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基于驾驶员认知实践的MASS自主避让行为决策
| 论文题名： | 基于驾驶员认知实践的MASS自主避让行为决策 |
| 关键词： | 海上自主水面船舶;自主避让决策;驾驶员认知实践;动态博弈理论 |
| 摘要： | 本研究关注的是海上自主水面船舶的航行及避碰问题。为研究开阔水域范围内船舶间的协商避让，提出了一种基于驾驶员认知实践的海上自主水面船舶避让行为决策方法。首先，基于船舶驾驶实践过程对航行环境实体、航行态势理解、自主避让决策进行认知建模：提取静态障碍物的特征属性及矢量记录构建适应ENC数据结构的边界模型，提出包含自由行动、协商行动、积极行动及强制行动的多阶段船舶行动域（Multi-stageShipActionDomain,MSAD）对船舶避让义务的获取和解除进行约束；提出一种融合《国际海上避碰规则》及海员通常做法的会遇态势量化划分方法并利用模糊理论构建多元复合船舶碰撞危险度模型，实现海上自主水面船舶对航行态势的认知理解；基于船舶间避让几何关系求解避让时机及幅度、复航时机等避让决策信息并设计考虑船舶操纵运动性能的航向PD控制模型，实现MASS自主避让决策的求解及实施。然后分析船舶避碰机理并将博弈理论融入到船舶协商避让过程，提出基于动态博弈理论的船舶自主避让决策算法，设计避让行动优先级、避让行动集、收益函数等博弈要素并构建逆向归纳算法求解子博弈精炼Nash均衡，即船舶的最优避碰行动组合。最后，基于Python、Simulink、Gambit及ECDIS搭建仿真验证平台，测试算法在两船协调及不协调、多船复杂会遇场景下的自主避让效果并基于算法理论对实际海上事故进行仿真分析，进一步验证算法的有效性和适用性。结果表明，算法能够较好地解决船舶间的协商避让问题，符合航海实践。为多船自主航行及避碰提供良好的解决思路。本研究的创新性成果如下： （1）提出了一系列基于驾驶员认知实践过程的数学模型。特别地，提出了船舶多阶段行动域模型，分阶段对船舶避让义务的获取和解除进行约束。提出了一种融入驾驶航行经验的会遇态势量化划分方法，提高自主船舶对航行态势的认知理解能力。 （2）针对航行实践中船舶间避让决策相互影响、耦合的问题，提出了一种《规则》约束下基于动态博弈理论的船舶自主避让决策方法。该方法融合了船舶操纵运动特性，可求解冲突局势下船舶的最优避让行动组合序列，具有可解释性强、符合航海实践、计算快且决策唯一等方面的优点。 （3）针对自主避让决策算法的工程应用及测试验证问题，设计开发了基于Python、Simulink、Gambit及ECDIS的仿真验证平台，实现了在ECDIS多静态障碍物环境下船舶间的自主协商避让，为船舶自主避让决策算法的工程化应用奠定了基础。 |
| 作者： | 丁志国 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 张新宇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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