三峡库区桥区河段船舶运动模型与仿真研究

三峡成库后,库区在建跨河桥梁日渐增多,为避免或减少船桥碰撞事故,从船舶驾驶与避碰的角度,以石忠高速公路忠县长江大桥为研究对象,运用船舶操纵理论,建立船舶在桥区水域受风、流影响偏航数学模型,并通过仿真技术模拟船舶在桥区河段运动航迹,显示船舶通过大桥上下行三维视景,为研究三峡库区跨河桥梁主动防撞提供理论依据。     

基于航向控制系统的船舶动态避碰机理

为探索航速矢量变化与船舶避碰之间的动态变化规律（避碰机理），研究了结合船舶领域和速度障碍等方法的静态避碰机理，确定了不考虑船舶改向运动过程与周围环境变化前提下，本船可避让所有物标的航速矢量区间；建立了基于模糊自适应比例积分微分（PID）控制和船舶运动方程的航向控制系统，再现船舶改向过程中的航速矢量非线性变化；基于静态避碰机理和航向控制系统研究了船舶动态避碰机理，求解了符合船舶操纵运动过程的动态避碰改向区间. 研究结果表明，在开阔水域随机设置的多物标环境中，可得到符合航速矢量非线性变化的动态避碰改向区间集合 [?90°，?72°]、[31°，47°]、[62°，79°]，受动态船舶主要影响形成改向范围为（?72°，31°）、（79°，90°] 的碰撞航向区间，符合船舶操纵运动对改向避碰的影响规律，可为实现船舶避碰辅助决策、自动避碰和动态避碰路径规划提供基础理论和方法.      

浅析船舶避碰决策研究的现状与前景

介绍了船舶避碰决策研究中的船舶碰撞危险度的确定方法,综合分析评价了船舶避碰决策系统的研究现状,指出基于AIS信息环境的船舶避碰决策系统研究是未来船舶自动避碰决策系统研究的新方向.     

全新的碰撞危险度在自动雷达标绘仪中的应用及实现

目前描述船舶碰撞危险程度的传统模型存在缺陷,有时甚至给出与事实不相符的结果.文中针对ARPA的需要和现有船舶碰撞危险度模型的不足,在分析船舶交叉点、船舶碰撞点、船舶冲突区的基础上,应用船舶安全矢量、船舶安全矢量的模、船舶安全系数和船舶碰撞危险度对多艘船舶会遇时的碰撞危险度作出判断,计算并排序.给出了多船避碰流程图,为船舶自动避碰决策系统提供选择和参考,并通过计算机编程予以实现.     

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.     

基于电子海图的船舶避碰技术的研究

通过对智能避碰过程中本船及目标船的相关参数、合适的选取船舶碰撞危险度的评价集以及各个因素对碰撞危险度的影响权重的研究,根据模糊理论建立船舶碰撞危险度评价模型.在评价模型的基础上结合简单的船舶运动模型,通过搜索出能使本船碰撞危险度最低的行动来建立避碰动作决策模型.采用Visual Studio 2008开发环境,在电子海图中对提出的模型进行实验仿真,实验结果验证其模型的正确性和合理性.     

船舶碰撞危险度模型优化

介绍船舶碰撞危险度的研究概况,阐述空间碰撞危险度的概念及理论模型,根据船舶在开阔海域能见度良好情况下的操纵实际,对碰撞危险度模型进行优化,使之更适用于决策避碰.     

特定水域避让操船经验的获取与验证

针对镇扬汽渡水域及汽渡轮的操纵特点,采用专家面谈与问卷调查相结合的方式,形成镇扬汽渡水域汽渡轮避让操船决策库;运用相对运动几何分析,从理论上证明了避让操船决策库的合理性;借助"镇扬汽渡轮航行避碰智能预警远程客户端"观测汽渡轮在典型会遇态势下的实际避让操船行为,验证决策库与汽渡轮船长实际操船行为的一致性.研究成果为汽渡轮避碰辅助决策算法研究提供专家避让操船的经验知识,也为特定水域船舶避碰专家经验知识的获取提供新思路.     

船载防避台智能决策支持技术研究

以船舶防避台实践经验、典型案例和领域科研成果为基础,用现代科技手段,研究船载防避台智能决策支持技术.它由电子海图、船舶动态管理、台风信息查询和台风路径自动标绘、船-台综合态势实时计算和模拟避台、避台智能决策等5个分支组成.综合运用相似理论、天气图方法、卫星云图分析法、台风数值预报等学科理论,构建船舶防台数据库、模型库、知识库,实现对船舶和台风路径全过程实时跟踪和监控、船-台态势分析、威胁等级判断、台风路径补充改正和航线天气预报、避台智能决策.     

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。     

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。      

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.     

船桥碰撞预警研究

为提高水上交通信息化管理水平,减小船桥碰撞事故带来的损失,基于模糊数学与专家咨询方法建立了船桥碰撞预警计算方法,将其应用于重庆船舶交通管理系统(VTS)中,进行实船试验.结果表明:该方法可以准确预报船桥碰撞危险,有效避免船桥碰撞事故,具有实用和推广价值.     

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。      

基于可拓方法的舰船避碰决策研究

提出了基于可拓方法对舰船避碰进行决策的设想,并对基于可拓方法的舰船避碰决策进行了初步研究,得出了避碰决策流程图以及探讨了决策过程中所要采用的方法和工具．