模拟退火算法在船舶转向避碰幅度决策中的应用

在船舶避碰决策过程中,转向避碰是采用频率最高的一种避碰方法。为了求得本船与多船会遇情况下的最优转向避碰幅度,应用模拟退火算法将本船与多船间的转向避碰幅度问题视作一类多目标函数优化问题,从而在可行解空间中求出满足目标函数和约束条件的最优转向避碰幅度解。仿真结果表明,上述方法不仅有助于求出多船会遇情况下的本船最优转向角度值,而且也有助于多船避碰决策系统的智能化设计与开发。     

海上多目标船物联网智能避碰辅助决策研究

船舶在海上航行的过程中,多船相遇会有不同的情况。本文将基于模拟退火的粒子群优化算法应用于海上多目标船舶智能避碰辅助决策中,建立船舶转向避碰幅度目标函数模型。最后利用仿真实验说明本文算法提高了全局的收敛速度、稳定性和通用性。     

基于拟态物理学优化算法的船舶变速避碰决策

为能在狭窄水域多船会遇情况下快速给出安全有效的避碰决策,提出一种基于拟态物理学优化算法(Artificial Physics Optimization, APO)的船舶变速避碰决策方法。该方法利用APO算法的快速寻优能力,根据《国际海上避碰规则》对变速行动幅度的要求,限定算法中可行解的空间,考虑变速冲程和冲时对会遇的影响,提高最近会遇距离值的计算精度,建立基于碰撞危险度和变速能量损失的目标函数,迭代进化获得全局范围内最优的速度值,即船舶的决策速度。狭窄水域多船会遇案例的仿真结果表明:决策速度下船舶能够安全有效地避让各目标船舶,该决策方法可行且有效,能够为船舶驾驶人员提供避碰决策支持。     

基于克隆选择优化的多船转向避碰决策

基于船舶碰撞危险度计算模型,在多船会遇态势下,利用克隆选择优化算法,本文提出一种最优转向避碰幅度计算方法。确定了最近会遇距离(DCPA)、最近会遇时间(TCPA)、两船距离、相对方位、船速比5个主要因素的隶属度函数,并考虑航行区域状况、能见度情况和船舶的操纵性能等对船舶碰撞危险度的隶属度函数修正。基于船舶碰撞危险度和航程损失的多目标函数优化,通过分克隆选择优化算法,在《国际海上避碰规则》约束的可行域空间内,获取全局范围内的最优解。仿真结果表明克隆选择优化算法对于处理多船会遇态势下的让路船转向避碰决策的有效性。     

分解协调法在船舶避碰决策中的研究

针对多船会遇的避碰决策情况,采用大系统理论的目标分解协调法将本船与多船之间的转向避碰幅度问题分解成多个独立的优化子问题,通过协调器求出本船转向避碰幅度的最优解。仿真结果表明,该方法不仅可以求解出多船会遇情况下本船的相对最优转向角,也为多船避碰智能决策系统提供参考。     

基于粒子群-遗传优化算法的船舶避碰决策

为能在开阔水域中提升船舶驾驶员在多船会遇场景下的避碰决策能力,按照国际海上避碰规则(Convention on the International Regulations for Prerenting Collisions at Sea,COLREGs)的要求,综合考虑船舶航行的安全性与经济性,提出一种基于粒子群-遗传(Partide Swam Optimization-Genetic Algorithm,PSO-GA)的混合优化避碰决策算法。基于最近会遇距离(Distance of Close Point of Approaching,dCPA)和最近会遇时间(Time to Close Point of Approaching,tCPA)确定船舶碰撞危险度(Collision Risk Index,ICR)的计算方法,基于转向幅度与航行时间建立避碰决策目标函数。基于PSO-GA算法具有提高收敛精度和加速全局寻优的特点,当ICR≥0.5时,启动PSO-GA算法,获得让路船舶在全局范围内的最佳转向幅度和在新航向上的航行时间。仿真结果表明:与单独使用PSO或GA算法相比,PSO-GA算法能够以较少的迭代次数找到安全经济避碰航线。提出的避碰决策算法能够为船舶驾驶人员在避碰决策中提供参考,有助于提升船舶航行的安全性和降低船舶碰撞事故发生的风险。     

