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。     

灰色预测在船舶避碰时机决策中的应用

针对船舶避碰决策系统中的船舶运动趋势和避碰时机，应用灰色系统理论预测模型，实时预测各目标船相对于本船在下一时刻的运动参数，预估目标船相对于本船的最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA；同时，对于灰色预测模型预测误差大的问题，提出了先缓冲后预测的处理思想，并对缓冲算子作了改进。仿真结果表明，该方法能有效提高船舶海上航行的灵活性和安全可靠性，达到提前预警和帮助驾驶员提前做好避碰准备与应急措施等目的。     

不同会遇态势下目标船行为模拟及其特征分析

划分目标船与本船的会遇态势是船舶驾驶人员确定避让责任和采取避让行动的前提条件,对船舶的航行安全至关重要。为验证现有会遇态势划分方法的有效性,明确相对方位和航向差与会遇态势的关系,掌握船舶在不同会遇态势下的运动特征和视觉特征变化情况,利用计算机模拟了不同会遇态势下的目标船和本船的运动,统计分析了目标船与本船的距离、相对方位和本船观察目标船视角3个参数的变化情况,得出了不同会遇态势下目标船的行为特征。研究结果表明:在进行船舶会遇态势划分时,除了目标船的相对方位和航向差、距离也是重要的影响因素;单独利用相对方位进行会遇态势划分是不合理的。同时,本船观察目标船的视角大小及其变化情况与会遇态势密切相关,可将其作为会遇态势的划分依据,这说明利用目标船的视觉特征进行会遇态势划分是可行的。     

航行船舶安全会遇距离

为更好地保障船舶航行安全,在考虑各种影响因素的基础上,通过运用数理统计理论,研究航行船舶安全会遇距离的分布规律,得到航行船舶安全间距与船型尺度的数学表达式。结论表明:航行船舶尺度越大,船舶所需要的安全会遇距离也越大,两者成二次方关系。     

基于规则的多船协调避碰决策算法及仿真验证

为能在多船会遇局面下快速制定满足《国际海上避碰规则》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGs)和设置安全距离的避碰方案,设计一种在多船之间各自按COLREGs进行避碰决策的协调避让算法,解决现有的多船会遇研究中,仅靠1艘船避让难以达到合理有效的避让效果以及多船近距离转向避让可能无法完全有效避碰的问题;通过蒙特卡洛思想随机生成船舶初始会遇场景,并设置个别船舶未调用避碰决策算法进行决策,验证该决策算法在开阔水域以及在约定条件下的普适性和鲁棒性。研究结果表明:随着船舶数量增加,会遇越来越复杂,在4艘船会遇的复杂场景下,超99.51%能在大于安全会遇距离(Safe Distance of Approach,S_DA)的情况下通过;运用该模型船舶避让行动符合良好船艺要求,运动轨迹平滑,船舶间距离变化均匀;该决策模型具有良好的避让效果,可为船舶避碰提供参考。     

枢纽双线船闸船舶航行会遇方式研究

文章以株洲航电枢纽和长沙综合枢纽为例,分析了双线船闸共用引航道和非共用引航道的布置特点以及航行区段的划分问题。采用三维水流数值模拟和船舶操纵数学模型研究手段分析了株洲航电枢纽和长沙综合枢纽坝区河段的航行条件及船舶进出闸会遇方式。在此基础上提出了双线船闸船舶安全高效的航行会遇方式及航行管理措施。     

不同水域船舶会遇危险评判阈值

为确保船舶在不同水域实现不同会遇局面下的有效避碰,减少船舶碰撞事故的发生,依据《国际海上避碰规则》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGs)划分船舶航行水域和会遇局面,利用解析几何分析方法,结合调查问卷研究不同船型、不同会遇局面下的临界安全会遇距离S_DAc。结果表明:船舶会遇危险阈值存在差异性,无水域宽度限制的开阔水域和繁忙水域均为左舷来船时S_DAc小于右舷来船时S_DAc,水域宽度受限的航道水域左右舷来船时S_DAc基本相同;在相同会遇局面下,船型越大,S_DAc越大,船舶越危险;船型相同时,对遇、追越和交叉局面下的S_DAc逐渐增大,危险度也逐渐增大。     

船舶操纵性对MSPD决策模型的影响

MSPD,即最小安全会遇距离决策模型,是船舶智能避碰仿真中重要的模型之一。航海实践中诸多因素对最小安全会遇距离有影响,但众多决策模型中并没有涉及对船舶操纵性的影响。就此文章引入船舶操纵性延迟的影响,以使得所求最小安全会遇距离更加贴近航海实际情况,并在判断碰撞危险、确定避碰行动幅度上直接以该模型为参照和标准。     

船舶防撞系统中激光测距技术的应用

船舶碰撞会造成严重的后果,尤其是LNG船、大型运输船等,不仅会危及船舶工作人员,还会造成燃油泄漏等环境污染。随着船舶工业的技术进步,船舶向着高速化、大型化发展,同时也给海上交通管理和船舶避撞带来了压力。为了提高船舶航行的安全性,研究船舶防撞系统意义深远。本文采用激光测距技术,精准的获取会遇船舶之间的距离,及时调整船舶的航行线路,降低船舶发生碰撞的概率。     

基于感知差异的多船会遇冲突评估方法

为提高海上交通监管中的多船会遇冲突评估能力,保障船舶航行安全,提出一种考虑船舶感知差异的多船会遇冲突评估方法.采用水域自适应的船舶领域作为冲突量化的依据,综合考虑冲突中船舶间的时间接近度和空间接近度以及不同大小船舶对冲突的感知差异,构建有向的船舶冲突严重度量化指标;基于多船会遇场景中的冲突关系,建立多船冲突有向图网络,...     

