本发明涉及无人智能船队自组织的电量补给领域，更具体地说，它涉及一种无人船舶自组织电量补给方法及系统。
背景技术：
1、随着科技的不断进步，无人船队在海洋巡视监控方面应用广泛。
2、然而，现有的无人船队在实际应用中仍存在以下问题：
3、目前，部分无人船队依赖卫星通信进行数据传输。虽然卫星通信能够覆盖广泛的海域，但其资费相对高昂，显著增加了无人船队的运行成本，限制了无人船队在远海环境中的巡视监控的应用。且由于无人船在不同的海域执行任务，船只之间的耗电量存在较大差异，导致某些船只频繁返回港口进行充电，影响了巡视监控效率。
技术实现思路
1、本发明提供一种无人船舶自组织电量补给方法及系统，解决背景技术中提出的技术问题。
2、第一方面，一种无人船舶自组织电量补给方法，包括：
3、步骤s101，在补电港口和巡航区之间设定通信航道，根据设定的通信航道，确定无人船a的数量；无人船a用于从补电港口获得满电电池后运送至海上换电平台，并维持海上换电平台和补电港口之间的数据连接；
4、其中，海上换电平台和补电港口分别作为通信航道的两端，海上换电平台为锚定位置的海上浮台，海上换电平台和补电港口均设置有为无人船自动换电的设备；
5、步骤s102，将作业区分割为若干子区域，并根据子区域数量确定作业区内的无人船b和无人船c的数量；无人船b用于从海上换电平台接收满电电池，并维持无人船c与海上换电平台之间的数据连接；无人船c用于执行巡视监控任务；
6、步骤s103，采集无人船b和无人船c的状态信息，构建电量优化模型；其中，状态信息包括：消耗电量、行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据；
7、步骤s104，基于电量优化模型，对无人船c进行巡视监控和补电的调度。
8、进一步的，根据设定的通信航道，确定无人船a的数量，包括：
9、采集通信航道的长度和换电操作时间；其中，通信航道的长度表示补电港口和海上换电平台之间设定的路径的长度；
10、确定无人船a的移动速度最大为，移动速度表示所有无人船a的速度范围的交集的最大取值；
11、通过确定无人船a在通信航道的往返时间；根据往返时间确定无人船a在作业时间段任意时刻的坐标位置，计算公式如下：
12、无人船a移动时，坐标；
13、无人船a静止时，坐标；其中，和分别表示在无人船a到达补电港口和海上换电平台的时间点，表示该无人船a从补电港口加入通信航道后的运行时间，表示将无人船a在通信航道的行驶的路程基于通信航道的坐标转换为无人船a坐标的操作；
14、通过确定无人船a的信号覆盖范围；其中，h表示无人船a的最大天线高度；基于无人船a任意时刻的坐标和无线信号覆盖范围得到无人船a在作业时间段任意时刻的覆盖区间；逐步迭代增加无人船a的数量，确定无人船a的数量为n；
15、在作业时间段中一个时间段为的任一时刻，确定n只无人船a的无线信号覆盖区间的并集覆盖通信航道。
16、进一步的，将作业区分割为若干子区域，并根据子区域数量确定作业区内的无人船b和无人船c的数量，包括：
17、将作业区分割为若干个子区域，为每个子区域分配一只无人船c；
18、通过暴力法得到每个子区域与其相邻的子区域最大距离，最大距离的数量根据相邻的子区域的数量得到；
19、基于超短波传播距离结合k-means对最大距离聚类，根据最大距离的分布得到若干个信号缺失区域，信号缺失区域为最大距离构建的多边形；
20、通过质心算法确定信号缺失区域的几何中心，并围绕信号缺失区域的几何中心逐步迭代填充无人船b，确定无人船b的信号范围覆盖信号缺失区域。
21、进一步的，无人船c采集到作业区海域的数据后，通过无线信号将数据传输到补电港口，包括：
22、构建树图，将海上换电平台映射为根节点，将无人船b和无人船c均映射为子节点，根据节点的深度对无人船b和无人船c进行分级，以得到树图；
23、按固定时间间隔更新树图，无人船b和无人船c根据相应的节点的深度动态调节节点的分级；节点的深度根据该节点数据通过的最少跳数到达根节点确定；
24、其中，树图中多个n级节点和多个n-1级节点均建立数据连接关系，则将多个n级节点均等分配给多个n-1级节点；
25、根据任一时刻的树图和时间窗的大小，对数据切片传输；