船舶碰撞危险度的避碰决策模型

船舶碰撞危险度是影响船舶航行安全的重要参数,对船舶在航行中的避碰决策起着指导性的作用。船舶在会遇时,快速而且准确的计算出船舶碰撞危险度,是进行船舶间避碰决策的基础。然后,结合船舶碰撞危险度模型和避碰几何原理,建立船舶避碰决策模型,该模型能够为船舶驾驶员提供采取避碰行动的时机和转向幅度,以获得避碰行动的最优解。     

海员避碰行动各指标相关性的多元回归分析

在获取大量海员避碰行动样本的基础上，通过建立多元线性回归的数学模型，分析了转向时机、转向幅度、目标船舷角、会遇两船的船速比等4个指标与目标船最后通过距离之间的相关性大小，结论对海员避碰行动决策有一定的参考价值。由于样本是在对海员进行航海模拟器训练中获得的，从而说明了用航海模拟器来研究避碰行为的可行性以及STCW公约强化模拟器训练的必要性。     

基于前景理论的船舶避碰决策优化方法

针对船舶避碰决策行为差异,提出一种运用前景理论求取最佳船舶避碰决策方案的优化方法。在分析避碰行为个体差异的基础上,运用前景理论和多指标灰关联决策相结合的方法,构建考虑驾驶员风险态度的船舶避碰方案选择决策优化模型,以船舶碰撞危险度、航程损失和轨迹平稳性作为决策指标,研究在同一会遇场景下驾驶员不同风险态度的最优避碰方案并进行对比分析。研究结果表明:该模型可优化船舶驾驶员在不同风险偏好下的最优避碰方案选择,将前景理论运用到船舶避碰决策优化中是可行且有效的,能为船舶避碰决策和决策拟人化提供支持。     

基于对策论的避免船舶不协调避碰行动模型

本文通过建立基于对策论的避免船舶不协调避碰行动模型，对两船会遇中船舶的避碰行动的时机问题和转向方向问题进行了探讨。     

免疫粒子群算法在船舶避碰上的应用研究

在船舶避碰决策过程中,转向避让是采用频率最高的一种避让方法.为了获得更加有效和合理的转向幅度,以来船与本船构成的方位、距离、船速比、最近会遇距离和最近会遇时间为主要参数,并综合考虑其他因素来确定船舶间的碰撞危险度,通过改进的免疫粒子群算法,建立相应的适应度函数模型,进而求出最优转向幅度.仿真结果表明,改进的免疫粒子群算法对于处理多船会遇情况下的本船最优转向幅度,结果准确可行.     

基于航迹推演的船舶动态智能避碰方法

针对受限水域船舶动态智能避碰问题,将航迹预测与改进速度障碍相结合,提出一种船舶动态智能避碰方法。建立两船相对运动模型并实时计算船舶避碰运动参数,基于三自由度船舶操纵运动数学(MMG)模型和Kalman滤波算法分别预测本船(OS)和目标船(TS)下一时刻运动状态;然后结合《国际海上避碰规则》(简称《规则》)、良好船艺、航迹预测模型、速度障碍算法和航向控制系统等分析设计船舶动态智能避碰决策模型;通过仿真试验验证动态智能避碰决策模型的可行性和有效性。结果表明：该算法可满足受限水域两船和多船复杂会遇局面下船舶智能避碰,实现动态避碰条件下的船舶安全航行。     

海上船舶互见中DCPA决策模拟模型

本文在前人研究成果的基础上，提出了船舶领域模糊边界的概念，运用模糊集合论建立了船 舶互见中DCPA决策模拟模型，此模型能模拟船上驾驶人员避碰操纵时的避让行为，故可用于研究和模拟船舶避碰和海上交通等领域的现场实态。     

海上避碰行为的统计研究

海上避碰行为的统计研究是改善和提高广大海员的避碰技术和探求修改国际海上避碰规则的有效途径之一。我们通过向广大海员散发“海上避碰实况调查表”取得了202次避碰实况数据。我们采用:①采取避碰行动时两船距离(D);②采取避碰行动时目标船会遇最近距(CPA);③转向避碰行动的幅度(△C);和④两船实际通过距离(d)这四个表征量对各避碰行动作了统计,并将统计结果与学者推荐的数据作了比较和分析。互见中让路船采取行动的上述四个表征量的均值,分别为D=3.5海里,CPA=0.53海里,△C=18°,d=124海里;而能见度不良时D=3.8海里,CPA=0.47海里,△C=29°,d=1.32海里。从统计分布看,多数海员采用的四个表征量的数值比学者建议的数值小,互见中夜间的CPA均值只有白天的一半,大洋中CPA比沿海的小得多,其原因有待进一步研究。少数海员的避碰行动,没有遵循避碰规则关于避碰行动应“早”、“大”、“宽”的规定,甚至在对遇情况下采取左转避让,这存在潜在的碰撞危险,值得警惕和改善。这一统计研究工作将继续进行,以便在有更多更充分的数据基础上,弄清和掌握海员避碰行为的规律性,为避碰数学模型提供人的行为方式的因素。     

