規(guī)則量化解析下船舶自動(dòng)避碰模型與仿真研究.pdf

1、船舶自動(dòng)避碰是國內(nèi)外航海學(xué)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。為適用于航海實(shí)踐，船舶自動(dòng)避碰的研究必須遵守《1972年國際海上避碰規(guī)則》（簡稱《避碰規(guī)則》）和海員通常做法（二者統(tǒng)稱“規(guī)則”）。規(guī)則中有很多基于人類思維的定性術(shù)語，對這些術(shù)語進(jìn)行量化解析是進(jìn)行船舶自動(dòng)避碰研究的基本前提，因此量化解析具有重要意義。
　　本文以開闊水域的船舶自動(dòng)避碰及在此基礎(chǔ)上的路徑規(guī)劃為研究對象，對規(guī)則中的術(shù)語進(jìn)行了量化解析，提出了解析模型、方法，建立了開闊水域多

2、類目標(biāo)環(huán)境下的自動(dòng)避碰仿真系統(tǒng)并進(jìn)行驗(yàn)證，旨在減少人為因素對船舶操縱的影響，提高船舶操縱與避碰自動(dòng)化程度，降低船舶碰撞事故發(fā)生率。
　　本文的主要內(nèi)容包括：
　　1．船舶會(huì)遇局面類型辨識(shí)研究。為完善兩船會(huì)遇局面類型辨識(shí)模型，提出符合航海習(xí)慣的坐標(biāo)系和代數(shù)法 DCPA/TCPA計(jì)算模型，建立了基于兩船相互舷角比對和是否存在最終碰撞危險(xiǎn)的船舶會(huì)遇局面類型辨識(shí)模型。
　　2．規(guī)則量化解析下的四階段劃分模型研究。通過對碰撞危險(xiǎn)

3、形成點(diǎn)（FTCR）、緊迫局面形成點(diǎn)（FTCS）和緊迫危險(xiǎn)形成點(diǎn)（FTID）等局面要素公認(rèn)含義的研究，提出FTCR的數(shù)值計(jì)算模型，并建立基于MMG船舶運(yùn)動(dòng)方程和船舶領(lǐng)域理論運(yùn)用龍格庫塔方法和二分法的數(shù)值模型和方法，計(jì)算FTCS和FTID。
　　3．不同局面和階段兩船會(huì)遇局面中，規(guī)則量化解析下的本船自動(dòng)避碰方案研究。通過對船舶駕駛員實(shí)際操作流程的分析，改進(jìn)了碰撞危險(xiǎn)度模型，量化不同會(huì)遇局面的碰撞危險(xiǎn)度水平?；诰置骖愋捅孀R(shí)和階段劃分，

4、建立了實(shí)施避碰行動(dòng)最早時(shí)機(jī)判斷模型和直航船可獨(dú)自采取避碰行動(dòng)時(shí)機(jī)判斷模型，并提出不同局面和階段時(shí)本船應(yīng)采取的自動(dòng)避碰方案。提出了兩船會(huì)遇局面最有效避讓行動(dòng)判斷模型。
　　4．多目標(biāo)環(huán)境下的可行避碰路徑研究。以避讓最危險(xiǎn)目標(biāo)為前提，將多船會(huì)遇局面劃分為多個(gè)兩船會(huì)遇局面，提出最初避碰行動(dòng)方案。為了避碰行動(dòng)能避讓所有目標(biāo)，引入速度障礙思想，針對開闊水域特點(diǎn)提出了不可行航向區(qū)間和可行航向區(qū)間概念。提出了各類目標(biāo)的不可行航向區(qū)間數(shù)學(xué)模型和方

5、法，并以此為基礎(chǔ)，確定了能避讓所有目標(biāo)的可行航向區(qū)間。
　　5．安全避讓多類目標(biāo)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)避碰路徑研究。根據(jù)對避碰路徑的分析，提出安全避讓的最優(yōu)路徑方案。使用基于增量式PID控制和MMG的轉(zhuǎn)向控制模型實(shí)現(xiàn)了船舶轉(zhuǎn)向過程的精確動(dòng)態(tài)控制，完成了改向過程中本船動(dòng)態(tài)位置和耗費(fèi)時(shí)間的精確計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上提出了復(fù)雜環(huán)境中船舶自動(dòng)避碰和路徑規(guī)劃方案的計(jì)算模型與方法。
　　本研究首次奠定了規(guī)則完全融入自動(dòng)避碰和路徑規(guī)劃研究的理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新

6、性地提出了開闊水域多目標(biāo)環(huán)境條件下能夠?qū)崿F(xiàn)船舶自動(dòng)避碰與路徑規(guī)劃的計(jì)算模型和方法，構(gòu)建了自動(dòng)避碰仿真系統(tǒng)，為后續(xù)研究提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括：
　　1．提出了基于相互舷角比對和是否存在最終碰撞危險(xiǎn)的船舶會(huì)遇局面類型辨識(shí)模型，以及基于局面要素量化解析的階段劃分模型。
　　2．建立了基于MMG和船舶領(lǐng)域的對遇、追越和交叉相遇兩船會(huì)遇局面避碰態(tài)勢判斷模型和自動(dòng)避碰方案。這些避碰態(tài)勢判斷模型包括局面要素?cái)?shù)

7、值計(jì)算模型、采取避碰行動(dòng)的最早時(shí)機(jī)判斷模型、直航船采取避碰行動(dòng)時(shí)機(jī)判斷模型和最有效避碰行動(dòng)判斷模型等。
　　3．建立了海上多類目標(biāo)分類模型及相應(yīng)不可行航向區(qū)間計(jì)算模型和方法，提出了本船安全避讓多類目標(biāo)的可行航向區(qū)間計(jì)算模型和方法。
　　4．提出安全避碰最小改向幅度和最早復(fù)航的最優(yōu)路徑條件；建立了增量式PID和MMG的轉(zhuǎn)向控制模型和算法；建立了自動(dòng)避碰仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多類目標(biāo)環(huán)境條件下的最優(yōu)動(dòng)態(tài)避碰路徑規(guī)劃。
　　通過對