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原文传递规则量化解析下船舶自动避碰模型与仿真研究

论文题名：	规则量化解析下船舶自动避碰模型与仿真研究
关键词：	规则量化解析;自动避碰;路径规划;仿真系统;船舶航行
摘要：	船舶自动避碰是国内外航海学界研究的热点和难点问题。为适用于航海实践，船舶自动避碰的研究必须遵守《1972年国际海上避碰规则》（简称《避碰规则》）和海员通常做法（二者统称“规则”）。规则中有很多基于人类思维的定性术语，对这些术语进行量化解析是进行船舶自动避碰研究的基本前提，因此量化解析具有重要意义。　　本文以开阔水域的船舶自动避碰及在此基础上的路径规划为研究对象，对规则中的术语进行了量化解析，提出了解析模型、方法，建立了开阔水域多类目标环境下的自动避碰仿真系统并进行验证，旨在减少人为因素对船舶操纵的影响，提高船舶操纵与避碰自动化程度，降低船舶碰撞事故发生率。　　本文的主要内容包括：　　1．船舶会遇局面类型辨识研究。为完善两船会遇局面类型辨识模型，提出符合航海习惯的坐标系和代数法 DCPA/TCPA计算模型，建立了基于两船相互舷角比对和是否存在最终碰撞危险的船舶会遇局面类型辨识模型。　　2．规则量化解析下的四阶段划分模型研究。通过对碰撞危险形成点（FTCR）、紧迫局面形成点（FTCS）和紧迫危险形成点（FTID）等局面要素公认含义的研究，提出FTCR的数值计算模型，并建立基于MMG船舶运动方程和船舶领域理论运用龙格库塔方法和二分法的数值模型和方法，计算FTCS和FTID。　　3．不同局面和阶段两船会遇局面中，规则量化解析下的本船自动避碰方案研究。通过对船舶驾驶员实际操作流程的分析，改进了碰撞危险度模型，量化不同会遇局面的碰撞危险度水平。基于局面类型辨识和阶段划分，建立了实施避碰行动最早时机判断模型和直航船可独自采取避碰行动时机判断模型，并提出不同局面和阶段时本船应采取的自动避碰方案。提出了两船会遇局面最有效避让行动判断模型。　　4．多目标环境下的可行避碰路径研究。以避让最危险目标为前提，将多船会遇局面划分为多个两船会遇局面，提出最初避碰行动方案。为了避碰行动能避让所有目标，引入速度障碍思想，针对开阔水域特点提出了不可行航向区间和可行航向区间概念。提出了各类目标的不可行航向区间数学模型和方法，并以此为基础，确定了能避让所有目标的可行航向区间。　　5．安全避让多类目标的最优动态避碰路径研究。根据对避碰路径的分析，提出安全避让的最优路径方案。使用基于增量式PID控制和MMG的转向控制模型实现了船舶转向过程的精确动态控制，完成了改向过程中本船动态位置和耗费时间的精确计算，并在此基础上提出了复杂环境中船舶自动避碰和路径规划方案的计算模型与方法。　　本研究首次奠定了规则完全融入自动避碰和路径规划研究的理论基础，创新性地提出了开阔水域多目标环境条件下能够实现船舶自动避碰与路径规划的计算模型和方法，构建了自动避碰仿真系统，为后续研究提供了一个坚实的平台。　　主要创新性成果包括：　　1．提出了基于相互舷角比对和是否存在最终碰撞危险的船舶会遇局面类型辨识模型，以及基于局面要素量化解析的阶段划分模型。　　2．建立了基于MMG和船舶领域的对遇、追越和交叉相遇两船会遇局面避碰态势判断模型和自动避碰方案。这些避碰态势判断模型包括局面要素数值计算模型、采取避碰行动的最早时机判断模型、直航船采取避碰行动时机判断模型和最有效避碰行动判断模型等。　　3．建立了海上多类目标分类模型及相应不可行航向区间计算模型和方法，提出了本船安全避让多类目标的可行航向区间计算模型和方法。　　4．提出安全避碰最小改向幅度和最早复航的最优路径条件；建立了增量式PID和MMG的转向控制模型和算法；建立了自动避碰仿真系统，实现了多类目标环境条件下的最优动态避碰路径规划。　　通过对所有提出模型的仿真，验证了所提数学模型的正确性和可行性。自动避碰仿真系统的实验结果显示：在遵守《避碰规则》的基础上融入海员通常做法，运用计算机技术，能生成符合要求的最优避碰路径。该系统在时机把握准确程度、局面计算全面性、最优路径计算和精确选取方面均有很好的表现。
作者：	贺益雄
专业：	船舶与海洋环境保护
导师：	黄立文
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文