开阔水域多物标动态自适应智能航行方法

考虑船舶操纵特性、《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求,提出了动态自适应目标船不协调避碰行动的开阔水域智能航行方法;将物标分类、建模并构建数字孪生交通环境,结合航向控制方法、操纵运动和复航模型构建了自动航行模型,推演了船舶非线性操纵运动;基于自动航行模型量化解析了《规则》要求,探究动态避碰机理,建立了可行航向求取方法;在多目标环境中,提出了目标船机动判别方法,研究了《规则》约束下构成自主航行方案的改向时机、幅度和复航时机等要素求取方法。仿真结果表明:依靠信息秒级更新的滚动计算,提出的智能航行方法可自适应剩余误差和目标船随机运动;提出的智能航行方法能将可行航向区间和改向幅度精确到1°;将程序运行和复航时机计算步长设置为1、10 s,设置多类静态物标和6艘保向保速目标船,在640、1 053、2 561和3 489 s,本船进行右转9°、复航、保向保速和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点;设置目标船在300 s采取不协调转向避让行动,本船在980、2 790、3 622、5 470 s时进行右转9°、左转12°、右转17°和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点。可见,任意初始状态下的船舶均可沿计划航线自动航行至终点,提出的方法能满足多个、多类动静态物标共存的真实开阔水域环境中的智能航行需要。      

基于AIS信息的船舶避碰局限性分析研究

AIS系统的普及化使用,使得驾驶员在海上避让过程中过度依赖AIS信息进行避碰操纵,从而引发船舶碰撞事故发生.本文通过对船舶AIS的信息传输系统、设备静态信息及动态信息可信度的分析,提出了近距离船舶避让操纵中,过度依赖AIS信息作为避碰依据的局限性,并介绍了AIS的下一代系统VDES,总结了提高AIS信息可靠性需要解决的几个问题.     

内河船舶避碰路径优化研究

内河船舶碰撞事故导致重大生命及财产损失，已经引起人们的高度关注．提出一种内河船舶自动避碰路径优化的研究方法，建立了内河船舶操纵运动数学模型，将遗传算法运用到内河船舶避碰路径选优中，提出内河船舶避碰路径优化准则，并构建一种考虑内河航道中运动船舶及障碍物的适应度函数．优化结果表明了本方法的可行性。     

狭水道追越局面下的船舶避碰建模

为了解决在狭窄水域船舶追越情况下的避碰问题,提出了一种狭水道追越局面下的船舶转向避碰模型.在航道规划设计规范的基础上对狭水道四元船舶领域进行重塑,构建符合航道内航行船舶最小船舶领域模型,进而确定船舶追越时的安全通过距离;其后,在船舶操纵运动数学模型的基础上,结合船舶转向避碰几何模型确定避碰行动目标,即最近会遇距离(DCPA)和最近会遇时间(TCPA),使得上述两个避碰行动指标满足避碰实际(DCPA值大于等于Ship Domain,TCPA值尽可能大).仿真实验表明采用该模型进行追越避碰时,追越船追越运动轨迹符合航行实际,与被追越船保持的最小横向距离为80 m,与浅水区保持的最小横向距离为55 m.     

雷达模拟器标绘的数学解析

在雷达模拟器训练评估体系研究中,给出目标船的６要素（即目标船的ＣＰＡ,ＴＣＰＡ,距离r(t),方位θ(t),目标船的真航速ＶＴ和真航向ＣＴ）的解析式及Ｃ语言计算程序,作为雷达模拟器训练评估体系的标准值,同样,在雷达标绘的训练中,也需要有标准值,文中试图给出雷达标绘的数学解析,它包括避让措施的求取算称预定点改向．变速问题和改向／变速后恢复原航向／原航速时机点的求取,简称时机点问题,给计算机编程后可以迅速地得到避让措施所需要的数值,一方面它提供了雷达模拟和器训练时评估的基准值,另一方面它将避免几何作图时间长,误差大的缺点,并为智能避碰系统提供数学模型。     

船舶航向非线性系统的模糊神经网络智能控制器设计

船舶航向控制系统具有典型的非线性和不确定性特性，并受自动舵执行能力的约束，这使得作为船舶智能化基础的航向控制极具挑战性。首先分析了船舶航向运动特性，给出带有舵约束的航向运动非线性数学模型；然后以模糊神经网络为控制器结构，在噪声加入和参考轨迹设置算法的支持下使用遗传算法对控制器参数进行自动搜索和优化，设计一种船舶航向智能控制器；最后对航向控制进行仿真。结果表明，所设计的航向智能控制器对船舶参数摄动和扰动具有良好的鲁棒性能。     

