一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法

摘要

本发明涉及一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法，其首先获取电子海图数据与船舶航行水域其他船舶的航行状态数据、以及船舶与海上风电场的空间相对位置关系；然后确定船舶之间的会遇关系；并通过自适应地更新产生新个体的触发阈值，搜索出避碰效果最好的船舶转向角度与船舶转向后的航行时间；将计算得出的最佳避碰转向角度和转向航行时间，以禁止船舶向风电场一侧操舵避让为优化子目标之一，能够满足在海上风电场附近水域的通航安全。本发明通过改进头脑风暴优化算法，加快搜索到全局最优解，提高决策的有效性和速度。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，具体涉及一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法。

背景技术

近年来，为减少船舶碰撞事故的发生，多种船舶助航设备已被安装船舶上，包括全球定位系统(Global Position System,GPS)、电子海图显示与信息系统(ElectronicChartDisplay and Information System,ECDIS)、自动识别系统(AutomationIdentificationSystem,AIS)、船舶雷达。为给船舶驾驶人员提供更为定量的船舶避碰决策支持，研究人员提出船舶避碰路径规划方法。

现有避碰方法为智能搜索，存在容易陷入局部最优解、耗时等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法，其通过改进头脑风暴优化算法，加快搜索到全局最优解，提高决策的有效性和速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法，其包括以下步骤：

步骤1、获取电子海图数据和船舶航行水域附近其他船舶的航行状态数据；以及获取船舶与海上风电场的空间相对位置关系；

步骤2、根据对船舶之间运动趋势的判断，对船舶之间是否发生相遇做出判断，确定船舶之间的会遇关系；

步骤3、搜索出避碰效果最好的船舶转向角度与船舶转向后的航行时间，生成初始解，每个个体对应于初始解，包括转角x

所述步骤3具体包括：

2)生成初始种群；

每个个体用s

2)用K-means聚类法将个体分为C个聚类,记录每个聚类的聚类中心；

3)产生在区间(0，1)之内的随机数r

4)产生在区间(0，1)之内的随机数r

5)如果r

x

其中x

6)新产生的个体与当前个体相比,将适应度f值更小的个体作为下一次迭代的新个体；种群适应度由到最近接近点的距离、转弯幅度和到原始路线的距离、禁止船舶向风电场一侧操舵避让组成，计算如下：

其中，DCPA为种群适应度由到最近接近点的距离，w

其中，c

7)如果N个个体更新完成,则转入第8)步,否则转第4)步；

8)如果达到最大迭代次数,则停止迭代,否则按下式更新p

其中，

所述步骤2具体为：

在判断两船之间相对距离的趋势的基础上，比较两船的相对速度和方向，基于步骤1所采集的数据，从数据中动态提取船舶会遇数据，通过船舶分类、船舶时间划分、船舶相对运动趋势判断，进行船舶会遇识别：

设本船速度为v

相对航向为:

所述α计算方法如下:

R

记:

两船最近会遇距离DCPA为:DCPA＝R

该两船最近会遇距离DCPA反映了最高的可接受航行风险。

在开放水域若DCPA<2海里，则判断两船会遇；狭窄水域若DCPA<0.5海里，则判断两船会遇。

所述方法还包括:

步骤4、将步骤3计算得出的最佳避碰转向角度和转向航行时间，融合在电子海图上显示。

所述步骤1中，船舶的航行状态数据包括纬度、经度、航向、航速。

采用上述方案后，本发明首先获取电子海图数据与船舶航行水域其他船舶的航行状态数据、以及船舶与海上风电场的空间相对位置关系；然后确定船舶之间的会遇关系；并通过自适应地更新产生新个体的触发阈值，搜索出避碰效果最好的船舶转向角度与船舶转向后的航行时间；将计算得出的最佳避碰转向角度和转向航行时间，以禁止船舶向风电场一侧操舵避让为优化子目标之一，能够满足在海上风电场附近水域的通航安全。本发明通过改进头脑风暴优化算法，加快搜索到全局最优解，提高决策的有效性和速度，解决了现有方法容易陷入局部最优解、耗时等问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为船舶与海上风电场的空间相对位置关系示意图；

