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原文传递 e-航海环境下的船舶引航智能信息服务与安全操纵技术研究

论文题名：	e-航海环境下的船舶引航智能信息服务与安全操纵技术研究
关键词：	船舶航行;e-航海环境;引航服务;安全操纵
摘要：	进出港航行的操纵难度大、复杂度高，是重要的船舶航行阶段之一。引航服务是确保船舶安全进出港的重要手段。鉴于引航服务涉及多个机构、限制因素复杂，为了在各个机构间快速便捷地交互引航服务信息，本文基于船舶进出港操纵和调度研究，提出了一种e-航海框架下引航服务集模型的构建方法，并在海事服务集的标准和定义下，深入研究了引航服务集模型的结构与参数的确定方法。　　引航船舶的进出港安全需要考虑限制水域的水动力限制、船舶碰撞风险和潮时潮高规律。本文使用限制水域的船舶进出港模拟和双向航道的交通组织优化的方法，计算船舶进出港安全间距阈值，求解船舶进出港时间，确定引航服务集的空间尺度和时间尺度参数，为智能船舶和智慧港口的信息数字化提供有效实用的引航服务数据标准。最后，使用实际港口的引航数据进行了验证。本文主要研究工作和成果如下：　　e-航海框架下引航服务集的模型结构研究。梳理港方、船方、引航机构和海事机关涉及的引航服务业务，确定引航服务的需求信息和引航方案的制定方法。基于e-航海的海事服务集标准与定义，明确引航服务集的目标需要和关联技术服务，采用S-100数据标准，设计引航服务集的模型结构。以大型集装箱船舶下沉量和乘潮时机的预报为例，检验引航服务集模型结构的可行性。　　引航申请时机模型研究。首先，采用Hampel辨识器识别、校正异常AIS数据，使用道格拉斯-普克算法简化数据、降低冗余量；其次，基于高斯混合模型提取船舶进出港轨迹簇，实现船舶轨迹聚类；最后，使用高斯回归方法建立引航申请时机的回归模型，提出了一种数据驱动的船舶航行状态识别方法，为船方引航服务集建模的时机奠定基础。以中国沿海水域AIS数据为例，检验了航海任务识别方法的可行性和有效性；以宁波舟山港的引航申请为例，验证引航申请时机建模的可行性。　　引航服务集的安全间距求解。针对限制水域的船舶进出港会遇局面，建立考虑船间效应、岸壁效应和浅水效应的船舶操纵运动模型。采用运动模型模拟船舶进出港的会遇过程，计算船舶碰撞的交汇面积。分析交汇面积的统计规律，获得了船舶会遇距离、船舶航速与交汇面积的数学表达式。提出高斯-信赖域反射（Gaussian-TRR）算法，辨识数学表达式参数的数值，进而分别建立了船舶对遇局面和追越局面的安全间距模型，检验了Gaussian-TRR算法的可行性。将该安全间距模型与相关标准比较，检验了安全间距模型的有效性。该安全间距模型为船舶调度的会遇延迟计算提供了基础支撑。　　引航服务集的时间参数求解。考虑会遇延迟、调度时间和乘潮时机的限制，转化限制为吃水约束和时间约束，以船舶总等待时间为目标函数，建立限制水域双向航道的船舶进出港调度模型。基于旅行商问题解算思想，生成调度序列和调度时间，提出遗传-模式搜索算法（GA-PS），求解船舶进出港的调度模型。针对实际港口数据，采用安全间距模型计算会遇延迟时间，使用多项式函数预报水域潮高，并使用GA-PS算法求解船舶进出港的调度序列与时间。基于调度计划的计算结果，获得船舶潮时潮高和船舶进出港时间。基于以上船舶动态信息，汇集船舶静态信息，确定了引航服务集模型参数的数值，实现了引航服务集模型的参数化，并在船舶电子海图系统上，显示了引航服务集模型的主要参数。　　本文实验采用Matlab/VisualC++编程，实现了引航服务集模型的结构建立和参数化过程，验证了各种模型和算法的正确性。本研究为港口和船舶提供了标准化的引航服务集模型，对提升航海信息交互效率、促进海上智能交通发展，具有重要的现实意义。
作者：	张杰
专业：	交通信息工程及控制
导师：	张英俊
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021