船舶智能航行安全风险及其演化研究

认知安全风险是构建基于船岸协同的船舶智能航行系统的前提条件.基于船岸协同关系研究结论,根据船舶智能航行系统技术特点和"智飞"号智能航行测试结果,研究构建了船舶智能航行风险演化概念模型及其数学表达模型,分析了无人化趋向、基于航行场景和连锁效应下的风险演化一般规律及其特征,为船舶智能航行风险认知和管控、政府治理以及基于船岸...     

狭水道中航行船舶间距控制的研究

船舶在狭水道中航行,合理的船间距对于船舶的安全营运非常重要.本文通过分析新航向距离,并结合船间效应给出了船舶的最近会遇距离,得出了狭水道内航行的最小船间距的计算公式,为船舶驾驶员的进出港操纵及港口调度的人员提供参考.     

基于CSSOA的多船智能避碰决策研究

[目的]智能避碰决策作为船舶安全航行的关键技术之一,对智能船舶的发展具有重要意义。针对多船会遇下的智能避碰决策问题,提出一种基于高斯变异和Tent混沌的改进麻雀搜索优化算法（CSSOA）。[方法]算法采用Tent混沌映射初始化麻雀原始种群,提高其多样性,并对适应能力差和搜索停滞的麻雀个体进行混沌映射,利用高斯变异提升局部搜索能力和鲁棒性,改进方案优化启发式算法收敛速度慢和易陷入局部最优的问题。综合考虑船舶间船速比、最小会遇距离、相对距离、最小会遇时间、相对方位等因素,利用模糊隶属度函数建立船舶碰撞风险模型,并通过多船典型会遇场景进行实例验证。[结果]实验结果显示,改进算法的平均迭代次数较粒子群算法和原麻雀算法分别减少了77.97%和53.57%。[结论]改进后的麻雀优化算法能以更优的收敛速度寻到安全经济的避碰路径,为船舶驾驶员提供避碰决策参考。     

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。     

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...     

多船会遇自主避碰算法

船舶碰撞事故不仅带来人员和财产的巨大损失,还造成了环境污染、资源浪费等严重后果。因此,船舶自主避碰技术已成为当前船舶与航运领域研究的热点问题。提出了一种满足COLREGs避碰规则的多船会遇自主避碰算法,以经典速度障碍法为基础设计自适应采样避碰轨迹生成算法,并应用运动基元理论对避碰轨迹进行调整,使轨迹满足船舶操纵性约束条件。针对案例三体船模型,完成了多船会遇场景下的船模自主避碰航行试验,验证了所提算法的有效性和实用性,对船舶自主避碰系统的研发具有重要借鉴意义。。     

航行控制算法的智能评估架构设计

控制算法测试验证评估是确保智能船舶航行性能可靠性和安全性的关键。本文梳理了国内外智能评估技术的发展现状,以Transas船舶航行模拟器为船舶智能航行虚拟测试平台,进行航行控制算法测试评估。根据船舶直线段和弯曲段航行特征建立评估指标,提出航行控制算法智能评估系统的设计思路、框架结构和构建流程,初步建立虚拟仿真测试下的船舶航行控制算法智能评估体系,指出该智能评估系统所涉及的关键技术。基于以上研究,对船舶航行控制算法虚拟测试评估技术和未来改进方向进行总结。     

智能船舶的反应型避碰规划研究

对于多船会遇场景而言,在反应型避碰规划中考虑操船者意图具有明显的优越性,可在紧迫局面下更合理地执行《1972年国际海上避碰规则》（即COLREGs）的背离规则。对此,提出一种基于隐马尔可夫模型的操船意图预报方法,将生成的目标船意图预报结果与经典速度障碍法相融合,产生更合理的碰撞危险评估结果,据此建立的反应型避碰规划算法比经典速度障碍法更安全。依托案例三体船完成的自主避碰试验,验证所提改进算法的有效性、可靠性和实时性,为智能船舶的自主避碰研究提供参考。     

船舶智能避碰决策系统中会遇局面决策模型

会遇形势(encounter situations)是确定所适用的规则条文进而确定避让责任和应采取的避让行动的重要依据之一,也是船舶智能避碰决策与控制系统的组成部分.此文综合分析国内外现有文献资料的基础上,提出了更适合船舶智能避碰决策系统的会遇形势划分方法,并建立了相应的决策模型.     

基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究

[目的]提出一种改进的动态窗口法,以解决近海水域智能船舶在面对夹击及动静混合会遇时无法有效避让的船舶避障问题。[方法]为得到在近海水域航行的船舶约束条件,针对近海水域对船舶避障的影响因素进行分析,同时提出近海水域船舶航行最低避障要求;然后对动态窗口法（DWA）的目标函数进行优化改进,并将其与船舶和障碍物的距离相关联,以提升船舶在航行图中的安全性,同时将目标函数中的航向权值引入船舶会遇态势判断,以使目标船舶可以有效判断船舶的避障责任;最后,通过仿真模拟验证改进算法的有效性。[结果]仿真结果表明,所提的改进算法在分别遭遇夹击以及复杂会遇的情况下,能够清晰地判断船舶的避障责任,降低航行过程中的速度变化陡峭度,且所规划的船舶航行路径可有效提升船舶航行的安全性。[结论]所提避障算法可为解决近海水域智能船舶遭遇复杂会遇情景的避碰失败问题提供参考。