复杂海况下基于强化学习的USV局部路径规划方法研究（英文）

Conducting hydrodynamic and physical motion simulation tests using a large-scale self-propelled model under actual wave conditions is an important means for researching environmental adaptability of ships. During the navigation test of the self-propelled model, the complex environment including various port facilities, navigation facilities, and the ships nearby must be considered carefully, because in this dense environment the impact of sea waves and winds on the model is particularly significant. In order to improve the security of the self-propelled model, this paper introduces the Q learning based on reinforcement learning combined with chaotic ideas for the model's collision avoidance, in order to improve the reliability of the local path planning. Simulation and sea test results show that this algorithm is a better solution for collision avoidance of the self navigation model under the interference of sea winds and waves with good adaptability.     

基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法

[目的]为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法。[方法]首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响碰撞危险度因子的模糊隶属度函数,提出一种多元碰撞危险度评估模型,实现船舶碰撞危险度的精确计算;最后,以船舶避碰总路径最短为目标函数,提出一种基于驾驶员视角(BOP)的智能避碰决策模型,在船舶操纵性、舵角限幅等约束下求解最优避碰策略,并在典型的会遇场景下进行仿真实验。[结果]结果表明,该方法可以准确判断驾驶航行态势,给出合理的转向策略,实现典型会遇场景下的有效避碰。[结论]所做研究可为实现船舶自主航行提供理论基础和方法参考。     

舰船自动智能避碰数学模型及其仿真研究

为了提高舰船航行的安全和效率,达到最佳操船效果,需要建立舰船自动智能避碰数字模型.当前模型在分析舰船避碰风险度的基础上,通过人工智能、进化计算和软计算等方法实现舰船自动智能避碰,存在避碰识别准确率较低的问题.本文提出一种新的舰船自动智能避碰数学模型,首先对舰船会遇态势进行判断;然后建立预测舰船碰撞风险判断模型,预测本舰船实施自动智能避碰方案后的复航时机是否已到,以及本舰船立即复航是否能够让清目标舰船或其他所有目标舰船;最后依据舰船碰撞风险判断结果,以当前舰船潜在碰撞风险为例,建立舰船自动智能避碰数学模型.仿真结果证明,所提模型能够实现舰船自动智能避碰.     

跨海大桥桥区航道智能助航系统研发

跨海大桥桥区航道是典型的船舶航行受限水域,船桥碰撞安全风险大,桥区航道智能助航技术有助于提高桥区航道安全保障水平。分析了桥区航道通航风险因素以及水文气象分布规律,按通航规则将水域划分为预警、警戒、航道等不同区块,构建了桥区航行的船舶动态领域风险辨识模型。研发了自主检测船舶动态并向其播发防撞预警信息的装置,以及自动管理和运行软硬件设施的桥区航道船舶避碰智能助航系统。该系统已应用在福建省平潭海峡大桥桥区航道,有效改善了桥区水域的航道通航安全形势。     

考虑船位预测不确定性的船舶碰撞危险度计算方法

[目的]船舶碰撞是威胁智能船舶航行安全的主要因素。船舶碰撞危险度计算模型应及时发现船舶航行中潜在的碰撞风险,为智能船舶的自主避让决策提供依据。[方法]首先,根据船舶领域侵入程度与侵入时间等参数,分析基于领域的碰撞危险参数计算模型,将航行场景划分为单船会遇局面和本船与船舶群组的会遇局面,给出一种新的多船会遇情况下的碰撞危险参数计算模型;其次,基于维纳过程对船位预测不确定性进行建模,根据卡方分布获取船位预测不确定性椭圆;最后,给出考虑船位预测不确定性的碰撞危险参数计算方法。[结果]该计算模型能够考虑船位预测不确定性对船舶碰撞危险的影响。[结论]可以进一步保障智能船舶的海上航行安全。     

Path-planning algorithm for ships in close-range encounters

Efficient maritime navigation through obstructions at close range is still one of the many problems faced by mariners. The increasing traffic densities and average cruise speed of ships also impede the collision avoidance process by reducing the time available for decision making. This study develops a path-planning algorithm that determines an optimal navigation path for ships in close-range encounters, using known and predicted data about the traffic and environment. An improved ship dynamic model has also been developed to better approximate the ship movement under external influences, and the algorithm was evaluated with a set of test cases simulating various traffic scenarios typically encountered at close range. Since the method is based on evolutionary algorithm, the algorithm behaviours were evaluated statistically, where properties such as consistency and practicality of the algorithm outputs are discussed.     