26、通过确定每个二级节点任一时刻的数据传输量；其中，表示无线信号任一时刻的数据传输能力，表示根节点连接的二级节点的数量确定每个二级节点任一时刻的数据传输量；其中，表示无线信号任一时刻的数据传输能力，表示根节点连接的二级节点的数量；
27、通过确定每个三级节点任一时刻的数据传输量；其中，表示任一二级节点的子节点数量，表示该二级节点的类型；若该二级节点的类型为无人船c则为1，为无人船b则为0；通过循环该过程得到每个节点单位时间的数据传输大小；
28、任一时刻下若树图中的第i个节点为无人船c，则判断第i个节点是否为叶子节点；若第i个节点为叶子节点，则第i个节点的数据切片大小等于第i个节点任一时刻的数据传输量；若第i个节点为中间节点，则第i个节点的数据切片大小等于第i个节点的子节点的任一时刻的数据传输量；
29、每个时间窗口的切片数据均标记时间戳，无人船a、b和c在传输时以时间戳为优先级，优先传输时间戳较早的切片数据；若无人船a、b和c时间戳相同，则优先传输较小的切片数据。
30、进一步的，采集无人船b和无人船c的状态信息，构建电量优化模型，包括：
31、按固定时间间隔t采集无人船b和无人船c的消耗电量、行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据；水流大小和水流方向通过无人船b和无人船c船身设置的监测单元测量得到；
32、将行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据归一化并构建训练样本，将消耗电量归一化后作为训练样本的样本标签；以得到电量优化模型的训练集；
33、电量优化模型包括输入层和若干隐藏层，输入层用于输入行驶速度、水流大小和水流方向数据归一化后构建的特征向量；隐藏层用于输出特征向量的更新状态，更新状态输出到分类器中，分类器的分类空间表示基于该行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向在一个时间间隔t的消耗电量；电量优化模型通过均误方差损失函数反向更新隐藏层的权重参数和偏置参数，通过交叉验证确定电量优化模型收敛。
34、进一步的，基于电量优化模型，对无人船c进行巡视补电的调度，包括：
35、采集无人船c的局域权重，局域权重表示在任意时刻模拟屏蔽该无人船c的超短波信号，局域网络中断开数据连接的无人船b和无人船c的数量，将局域权重为0且电量高于预设的高电量阈值的无人船c作为备选船，将备选船只所在的区域作为备选区域；
36、按固定时间间隔t采集的无人船b、无人船c和海上换电平台的剩余电量，无人船b和无人船c坐标；将低于预设的低电量阈值的无人船b和低于预设的中电量阈值的无人船c分别作为第一补电船和第二补电船；
37、判断第二补电船和备选船是否存在重合的无人船c；
38、若存在重合的无人船c，则将重合的无人船c直接替换部分第一补电船，将备选船中剩余的无人船c直接替换部分第二补电船，被替换的第二补电船再次替换部分第一补电船；
39、若不存在重合的无人船c，则将备选船中的无人船c直接替换部分第二补电船，被替换的第二补电船再次替换部分第一补电船；
40、被替换的第一补电船前往海上无人平台执行更换满电电池任务，被替换的第二补电船前往第一补电船的位置执行数据连接任务，第一补电船更换满电电池任务后前往备选区域执行巡视监控任务。
41、进一步的，基于电量优化模型，对无人船c进行巡视监控的调度，包括：
42、采集第i个时刻的无人船b和无人船c的行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据，基于行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据确定下一个时间间隔t内的无人船b和无人船c的消耗电量，得到第i＋t个时刻的无人船b和无人船c的剩余电量；
43、根据无人船b第i个时刻的风力大小、风力方向、水流大小和水流方向，通过电量优化模型确定第i＋t个时刻的第一补电船的数量；
44、比较备选船的数量和第一补电船的数量；
45、若备选船的数量≤第一补电船的数量，则通过调控无人船c的行驶速度调整下一个时间间隔t内的无人船c的消耗电量，确定第i＋t个时刻的第二补电船的数量＝备选船数量；
46、若备选船的数量＞第一补电船的数量，则通过调控无人船c的行驶速度调整下一个时间间隔t内的无人船c的消耗电量，确定第i＋t个时刻的第二补电船的数量＝第一补电船的数量；
