A Method for Hierarchical Route Planning of Small ships in Coastal Area Using Quadtree Chart

Abstract

운송 수단의 경로 계획은 그 목적에 따라 다른 경로 계획용 지도의 자료구조와 경로 계획 알고리즘을 사용한다. 소형선의 경로 계획은 소형선의 작은 크기, 소형선이 주로 운항하는 해역 그리고 개인이 주로 운용한다는 점을 고려하여 적절한 경로 계획용 지도의 자료구조와 경로 계획 알고리즘을 선택하는 것이 필요하다. 일반적으로 전자해도는 International Hydrographic Organization (IHO)에서 규정한 전자해도 표준 형식에 따라 제작되며 전자해도의 객체들은 위경도 좌표로 표현되어 있어 경로 계획에 직접 사용하기엔 어려움이 있다. 본 연구에서는 지형을 일반적인 균일 격자해도에 비해 해도의 총 노드 수를 줄일 수 있는 쿼드트리를 사용하여 경로 계획용 해도를 구현하였다. 쿼드트리 해도는 연안과 같은 복잡하고 작은 장애물들이 산재한 지역을 소형선이 통항할 수 있는 수준의 정교함으로 표현한다. 또한, 소형선은 연안에서도 마리나 내부에서 항해하는 경우가 빈번함으로 마리나 내부 특성을 고려하기 위해 보로노이 다이어그램을 사용하여 제작한 중앙선을 다른 경로 계획용 해도로 선정하였다. 경로 계획 알고리즘으로는 Hierarchical Pathfinding A* (HPA*)를 사용하였다. HPA*는 해도를 계층적으로 분할하고 계층에 따라 순차적으로 경로 계획을 진행하여 경로 계획에 필요한 메모리 사용량과 경로 계획 시간을 크게 단축할 수 있다. 또한, 본 연구에선 경로의 품질을 높이기 위해 다단계 smoothing 방법을 적용하여 사용자 경험을 높이는 경로를 제공하였다. 본 연구는 쿼드트리와 보로노이 다이어그램, HPA*를 활용하여 다양한 해상 객체들을 고려한 빠른 경로 계획 프로그램을 제작하였고 다양한 연안 지역에서 검증하였다.

Route planning of vehicles uses different techniques for the route planning map and route planning algorithms according to the purpose of route planning. The small size of the ship, the coastal areas where the small ships are mainly operated, and the fact that individuals mainly operate them are major considerations for choosing a technique for the route planning map and route planning algorithm. Electronic navigational charts are generally produced according to the standard form regulated by the International Hydrographic Organization (IHO). Objects on the electronic navigational chart are represented in vector format, making it difficult to use them directly for the route planning. In this study, a quadtree, which can reduce the number of node of the charts compared to regular grid charts by representing topography with non-uniform grid sizes, was used to represent route planning charts. The quadtree chart can represent areas with complex and small obstacles with a high level of sophistication that small ships can pass through. In addition, since small ships frequently sail inside the marina, the centerline created using the Voronoi diagram was selected as the route planning charts to consider the characteristics of the marina. For the route planning algorithm, Hierarchical Pathfinding A* (HPA*) was used. HPA* divides the chart hierarchically and sequentially proceeds the route planning according to the hierarchy. Moreover, a multi-step smoothing was applied to improve the quality of the route and enhance user experience. In this study, a route planning program considering various objects for sailing was developed using the quadtree, Voronoi diagram, and HPA* and it verified in various coastal areas.