大型LNG船舶系泊条件试验研究

以某开敞式LNG接收站码头工程为例,通过物理模型,采用国内先进的仪器设备和试验手段,包括国内第一台可吸收式L型造波机等,模拟了风、浪、流对系泊船舶的共同作用,分析探讨了大型LNG船舶系缆力和撞击力对风浪流三种环境荷载不同方向的响应。通过优化系缆墩的布置和系缆方式,达到了LNG船舶安全系泊要求,为工程设计和运营提供了依据。     

实际海浪环境中舰船大尺度模型试验研究进展

目前对舰船总体性能的研究主要是依靠数值计算、水池模型试验、实际海浪环境大尺度模型试验以及实船海试等方法,以上各种方法均有一定的适用范围.实际海浪环境中舰船大尺度模型试验技术是采用适当缩尺比的自航船模在自然水域环境中进行的试验,可以研究舰船在开阔海域自由航行状态下的各项航行性能.分析各种舰船总体性能研究方法的优缺点,针对目前舰船总体性能理论与试验研究存在的问题分析开展舰船大尺度模型海上试验研究的必要性,综述国内外大尺度模型试验技术的发展现状,最后针对该试验技术中的关键技术及热点问题进行总结与展望.     

基于深度学习的海上目标快速检测方法

在智能海洋船艇自主导航和避障过程中，对周边环境的感知能力非常重要。本文针对智能船艇对环境感知的速度和精度需求，提出了基于深度学习的海上目标快速检测方法，并构建了以船舶、浮标和岛屿为检测目标的海上目标数据集。本方法通过提取目标图像不同尺度特征语义信息，应用多框检测器实现对目标的分类和定位，采用非极大值抑制算法筛选最优结果，实现了海上目标快速高精度检测。实验结果表明，本方法在自建数据集上取得了83.3%的识别正确率，单帧耗时9.8ms, 在相同实验条件下，正确率和单帧耗时均优于现有同类快速目标检测方法，证明了该方法可以满足智能船艇对环境感知的速度和精度需求。     

动态信号采集分析仪(CY-1型)系统及原理

介绍了动态信号采集分析仪（CY-1型）的原理。该系统适用于多种物理模型试验，如船舶性能、船舶在风浪流自然载荷条件下对港口设施的影响（码头受到的撞击力与缆绳受到的拉力等）、桥墩防撞设施以及水工结构物等。实践表明，该系统精度高且操作方便，所以在物理模型试验中是不可或缺的。最后指出了可进一步完善该系统的若干方法。     

滚装重荷载应急卸载过程的浮基多体系统动力学分析

在救灾和战争等非常情况下，利用中小型近海滚装渡轮或改装后的渔轮渡海输送重荷载，具有可征用船只数量多和装卸载不依赖吊装设备等优点。缺乏港口屏蔽的海浪环境中重荷载进行滚动卸载时，必须考虑波浪对船的作用和重荷载与船的相互作用。本文通过对船在波浪中所受表观重力和表观浮力的分析，导出波浪作用力矩的计算公式。运用浮基多体系统动力学方法，建立波浪-浮基-重荷载系统的动力学方程。使用标准的龙格-库塔四阶方法进行数值积分求解。考虑海况、船型和重荷载在船上运动参数等因素，计算了各工况下的横摇运动响应。进而给出了重荷载安全快速卸载的驾驶操作要求及相关运动规律。     

Artificial forces for virtual autonomous ships with encountering situations in restricted waters

ABSTRACT

Even if the same two ships operate in the same encountering situation, the actual strategies and timing of operations may be different. Therefore, the fixed collision avoidance trajectory and ship movements are no longer suitable for simulating the real ship behaviour. This paper tries to develop an artificial intelligent system that fully sensitive to the local circumstances and command a ship in virtual environment. Based on AIS (Automatic Identification System) data, this study has developed artificial forces which help decision makings on-board independently under different situations and catching the stochastic nature of ship behaviours during collision avoidances manoeuvring. Actual ship tracks are helpful for ascertaining the parameters that contribute to artificial forces in collision avoidances, while the correlation coefficient analysis is helpful to distinguish the parameters. This study will help to develop a navigation traffic simulation to reflect the realistic ship behaviour and provide reliable information for port and waterway planning, risk analysis, and mitigation measures. The method can be used in developing algorithms for autonomous ships. The method introduced in this study lays a foundation for developing artificial forces at intersections or bends, although the model is only applicable in straight channels at the moment.     