47、其中，通过优化算法结合电量优化模型判断得到第i个时刻无人船c的行驶速度。
48、进一步的，通过优化算法结合电量优化模型判断得到第i个时刻无人船c的行驶速度，包括：
49、随机生成符合约束条件的个体数量为r的初始化粒子群，并初始化当前迭代次数为1；
50、对个体进行编码，编码的每项元素分别表示行驶速度、行驶方向、风力大小、风力方向、水流大小和水流方向数据；编码如下：
51、；
52、；
53、；
54、其中，和分别表示无人船b受到的风力大小和水流大小，和分别表示风力的权重系数和水流的权重系数，和均通过线性的最小二乘法拟合得到；
55、约束条件为行驶速度不为0，行驶方向、风力方向和水流方向不改变、风力大小和水流大小满足与行驶速度和行驶方向的线性关系；
56、通过电量优化模型得到每个个体的适应度函数，适应度函数值表示下一个时间间隔t内的消耗电量；计算公式如下：
57、其中表示电量优化模型对个体编码的输出，表示行驶速度的权重系数；
58、根据适应度值对r个个体进行排序，保留固定数量的个体，将剩余的个体作为父代更新；
59、其中，仅对父代个体的行驶速度进行更新操作，风力大小和水流大小根据更新的行驶速度更新；
60、判断当前迭代次数是否等于最大迭代次数；若当前迭代次数＝最大迭代次数，则确定第i个时刻无人船c的行驶速度，否则继续迭代。
61、进一步的，无人船b和无人船c基于执行的任务确定其无人船类型，并基于无人船的类型响应调度。
62、第二方面，一种无人船舶自组织电量补给系统，包括：
63、局域网络模块，用于构建补电港口、无人换电平台和作业区之间的通信连接；
64、数据传输模块，用于对无人船c采集的数据分片、标记时间戳，并根据优先级进行传输；
65、调度模块，用于对无人船c和无人船b进行补电调度，并通过预设的电量优化模型调整无人船c的消耗电量。
66、本发明的有益效果在于：基于电量优化模型，实现无人船队在海上智能协同工作，动态调度无人船进行电能补充，避免了电量补给的拥堵；基于构建通信航道和树图优化数据的传输，确保无人船队在执行任务时数据传输的流畅与高效。该系统有效提高了无人船队的作业效率和持续巡航能力，适用于长时间、远海的复杂环境下作业。
1.一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，根据设定的通信航道，确定无人船a的数量，包括：
3.根据权利要求1所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，将作业区分割为若干子区域，并根据子区域数量确定作业区内的无人船b和无人船c的数量，包括：
4.根据权利要求1所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，无人船c采集到作业区海域的数据后，通过无线信号将数据传输到补电港口，包括：
5.根据权利要求1所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，采集无人船b和无人船c的状态信息，构建电量优化模型，包括：
6.根据权利要求5所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，基于电量优化模型，对无人船c进行巡视补电的调度，包括：
7.根据权利要求6所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，基于电量优化模型，对无人船c进行巡视监控的调度，包括：
8.根据权利要求7所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，通过优化算法结合电量优化模型判断得到第i个时刻无人船c的行驶速度，包括：
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种无人船舶自组织电量补给方法，其特征在于，无人船b和无人船c基于执行的任务确定其无人船类型，并基于无人船的类型响应调度。
10.一种无人船舶自组织电量补给系统，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的方法中，包括：
