原文传递
港区水域多船避碰自主决策方法研究
| 论文题名： | 港区水域多船避碰自主决策方法研究 |
| 关键词： | 船舶避碰;自主决策;轨迹生成;风险感知;航行安全 |
| 摘要： | 随着“十四五”规划的提出和《交通强国建设纲要》等国家战略的不断深入，航运转型升级也进入深水期。近年来，我国航运业务量总体呈现井喷式发展趋势，导致各港区、码头等航道交汇水域的船舶交通压力激增，对船舶航行安全提出了更高的要求。船舶智能避碰决策系统作为显著提高会遇态势感知和减少碰撞风险的核心环节，对于保障海上交通安全，提高海上通航效率具有重要意义。 本文以港区船舶航行运动学特征及会遇态势演化机理为基础，在量化船舶会遇局面与避碰航行规则的前提下，提出模糊船舶领域模型和碰撞风险模型。在此基础上，构建基于快速搜索随机树算法的避碰决策模型。能根据船舶会遇局面感知潜在碰撞风险，并按照避碰策略生成符合避碰航行规则和船舶运动学特征的轨迹。主要研究成果包括： （1）船舶运动模型与轨迹生成方法 针对港区船舶运动学特征与航行环境，构建船舶非线性四自由度机动模型，将回转仿真数据与实船数据进行对比，验证模型的精度。在此基础上，进一步设计了增量式PID航向控制器，完成船舶的闭环控制。通过闭环动力学前向仿真进行预计算采样，建立轨迹基元库。并基于有限自动机模型完成了轨迹基元的拼接。 （2）会遇局面判别与风险感知 针对多种船舶会遇局面，以《国际海上避碰规则》的量化为核心，综合考虑避碰机动特性和船舶会遇的演化过程。通过量化航行和避碰的基本规则，提出在航行规则约束下的惩罚函数，用来引导船舶按照避碰策略航行。同时，提出基于模糊船域的碰撞风险模型，用来衡量船舶在紧迫局面下的碰撞风险。 （3）自主航行避碰路径规划方法 针对两船及多船的避碰，在快速搜索随机树算法的基础上，提出了基于Sobol采样和A*引导的随机点生成策略，通过先验路径点的方式引导轨迹快速朝目标点收敛。提出随机树试探性扩展策略，通过船舶可达域模型筛选并获取可扩展节点，并搜索经数据结构优化的基元库，快速获取可扩展的轨迹基元，生成符合船舶运动学的多条可行轨迹。设计轨迹综合评价模型，结合航行规则约束下的惩罚函数和船舶碰撞风险模型，对可行轨迹的经济性、安全性和合规性三个方面进行综合评价，最终获得最优的可行轨迹。 （4）船舶避碰仿真实验设计及验证 通过设计多种静态场景，将本文算法与基本RRT算法对比，验证算法改进后的性能；同时，通过结合长江口南槽航道实船会遇场景，将本文算法与分布式避碰决策对比，验证算法对动态场景的可行性和有效性。 |
| 作者： | 张铄 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张煜 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
