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原文传递基于改进自适应遗传算法的多船避碰研究

论文题名：	基于改进自适应遗传算法的多船避碰研究
关键词：	船舶碰撞;危险度评估;避碰策略;自适应遗传算法
摘要：	水运交通是一种十分重要的交通运输方式，在全球推行节能减排的时代背景下，水运作为一种相对绿色的交通运输方式而受到重视，进一步提高水运在世界交通运输中的比重对实现碳中和碳达峰的目标来说尤为重要。目前，对水运威胁最大的是船舶碰撞事故，而导致这一事故最主要的原因是人为失误。因此，通过实现船舶的智能航行，可以有效提高水运的安全性和运载效率。　　（一）本文从船舶碰撞危险度评估和优化避碰策略两个方面入手，提出了一种分级分策略的多船避碰解决方案。通过评估船舶碰撞危险，将我船划分为直航、一般避碰和紧急避碰三种航行状态，在不同状态下对应采取不同的避碰策略。一般避碰采用航线规划的方法，该方法基于改进自适应遗传算法的多船避碰策略；紧急避碰采用直接输出航向航速指令的方法快速降低碰撞危险，避碰策略为速度障碍法。　　（二）本文提出的船舶碰撞危险度评估方法使用船舶的长宽尺寸建立安全领域，将我船对他船形成的速度障碍锥的侵入程度和侵入时间作为评估指标，从相对航向和靠近时间两个维度评估量化碰撞危险度值，使得该方法具有线性预测性，且能够应用于狭水域环境。使用内河中真实船舶 AIS 历史数据验证了该评估方法，并与传统评估方法进行比较，实验结果显示本文提出的评估方法的准确性和对受限水域下的适应性均要优于传统评估方法。　　（三）本文提出的改进自适应遗传算法对染色体的编码方式、种群初始化方法、遗传算子自适应以及精英保留都做出了优化。在新的染色体编码上增加了变速过程，在转弯的处理上符合船舶运动学约束，确保该算法可以在实船上应用。在适应度函数中增加了筛选步骤，使用成活率评价种群的总体基因，并以此为参数控制下一代染色体产生的数量。使用帕累托排序实现多目标排序，将帕累托第一前沿全部作为精英保留，以加快收敛速度，提出精英率的概念，用以表示帕累托第一前沿染色体数与种群总染色体数的比值。在交叉算子中使用存活率控制算法的搜索压力。在变异算子中使用精英率控制种群中基因的多样性程度，使用迭代次数控制收敛速度。本文还提出了一种初代累计的染色体初始化方法，用以提高算法的收敛速度和轨迹优化质量。该方法通过在初代积累优良染色体的方式改善初代种群基因结构，从而避免在自适应初期阶段耗费大量的算力搜索。最后本文通过对比实验验证了初代累计、快速精英保留以及自适应遗传算子的优秀性能。　　（四）本文以江豚-16 无人船的硬件信息作为仿真实验的参考，使用MATLAB编写仿真程序，分别验证了一般避碰和两级避碰策略。实验结果表明，一般避碰策略能够在有限的时间内规划出兼具经济性和安全性的较优解，两级避碰可以进一步提高一般避碰的可靠性。
作者：	王岩
专业：	集成电路工程
导师：	王红波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023