船舶在能见度不良非互见时的避碰研究

船舶在能见度不良非互见时的避碰研究一直是航海人员非常关注的问题。为此本文在对前人研究成果总结和分析的基础上,结合《国际海上避碰规则》第十九条第四款规定,总结出一船仅凭雷达测到他船时的具体避让方法,对于转向避让、变速避让及转向结合变速避让分象限进行具体分析。     

规则约束下基于深度强化学习的船舶避碰方法

为减少因人为操作不当导致的船舶避碰事故,提高船舶航行的安全性,提出一种基于深度Q网络(Deep Q Network, DQN)强化学习方法的船舶智能避碰算法。依据船舶间实时获取的航行状态信息,从全局角度构建智能避碰算法深度强化学习状态集;在对《国际海上避碰规则》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGs)进行充分理解的基础上合理量化部分COLREGs,综合考虑航向跟随、船舶碰撞和规则符合等因素,设计船舶智能避碰DQN算法奖励函数,保证避碰决策安全有效且满足避碰规则的要求。分别针对两船和多船会遇场景进行仿真试验,结果表明:该方法可使船舶在COLREGs的要求下有效避让来船,为船舶智能避碰技术的研究提供参考。     

自主船舶与有人驾驶船舶动态博弈避碰决策

[目的]为实现船舶的高效避碰与安全航行,针对自主船舶与有人驾驶船舶混合航行环境下的交互避碰问题展开研究,提出一种多智能体交互的船舶动态博弈避碰决策方法。[方法]依据驾驶实践,理解并分析混行环境下的船舶避碰问题,基于《国际海上避碰规则》量化船舶会遇态势及碰撞危险,引入动态博弈理论,将存在碰撞危险的船舶个体建模为博弈中具有独立思想的参与者,并以船舶的航向改变量为博弈策略,在船舶安全性收益、社会性收益及经济性收益约束下求解船舶的最优行动序列,以及将船舶驾驶员风格的差异化引入仿真实验中以验证避碰决策的有效性。[结果]结果显示,所提方法能够在自主船舶与有人驾驶船舶混行场景下实现多船的安全会遇;各船在面对不同驾驶风格的目标船舶时均能类人地调整自身的行为策略,从而实现安全避让。[结论]所做研究可为自主船舶及有人驾驶船舶的避碰决策提供参考。     

危险模式免疫控制算法优化船舶避碰策略

危险模式免疫算法是仿照生物免疫系统和基因学的一种优化搜索方法,适用于复杂问题的求解.介绍危险模式免疫算法的原理.并将该算法应用于优化船舶避碰策略.结合船舶碰撞危险度及船舶运动数学模型等相关领域知识,实现了船舶避碰策略的优化.通过仿真验证了算法的有效性,从而为船舶避碰决策提供了新的方法和思路.     

交叉相遇局面中船舶避碰行动的不确定性

通过对船员避碰行动调查,根据信息熵理论研究评价了在交叉相遇局面中让路船舶两船间初始ＤＣＰＡ和距离采取避碰行动种类的不确定性,并与在接近对遇局面的相应情况进行了比较,为处于相应局面船舶的避碰决策提供参考。     

免疫粒子群算法在夜航船舶避碰规划中的应用

受夜晚环境的影响,传统的船舶在航行过程中存在碰撞事故多发的问题,为此应用免疫粒子群算法对夜航船舶避碰规划方法进行优化设计。首先利用航行船舶上的AIS设备确定夜航船舶运动参数,并结合障碍船的位置划分夜航船舶会遇态势。设置夜航船舶安全会遇距离并计算夜航船舶碰撞危险概率。应用免疫粒子群算法更新船舶速度和位置,当两船之间的碰撞危险度达到危险区间,确定避碰时机以及幅度,进行夜航船舶避碰规划。实验结果表明,应用免疫粒子群算法,能够有效地降低碰撞事故发生率。