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原文传递船舶智能自动避碰策略研究

论文题名：	船舶智能自动避碰策略研究
关键词：	船舶航行;自动避碰;碰撞危险度;细菌觅食算法;狼群算法
摘要：	船舶海上碰撞事故严重影响了船舶航行安全，是海上交通事故的主要组成部分。随着对海上资源的需求的增加导致海上船舶数量逐年增加，每年都有很多海上船舶碰撞事故发生，给各国不仅带来了经济损失，破坏了海洋生态环境，更是危害了船员的人身安全。因此，国际航海界将减少和防止海上船舶碰撞事故的发生作为首要解决的问题。其中，降低船员在即将发生碰撞情况下的操舵失误是减少碰撞事故率和提高船舶出航安全性的关键，所以对船舶智能避碰辅助决策的研究具有重要的意义。本文主要针对船舶智能自动避碰策略开展研究，在详细的分析现有的国内外船舶自动避碰系统以及避碰方法的基础上，主要完成了以下的工作内容: 　　首先，本文基于模糊隶属度函数建立了船舶碰撞危险度评估模型，为单船避碰时机的确定奠定基础，与此同时，针对现有船舶碰撞危险度多数用于单船避碰时机的判断，而在多船会遇情况下很少快速、准确判定危险目标船以及各个目标船的危险度排序的问题，本文在灰色关联分析确定危险船的基础上，分析了碰撞危险度影响因素与碰撞危险度之间的响应关系，并将会遇安全距离引入现有的灰色关联决策中，实现了多船会遇情况下优化灰色关联分析、评价、循环选择危险避让目标船的危险度判定模型，通过对比分析确定了优化后的多船会遇危险度模型的准确性和优越性;同时为了方便船员的操作，建立了多船会遇碰撞危险度排序的可扩充式交互界面，体现了该模型实用性，为多船避碰的实现奠定基础。　　其次，针对现有的船舶避碰方案评估方法中权重系数选择的不确定性导致评估方案准确性下降，以及评估方案适用性不高的问题，本文建立了单船和多船会遇情况下的船舶确定性避碰方案可行性评估数学模型，该模型将避碰运动过程分为五个阶段，基于确定性的碰撞危险度影响参数对避碰运动过程中各个阶段进行分析并建模，得到随着避碰阶段变化的避碰方案可行性评估曲线，从而判定避碰方案的可行性;并通过对比我船避碰目标船的运动过程，验证了该避碰评估模型的有效性，为船舶自动避碰策略的实现提供可靠的评估保障。　　再次，针对现有的启发算法在船舶自动避碰应用过程中收敛速度慢，求解精度低从而导致船舶避碰方案不确定性高，生成避碰方案慢等问题，本文改进了现有细菌觅食算法，保留其并行搜索速度快等优点，通过粒子群优化了细菌觅食的趋向方向，并自适应了细菌的复制方式，从而提高了细菌觅食的搜索精度和收敛速度，实现了基于优化细菌觅食算法的船舶智能自动避碰策略，该策略基于避碰路径最短且安全的目标函数，通过细菌觅食编码，收敛得到最优的避碰角度、复航角度、避碰时间、复航时间等参数。最后，基于该避碰策略仿真了不同会遇态势下我船避碰目标船的动态避碰过程，验证了该策略的可行性，基于上述的船舶确定性避碰行动评估数学模型，验证此次避碰行动的有效性，并通过仿真对比其他避碰策略分析可得该策略缩短了避碰方案的生成时间，提高了避碰方案的质量，验证了该策略的优越性。　　第四，针对多船会遇情况下国际海上避碰规则没有给出具体的避碰指导意见，避碰问题的决策存在一定的困难等问题，本文提出了基于优化的细菌觅食算法的多船会遇避碰策略，该策略以两船避碰为基础，以优化灰色关联分析确定避碰的危险目标船和避让目标船顺序为前提，基于“安全”且“最短”的避碰目标函数完成一次避碰行动后，我船会重新分析与其他目标船的会遇态势，直到完成避碰所有的目标船并恢复原有的航向。最后，仿真了我船避碰各个目标船的实现过程，生成动态的多船自动避碰交互界面，从而得到我船作为让路船在此次避碰行动中的一系列最优避碰参数，并通过上述避碰评估方案验证多船避碰方案的有效性和可行性，为多船会遇情况下自动避碰的实现开辟新的思路。　　最后，针对现有的智能算法优化船舶避碰路径的过程中，由于智能算法中存在随机变量，每次求解的避碰参数存在不一致，稳定性差的缺点，本文提出了优化狼群领导者的船舶智能自动避碰策略。相比较其他的智能算法，狼群算法具有收敛速度快，求解精度高、全局收敛性好、计算鲁棒性优，算法稳定性好的特性，为了能够进一步加快该算法收敛的速度和搜索的质量，通过计算人工狼在搜索空间中每个方向的线性长度得到每一维的基本步长，并基于该基本步长调节人工狼的搜索步长和移动步长，避免搜索越界;在包围实现过程中随着包围次数的增加自适应减少包围步长避免陷入局部最优，且经过改进后的狼群算法生成搜索结果稳定，最后，将优化后的狼群算法用于船舶自动避碰策略生成中，基于避碰运动几何建模，设计了船舶避碰的目标函数，通过狼群搜索编码得到最优的避碰参数，相比较现有的船舶智能避碰方法，缩短了避碰策略的生成时间，提高了生成避碰策略的稳定性，并通过交互界面实现了我船避碰目标船的动态过程，开辟了智能算法在船舶自动避碰策略生成中的研究新思路。
作者：	刘洪丹
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文