场叠加，把大风浪区域作为高代价区或禁行区处理。

二、静态障碍物的表达方法

静态障碍包括岸线、浅水区、礁石、沉船、养殖区、禁航区、锚泊船（长时间不变的）等。工程上最常用的表达是栅格占据图：把规划区域按固定分辨率（如 10 m×10 m 或 20 m×20 m）离散，每个栅格标记“可航/不可航/代价”。分辨率的选择要与任务尺度匹配——港内操纵用 5～10 m，沿海航段用 20～50 m 即可，过细会显著增加搜索量。

关键一步是障碍膨胀。船不是质点，规划出的航线必须保证船体任何部分都不触碰障碍。做法是以障碍栅格为中心，向外扩张一个半径 R：

R = 船长/2 + 安全裕量
示例：船长 120 m，安全裕量取 2 倍船宽（约 40 m）
R = 60 + 40 = 100 m → 按 20 m 栅格膨胀 5 圈

膨胀后得到的“配置空间”中，船可视为质点，搜索算法只需判断点是否落在可航栅格内。对于航道边界这类线性要素，还可额外保留“中心线 + 半宽”的矢量表达，便于生成沿航道走向的初始航线，再与栅格结果互相校验。

三、动态障碍物的表达方法

动态障碍的核心难点是“它会在你到达之前移动”。仅记录他船当前位置是不够的，必须表达其未来一段时间内可能出现的位置集合。常用做法是预测域（也称不确定域）：以当前船位为起点，沿 COG 方向按 SOG 外推，横向按预测误差扩展。例如预测 6 分钟，某船 SOG 12 kn（约 6.2 m/s），则纵向长度约 2200 m；横向不确定度取 0.5～1 倍船长，形成一条“胶囊形”区域。

规划时采用时间窗校验：把规划航线按时间离散（如每 30 s 一个节点），在每个时刻检查本船位置是否落入任一他船的预测域。若落入，则该航段代价大幅提高或直接判为冲突，触发绕行或变速。这样就把“空间避碰”转化为“时空联合校验”，比单纯看最近距离更可靠。

四、一个可执行的建模流程示例

以某沿海航段规划为例（参数为教学假设）：规划区域 20 km×15 km，栅格 20 m；本船船长 120 m、船宽 20 m，安全裕量取 40 m，膨胀半径 100 m。步骤如下：

1. 导入 ENC，提取岸线、等深线（取本船吃水 + 富余水深对应的等深线，如 10 m）、禁航区，栅格化为静态占据图。
2. 对静态障碍按 R=100 m 膨胀，得到可航掩膜。
3. 接入 AIS 与雷达，关联去重后得到动态目标列表，每个目标生成 6 分钟预测域。
4. 叠加流场：顺流区代价系数取 0.8，逆流区取 1.3，横流区按漂移角修正航向。
5. 在可航掩膜上运行 A*，代价 = 航程 × 流代价系数 + 动态冲突惩罚；对每个候选航段做时间窗校验。
6. 输出航路点序列，并检查最小转向半径、与障碍最近距离是否满足裕量。

结果判断上，重点看三项：规划航线是否全程位于膨胀后的可航区；各时间节点与本船预测域的最小距离是否大于安全阈值；总代价是否明显低于直航方案（若绕行代价过高，说明膨胀半径或流代价系数设置偏保守，需要复核）。当 AIS 目标状态发生跳变或雷达出现新回波时，场景模型应增量更新并触发局部重规划，而不是整图重算。

综上，环境感知到场景建模的关键，是把四类数据各自“翻译”成规划算法能消费的形式：ENC 变成可航掩膜与矢量要素，AIS/雷达变成带预测域的动态目标，气象水文变成代价层，再统一到同一坐标系、同一时间基准和同一栅格分辨率下。静态障碍靠膨胀保证几何安全，动态障碍靠时间窗校验保证时序安全，二者共同构成航迹规划的可行域与代价场。