基于改进势场法的受限水域中船舶自动避碰模型研究

摘要

随着世界航运业的快速发展，船舶的航行水域范围越来越宽广，越来越多船舶航行于航道宽度狭窄、船舶操纵受到限制的受限水域中。由于受限水域中船舶航行环境复杂，船舶发生碰撞事故的危险性大大增加。然而目前国内外对船舶自动避碰开展的研究主要集中在宽阔水域中，对受限水域的船舶自动避碰研究尚少。因此研究受限水域中船舶的自动避碰问题，建立船舶自动避碰模型，对提高船舶的航行安全具有重要的科学价值和现实意义。
　　本文对船舶在受限水域中的自动避碰操纵模型进行研究，针对受限水域中船舶避碰操纵的特点，根据船舶操纵理论，从船舶避碰的角度建立考虑船舶航行环境影响的受限水域中船舶操纵运动模型；研究分析受限水域中影响船舶碰撞危险的各种因素，以应用于船舶避碰的船舶领域模型为基础，提出了从本船驾驶员视角出发的船舶与碍航物的领域概念，结合受限水域中的航行条件和《规则》要求以及动界理论的概念，建立了受限水域中静态碍航物的领域模型和船舶动态领域模型，并以此结合势场理论建立受限水域中考虑多方面因素的船舶碰撞危险度评估模型；在已经建立的受限水域船舶操纵数学模型和船舶危险度评估模型的基础上，结合航行环境特点和《规则》中对避碰操纵的要求，对传统势场法模型进行针对性改进，进而建立了受限水域中船舶自动避碰模型；最后运用该模型对受限水域中直航道和弯曲航道的船舶与静态碍航物和目标船的自动避碰过程进行模拟仿真，仿真结果表明该模型能够实现船舶在受限水域中自动避碰，对提高船舶在受限水域中的航行安全具有重要的意义。
　　本文研究成果将为解决受限水域内船舶避碰问题，开发具有实用性的船舶智能舰桥系统提供重要的理论支撑。

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第1章 绪论

1.1. 研究意义

1.2. 研究现状及分析

1.3. 主要研究内容及创新点

第2章 受限水域中船舶避碰操纵运动数学模型

2.1. 坐标系与操纵运动方程

2.2. 静水中船舶的操纵运动模型

2.3. 受限水域中考虑外界环境影响的操纵运动模型

2.4. 本章小结

第3章 受限水域中船舶碰撞危险度评估模型

3.1. 受限水域中船舶碰撞危险影响因素分析

3.2. 受限水域中船舶与碍航物的领域和动态领域模型

3.3. 基于船舶和碍航物领域的船舶碰撞危险度评估模型

3.4. 本章小结

第4章 基于改进势场法的船舶自动避碰模型

4.1. 人工势场法及其传统模型局限性分析

4.2. 基于改进势场法的船舶运动规划

4.3. 受限水域中船舶自动避碰模型

4.4. 本章小结

第5章 受限水域中船舶自动避碰模型仿真实例

5.1. 直航道受限水域中的船舶自动避碰

5.2. 弯曲航道受限水域中的船舶自动避碰

5.3. 本章小结

结论

参考文献

附录A：船型数据及相应水动力导数

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