規(guī)則量化解析下船舶自動避碰模型與仿真研究.pdf

1、船舶自動避碰是國內(nèi)外航海學(xué)界研究的熱點和難點問題。為適用于航海實踐，船舶自動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)語進行量化解析是進行船舶自動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)境下的自動避碰仿真系統(tǒng)并進行驗證，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．船舶會遇局面類型辨識研究。為完善兩船會遇局面類型辨識模型，提出符合航海習(xí)慣的坐標(biāo)系和代數(shù)法 DCPA/TCPA計算模型，建立了基于兩船相互舷角比對和是否存在最終碰撞危險的船舶會遇局面類型辨識模型。
　　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

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

4、建立了實施避碰行動最早時機判斷模型和直航船可獨自采取避碰行動時機判斷模型，并提出不同局面和階段時本船應(yīng)采取的自動避碰方案。提出了兩船會遇局面最有效避讓行動判斷模型。
　　4．多目標(biāo)環(huán)境下的可行避碰路徑研究。以避讓最危險目標(biāo)為前提，將多船會遇局面劃分為多個兩船會遇局面，提出最初避碰行動方案。為了避碰行動能避讓所有目標(biāo)，引入速度障礙思想，針對開闊水域特點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)向控制模型實現(xiàn)了船舶轉(zhuǎn)向過程的精確動態(tài)控制，完成了改向過程中本船動態(tài)位置和耗費時間的精確計算，并在此基礎(chǔ)上提出了復(fù)雜環(huán)境中船舶自動避碰和路徑規(guī)劃方案的計算模型與方法。
　　本研究首次奠定了規(guī)則完全融入自動避碰和路徑規(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)船舶自動避碰與路徑規(guī)劃的計算模型和方法，構(gòu)建了自動避碰仿真系統(tǒng)，為后續(xù)研究提供了一個堅實的平臺。
　　主要創(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的船舶會遇局面類型辨識模型，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遇局面避碰態(tài)勢判斷模型和自動避碰方案。這些避碰態(tài)勢判斷模型包括局面要素數(shù)

7、值計算模型、采取避碰行動的最早時機判斷模型、直航船采取避碰行動時機判斷模型和最有效避碰行動判斷模型等。
　　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；建立了自動避碰仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了多類目標(biāo)環(huán)境條件下的最優(yōu)動態(tài)避碰路徑規(guī)劃。
　　通過對