多特征融合的船舶轨迹相异度模型分析与优选

基于船舶自动识别系统轨迹，构建了船舶轨迹静态相异度模型、动态相异度模型以及组合相异度模型，包括轨迹起点和终点相异度模型、轨迹长度相异度模型、轨迹空间分布相异度模型、轨迹航速均值相异度模型、轨迹航向均值相异度模型、轨迹航速标准差相异度模型和轨迹航向标准差相异度模型；采用KNN分类算法进行轨迹分类，分析了单个相异度模型的有效性和时效性，对比了单个相异度模型和组合相异度模型下轨迹分类效果，研究了组合相异度模型中相异度模型的类别和权重对轨迹分类的影响；分别以内河航道和港口水域船舶轨迹进行试验。试验结果显示:在采用单个相异度的情况下，就分类效果而言，轨迹起点和终点相异度模型和轨迹航向均值相异度模型在内河航道和港口水域船舶轨迹分类效果均优于其他模型，而基于轨迹航速均值相异度模型和轨迹航速标准差相异度模型的轨迹分类效果最低，就分类效率而言，基于航速、航向均值和标准差的相异度模型耗时明显低于其他3个相异度模型；采用组合相异度进行轨迹分类，内河航道和港口水域船舶轨迹分类结果的基于精确率和召回率的宏平均值和微平均值均能接近99%；将组合相异度中相异度类别数由4个增加到7个，轨迹分类评估结果进一步得到提高。因此，单个相异度模型中以轨迹起点和终点相异度模型、轨迹航向均值相异度模型以及轨迹空间分布相异度模型分类效果最优且稳定，而轨迹空间分布相异度模型和轨迹长度相异度模型耗时明显高于其他方式，各相异度模型在不同场景中的适应性基本相似，通过增加组合相异度中相异度类别能够提高轨迹识别效果。      

长江通航安全研究的船舶操纵仿真系统

长江水域通航条件高度复杂，有针对性地开展船舶操纵模拟系统的研究显得尤为重要，文中介绍了全功能大型船舶操纵模拟器及通用船舶操纵计算机仿真平台（USManCSP），提出以前者砻实时模拟基础，结合USManCSP中的电子江图信息系统（ECS）、内河船舶操纵运动数学模型、基于模糊控制的引航员控制模型等进行快时模拟研究，建立较完善的通航安全论证分析平台，并给出了二个急弯河段的模拟研究结果．     

欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器

为了准确控制典型靠泊操纵,分析了带有加速度非完整约束的欠驱动水面船舶的自动靠泊问题,设计了动态输出反馈控制器。利用递归分解迭代设计方法,在扩展状态空间定义了非线性滑模,将控制系统的轨迹设计与跟踪问题转化为标量零阶系统的镇定控制问题,结合增量反馈技术,无需对不确定模型参数以及风、流干扰进行估计,完成典型靠泊操纵的自动控制。仿真结果表明:控制器对干扰变化不敏感,具有强的鲁棒性,且船舶平面运动轨迹设计过程简单,可以仅通过一个参数进行轨迹调节。     

基于船舶领域和MMG的最晚施舵点/CRI研究

提出了一种基于MMG和船舶领域的LSP计算模型,以及改进的空间碰撞危险度（space collision risk index,SCRI）/时间碰撞危险度（time collision risk index,TCRI）模型,并进行了计算机仿真.结果表明：水动力模型精度可满足研究与实践要求;基于二分法的LSP模型能快速、可靠收敛;LSP和SCRI/TCRI模型更符合海员通常做法和避碰规则的公认理解.     

基于图像信息检测的船-桥智能避碰系统研究

将避碰决策系统分为船舶运动检测、视觉几何模型和船舶运动态势计算、碰撞预报及预控3部分.针对图像质量问题采取图像预处理增强、中值滤波、直方图均衡处理方法.采用相位相关算法基于背景模态模式静态空间信息记录图像信息,补偿图像抖动.基于视觉几何模型计算船舶运动态势计算船舶目标空间坐标位置、船舶型尺度、船速、船首向等.基于实时运动状态信息和桥区船舶运动态势预报碰撞危险以及避碰决策模式.引入避碰等级术语通过计算桥区船舶操纵避碰相关参数,进行避碰早期预警并得出避碰操纵决策方案.形成合理化的船-桥避碰决策系统,以达到船-桥避碰预警预控的智能效果.     

