开阔水域船舶智能动态避碰决策研究

摘要

随着中国制造2025计划提出，工信部积极推进智能船舶的发展，于2016年设立了“智能船舶1.0研发专项”，目标是在现代互联网技术的基础上，构建统一的网络平台和信息平台，开展智能船舶共性技术、关键设备及系统开发，完成具备船舶综合能效管理、设备运行及维护、自动驾驶辅助决策和船岸一体化通信管理等功能的中国智能船舶1.0的研制。目前船舶领域的技术发展远远落后于汽车、飞机等领域的，这极大地影响了海上航行的安全，尤其是船舶避让行为的决策主要依靠船员经验，具有很大的不确定性。本文以开阔水域智能船舶避碰的决策算法为主要研究对象，提出了一种多船会遇情况下避碰航线规划的方法，并进行了仿真验证。
　　首先，对船舶避碰领域的知识进行分析。研究开阔水域中船舶避碰的过程和船舶避碰决策的基本原理;分析两船会遇时会遇态势的判断、安全会遇距离，并在对船舶相对运动参数研究的基础上，分析船舶采取转向避让措施对会遇态势的影响;简要分析多船会遇情况下的避让决策。
　　然后，对可应用于智能船舶避碰决策的算法进行比较。对船舶避碰问题进行分析，提出了传统避碰系统的缺点，并提出改良的避碰危险度分析方法;分析遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、人工鱼群算法这4种新型智能算法的基本原理、应用步骤和特点;应用Matlab软件对这4种算法的收敛速度、求解精度进行比较，分析各自的优缺点;结合船舶避碰过程的特点，提出应基于遗传算法研究船舶避碰决策算法。
　　最后，研究基于遗传算法的船舶避碰决策算法。建立基于遗传算法的船舶避碰模型，分析遗传因子结构及编码方式，并在充分考虑避碰过程的安全性、经济性、规则符合度的基础上，设定遗传算法的目标函数和适应度函数;研究遗传算法对船舶避碰决策问题的操作手段和决策流程;在Visual C++6.0的开发环境下，设计基于遗传算法的船舶避碰系统，验证算法的可行性;并对遗传算法的参数进行优化，提高遗传算法的效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．2船舶避碰决策算法

1．2．1船舶避碰危险度评价

1．2．3船舶避碰研究的前沿热点

1．3本论文的主要研究工作

第2章船舶避碰原理及数学模型研究

2．1船舶避碰的基本原理

2．1．1船舶避碰一般过程

2．1．2船舶会遇情况划分

2．1．3避让责任

2．2安全会遇距离模型

2．2．1 基于船舶领域的安全会遇距离模型

2．2．2基于碰撞区域、操纵余地的安全会遇距离模型

2．2．3 两种安全会遇距离模型的比较

2．3船舶运动学模型

2．3．1 船舶相对运动参数计算

2．3．2己船改向对DCPA和TCPA的作用

2．4多船会遇问题

2．5本章小结

第3章船舶避碰问题分析及智能算法比较研究

3．1船舶避碰问题分析

3．1．1传统船舶避碰决策算法的缺陷

3．1．2船舶碰撞危险度分析

3．1．3船舶避碰问题的约束

3．2船舶避碰问题智能算法的分析

3．2．1算法基本概念

3．2．2算法的适用范围比较

3．3船舶避碰问题智能算法的选择

3．4本章小结

第4章基于遗传算法的船舶避碰决策算法研究

4．1船舶避碰问题的遗传算法模型

4．1．1编码方式

4．1．2目标函数

4．1．3适应度函数

4．2基于遗传算法的船舶避碰决策过程

4．2．1基本参数

4．2．2初始种群

4．2．3基本操作

4．3本章小结

第5章基于遗传算法的船舶避碰决策算法的仿真验证

5．1仿真系统设计

5．1．1避碰决策算法的流程

5．1．2仿真系统的界面

5．2遗传算法的参数优化

5．2．1 遗传算法交叉概率的优化

5．2．2遗传算法变异概率的优化

5．3 与三个目标船会遇时避碰仿真

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