电子海图信息系统(ECDIS)在船舶航行中的应用

为进一步丰富电子海图信息系统的功能,更好地发挥电子海图信息系统在海上航行中的作用,本文主要介绍ECDIS与雷达、AIS、VTS的兼容作用,进行数据融合,优势互补,为船舶导航提供可靠的信息。通过兼容作用确保船舶安全航行、船舶避碰和岸基服务具有十分重要的意义。     

涪江吴家渡电航工程船模通航试验研究

采用自航小尺度船模技术,通过水工模型对吴家渡电航工程的通航条件进行了研究。试验结果表明,当Q≤3000m3/s时,该枢纽工程的通航条件满足Ⅴ级航道通航标准。试验发现,船队的航线和驾驶方式以及枢纽的运行方式对航行安全都有很大影响。建议枢纽建成后,通过设置航标等方法确保过往船舶顺利通航。     

浅谈滚装客船风浪中大角度避碰

滚装客船易受风浪影响,大角度避让会产生更大的横倾,导致汽车倾翻、失火、沉船等事故。根据《国际海上避碰规则》的要求,结合本类船舶的特点,值班驾驶员应及早地小舵角避让,确保安全航行。     

船舶大风浪航行风险等级评估

船舶在风浪中航行所承受的不利影响包括14项风险因素.在此基础上探讨了船舶在三维非规则波中,基于方向谱的六自由度摇荡及动力响应风险因素统计特征值的计算方法;并介绍了稳性、强度和操纵性风险因素的计算模型;对实船的计算结果表明了模型的有效性.提出了基于FSA(Formal Safty Assessment)的模糊综合评判方法的船舶航行风险等级评估模型,可供航运公司和海事部门实施在航船舶风浪航行风险预报参照.     

中间渠道交汇区尺度及船舶航行方式研究*

利用自航船模试验,研究两级单线航道中间渠道供船舶交汇错船的交汇区尺度及船舶航行方式。试验表明,中间渠道交汇区通过斜导墙缩窄分别与上、下游通航建筑物连接,过渡段长度大于2倍船长是合理的。参考相关标准和设计规范确定交汇区宽度和船舶航行方式,确保一线船舶停泊另一线船舶以正常航速航行能在交汇区顺利进行交汇,以提高通航建筑物通过能力和船舶航行安全性。     

多船避碰决策理论与模型分析

考虑到多船避碰的影响因素众多,除考虑周围船舶的态势外,还需考虑风流等自然因素的影响,以及避碰规则的种种制约,为此,分析多船的会遇局面以及避碰的机理,充分考虑影响避碰的各个因素,运用静态非完全信息的博弈论建立多船避碰决策的数学模型.     

基于自动文本分析的船舶避碰案例学习模型

构建基于自然语言处理的案例学习模型,以文本形式描述的船舶避碰案例,通过自动分词、消岐和语义分析等步骤,从中提取和生成以框架形式描述的避碰案例,并将其存储在计算机中。仿真试验表明,该模型可以实现避碰案例从文本文件到可用案例的有效转换,为案例学习提供新的方法。     

营运船舶航行性能和海洋环境监测平台开发验证

EEDI是衡量船舶能效水平的重要指标.由于试验条件限制,目前主要还是依靠模型试验结果对交船测试进行修正换算得到.上海船舶运输科学研究所自主研发了航行性能和海洋环境监测平台,可对营运船舶开展长期跟踪监测,实时收集船舶营运阶段的航行环境和性能参数,通过自动识别航行状态,划分海区、海况和船舶载况等因素对于船舶功率与航速的影响,可获得营运船舶实际EEDI指标,提高EEDI实船验证结果的准确性.监测平台在某万箱级集装箱船进行相关验证,并已展开长期监测.