船载AIS与ARPA在避碰中组合使用的探讨

文章从船载AIS与ARPA在船舶避碰中的地位出发,通过对各自获取避碰参数的计算机理分析,对实际应用中覆盖范围的广泛性、跟踪信息的可靠性、避碰计算的快速性进行比较,得出各自的优缺点,并就船舶驾驶人员在应用过程中如何综合应用、取长补短、达到优势互补提出相应建议。     

多层次多目标重点避让船模糊优选模型

为解决船舶避碰自动化领域的多船智能避碰决策问题,建立了多层次多目标重点避让船模糊优选模型。分析了碰撞危险度和避让难易程度对重点避让船决策的影响,通过划分相互关联的有序层次结构使问题条理化,利用多目标模糊优选理论,建立了相应的模糊优选模型,以低层次的输出作为高层次的输入,对每一层次的单元系统进行优化计算,利用相对优属度向量进行排序,确定重点避让船。模拟计算了一艘船同时和7艘目标船相遇时重点避让船相对优属度向量,按相对优属度越大排序越前的原则确定目标船3为重点避让船,决策结果正确,该模型可行。     

船舶编队控制综述

研究了船舶编队控制的特点,从船舶编队控制结构、编队路径规划、编队运动建模和编队运动控制4个方面分别对现状和方法进行分析;介绍了船舶编队控制原理,描述了船舶编队领导-跟随结构、虚拟结构、图论结构、基于行为结构的数学表示方法及应用场景;针对船舶编队路径规划,总结了编队环境建模、全局路径规划和局部避碰规划等最新方法及其特点,展示了基于粒子群优化算法的船舶编队局部避碰效果;针对船舶编队控制运动建模,构建了考虑干扰、控制时延和约束的船舶编队水动力模型,并将该模型在船舶编队过闸控制场景中进行了验证;针对船舶编队运动控制,归纳了典型集中式、分散式和分布式编队控制器特点,指出分布式编队控制器具有更好的鲁棒性和可扩展性,设计了基于分布式模型预测控制的编队航行控制器。研究结果表明:目前船舶编队控制技术瓶颈主要体现在有人/无人编队共融、岸端驾控为主的内河船舶编队控制、不确定干扰下的船舶编队控制、通信受限下船舶编队鲁棒控制、特殊水域船舶编队控制和船舶编队控制一致性等方面;在未来船舶编队发展中,应重点解决船舶编队分布式协同控制、船舶编队任务多元化控制、基于生物群体机制的船舶编队控制、特殊水域船舶编队控制、人工智能技术在船舶编队控制中的应用等问题。      

船-桥墩防护装置碰撞中的影响因素研究

在研究船-桥墩防护装置碰撞机理魄基础上，结合实例探讨了碰撞问题中的诸多因素（如碰撞位置、防护装置的结构尺寸以及碰撞速度等的变化）对防护装置抗撞性能的影响，并据此对桥墩防护装置提出了改进意见：通过仿真计算，改进防护装置的板厚以及板上筋的结构尺寸；在防护装置的内围壁与桥墩之间放置橡胶吸能元件或在防护装置的外围壁安装橡胶护舷件，以加强防护装置的吸能作用。     

Deliberative collision avoidance for unmanned surface vehicle based on the directional weight

The purpose of this study is to realize the intelligent deliberative obstacle avoidance for unmanned surface vehicle (USV), based on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea called COLREGS. Firstly, a three-level system architecture is designed for the ship intelligent collision avoidance system. Secondly, an intelligent collision avoidance algorithm is presented based on the calculation of motion parameters and the rules of COLREGS. Thirdly, according to COLREGS, the marine environment is modeled from the electronic chart data and radar information, and a deliberative collision avoidance algorithm is written. Finally, the deliberative collision avoidance simulation is carried out for the USV. The feasibility and reliability of intelligent collision avoidance algorithm are verified by the vivid simulation results.     

桥墩主动防船撞系统的研究

为确保桥梁水域桥墩安全与船舶通航安全,通过对长江水域船舶通航环境与水域安全现状以及船撞桥事故统计分析,提出开展桥墩主动防船撞系统研究的必要性。利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,并据此建立了桥墩主动防船撞系统,将桥墩由被动结构防船撞转变为非结构主动防船撞,并在此基础上开发出了桥墩主动防船撞系统原型。创新之处在于,首次利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,首次将桥墩的被动防撞转变为桥墩主动防撞,并开发出桥墩主动防船撞系统原型。     

斜拉桥船撞荷载下静动力响应对比分析

采用船撞动力时程最大值、峰值范围内的局部平均值及全局平均值,作为船撞等效静力荷载对斜拉桥进行船撞静力分析,将结构静力响应与船撞动力响应进行对比分析。结果表明:斜拉桥结构位移响应、内力响应差别较大。建议针对存在船撞问题的斜拉桥,在设计时船撞分析尽量采用动力分析方法,以便得到更为真实的结构内力和位移响应。