图3为船舶会遇形式判断；

图4为基于改进头脑风暴优化算法的收敛曲线；

图5为避碰决策融合电子海图的显示示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种基于改进头脑风暴优化算法的船舶避碰智能决策方法，其包括以下步骤：

步骤1、获取电子海图数据和船舶航行水域附近其他船舶的航行状态数据；以及获取船舶与海上风电场的空间相对位置关系。其中，船舶的航行状态数据包括纬度、经度、航向、航速等信息。

步骤2、根据对船舶之间运动趋势的判断，对船舶之间是否发生相遇做出判断，确定船舶之间的会遇关系。

具体地，在判断两船之间相对距离的趋势的基础上，比较两船的相对速度和方向，基于步骤1所采集的数据，从数据中动态提取船舶会遇数据，通过船舶分类、船舶时间划分、船舶相对运动趋势判断，进行船舶会遇识别：

设本船速度为v

相对航向为:

所述α计算方法如下:

R

记:

两船最近会遇距离DCPA为:DCPA＝R

该两船最近会遇距离DCPA反映了最高的可接受航行风险。根据海员的惯例，一般开放水域设置为2海里，狭窄水域设置为0.5海里。如果DCPA<0.5海里，则判断两船会遇。

步骤3、搜索出避碰效果最好的船舶转向角度与船舶转向后的航行时间，生成初始解，每个个体对应于初始解，包括转角x

具体如下：

3)生成初始种群。

每个个体用s

2)用K-means聚类法将个个体分为C个聚类,记录每个聚类的聚类中心。

3)产生在区间(0，1)之内的随机数r

4)产生在区间(0，1)之内的随机数r

5)如果r

x

其中x

6)新产生的个体与当前个体相比,将适应度f值更小的个体作为下一次迭代的新个体。种群适应度由到最近接近点(DCPA)的距离、转弯幅度和到原始路线的距离、禁止船舶向风电场一侧操舵避让组成，可以有效地评估船舶遭遇的风险状态，为驾驶员提供导航辅助决策支持。

计算如下：

其中w

子目标f4是为了禁止船舶向风电场一侧操舵避让，其计算如下：

其中，c

7)如果N个个体更新完成,则转入第8)步,否则转第4)步。

8)如果达到最大迭代次数,则停止迭代,否则按下式更新p

其中

步骤4、将步骤3计算得出的最佳避碰转向角度和转向航行时间，融合在电子海图上显示，增强可视化的效果，如图5所示。

综上，本发明首先获取电子海图数据与船舶航行水域其他船舶的航行状态数据、以及船舶与海上风电场的空间相对位置关系；然后确定船舶之间的会遇关系；并通过自适应地更新产生新个体的触发阈值，搜索出避碰效果最好的船舶转向角度与船舶转向后的航行时间；将计算得出的最佳避碰转向角度和转向航行时间，以禁止船舶向风电场一侧操舵避让为优化子目标之一，能够满足在海上风电场附近水域的通航安全。

本发明通过自适应地更新产生新个体的触发阈值，有利于减少头脑风暴优化算法陷入局部最优解的可能性，增强算法的全局寻优能力。基于改进群智能的船舶避碰智能避碰机制。此外，本发明为了加快船舶自动避碰最优决策系统的搜索速度，在原有种群运动的基础上，加入随机正态分布扰动项，有利于减少陷入局部最优解的可能性，增强全局寻优能力。

本发明能够提供智能航线与避碰预警服务，当船舶可能出现碰撞风险时，提前向船端发送警告。满足现代化航海中对动态变化的海上安全信息的需求，能帮助提高船员效率和船舶航行的安全性。

在船舶导助航中，从电子海图、AIS以及其他通导设备获取的信息，把预测分析和辅助决策的结果等数据进行叠加和融合，提升船舶航行的安全性和决策的准确性。例如在电子海图上显示船舶避碰辅助决策信息，最大限度避免主观判断失误造成的海事事故，减轻驾驶员的工作负担和强度。本发明通过改进头脑风暴优化算法，加快搜索到全局最优解，提高决策的有效性和速度，解决了现有方法容易陷入局部最优解、耗时等问题。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。