Design of an Automatic Routing Service for the Baltic Sea

Abstract

Tämä opinnäytetyö esittelee automaattisen reititysmoottorin suunnittelun Itämeren alueella liikkuville huviveneille. Alueelle ovat tyypillisiä matalat vedet, monimutkainen saaristo sekä vaihteleva väylien merkityksellisyys: joillakin alueilla väyliä noudatetaan tarkasti, kun taas toisaalla niillä on vähäisempi vaikutus huviveneiden reittisuunnitteluun. Nykyiset kaupalliset reititysratkaisut tuottavat usein epäoptimaalisia reittejä näissä olosuhteissa, erityisesti syvyystietoihin ja väyliin perustuvan reitityksen yhdistämisessä. Tämän työn tavoitteena on luoda korkean tason tekninen arkkitehtuuri reititysmoottorille, joka yhdistää syvyysaineiston, väylätiedot, sääennusteet ja historiallisen alusliikenteen yhdeksi mukautuvaksi reitinhakumalliksi.

Opinnäytetyössä tarkastellaan elektronisen merikartta-aineiston eri tilaesityksiä huviveneiden reititystä varten sekä arvioidaan reitinhakumenetelmiä laajoille ja vaihteleville merialueille. Kirjallisuuden ja käytännön testien perusteella spatiaalisen graafin pohjaksi valittiin mukautuva, rajoitettu Delaunay-triangulaatiolla muodostettu navigointiverkko. Aineistonmuunnostyönkulku kehitettiin lukemaan ENC-aineistoja, tuottamaan navigaatioverkko ja muuntamaan se vierekkäisyysgrafiksi.

Reitinhakualgoritmiksi valittiin A*, joka tarjoaa tehokkuutta, tukee spatiaalisten heuristiikkojen käyttöä ja mahdollistaa monimutkaiset kustannusfunktiot. Käyttäjän määriteltäviä reitityspreferenssejä hyödyntävä dynaaminen kustannusmalli suunniteltiin ja osin toteutettiin. Kehitetty prototyyppi demonstroi koko työnkulun ENC-aineistosta graafiksi: syvyysperusteisen reitityksen, väyläpreferenssien käsittelyn, käytävägeneroinnin ja lyhimmän polun tuottamisen funnel-algoritmilla.

Tulokset osoittavat, että mukautuva verkko yhdistettynä parametroitavaan A*-algoritmiin tarjoaa skaalautuvan ja joustavan reitityksen Itämerelle ja pystyy huomioimaan käyttäjän reititysvalinnat. Suunniteltu arkkitehtuuri ja työkalut muodostavat käytännöllisen perustan tuotantotasoisen reitityskoneen toteutukselle. Täysin sääennusteisiin perustuvan reitityksen prototypointi sekä suorituskyvyn parantaminen hakualuetta supistamalla rajattiin työn ulkopuolelle ja kuuluvat jatkotehtäviin. Työ tarjoaa validoidun tavan esittää spatiaalinen malli sekä yksityiskohtaisen suunnitelman ympäristö- ja liikennedatan yhdistämiseksi huviveneiden merireititykseen.

This thesis outlines the design of an automatic routing engine targeted for recreational vessels operating in the Baltic Sea area. Area has shallow waters, a complex archipelago, and mixed fairway importance; in some regions, fairways are obeyed slavishly, whereas in others, they have little effect on recreational vessel routing. Current commercially available routing solutions struggle to find optimal routes under these conditions, especially when naturally combining bathymetric and fairway navigation. The objective of this work is to create a high-level technical architecture for a routing engine that combines bathymetry, fairway data, weather forecasts, and historical vessel traffic into a single, adaptable pathfinding model.

The research explores the suitable spatial representations of the electronic navigation chart data for recreational vessel routing and assesses pathfinding methods for large, varied sea regions. Based on existing literature and practical tests, an adaptive, constrained Delaunay-triangulated navigation mesh was chosen as the base for the spatial graph. A transformation workflow was developed to read ENC datasets, create a navigable mesh, and convert it into adjacency graphs.

As pathfinding algorithm, A* was selected, providing efficiency with support for spatial heuristics, and the ability to use complex cost functions. A dynamic cost model was created to account for user-defined routing preferences. A prototype demonstrated the entire workflow from ENC to graph, bathymetric routing, fairway-preference management, corridor generation, and shortest-path extraction using a funnel algorithm.

The results show that an adaptive mesh combined with parametrized A* provides scalable, flexible routing across the Baltic Sea that can address user routing preferences. The architecture and tools developed offer a practical foundation for a production-grade routing engine. Complete weather-aware pathfinding prototyping and performance enhancements by limiting the search space were scoped out and are future tasks. The thesis provides a validated spatial modeling approach and a detailed design for merging environmental and traffic-derived data into maritime routing for recreational navigation.