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船舶避碰决策是船舶智能航行与无人驾驶技术的重要组成部分,也是难点之一。目前对船舶避碰决策的研究主要以两船和多船避碰的集中式算法为主,且较少考虑多船局面下不同船舶避让的不协调现象。本文针对目前船舶避碰研究中存在的不足,考虑如何能够避免或减少针对不同来船避让行动不一致时产生的船舶避让冲突,提出了避让冲突消解策略;同时引入分布式决策框架,构建一种基于避让冲突消解策略的多船分布式实时避碰决策模型,并通过大量随机试验验证模型的有效性。论文主要内容包括:
(1)对多船会遇及其避碰决策流程进行分析。首先查阅相关文献及资料明确多船会遇局面定义;同时,基于《国际海上避碰规则》和水域相关航行要求,综合考虑海员通常做法,对多船会遇局面和多船避碰决策的特点进行分析,然后对多船避碰决策流程进行分析,形成多船会遇下的船舶碰撞危险判断模型、会遇态势划分和会遇阶段判断模型等;选取多船避碰效果评价指标,构建多船避碰分级评价模型,在保证船舶安全性的基础上提高船舶航行效率。
(2)船舶避让冲突分析及消解策略制定。针对多船避碰决策中各船之间的运动难以预测以及避碰决策算法复杂耗时的问题,构建基于滚动时域的多船分布式避碰决策模型,并利用蒙特卡洛思想对决策模型进行大量的随机试验,分别统计2~4艘船舶会遇情况下任意船舶间最近距离与安全会遇距离间的关系,判断避让行动的有效性;根据统计结果,分析避碰决策模型存在的主要问题;最后,对船舶避让冲突的形态和典型问题进行分析总结,并依据“避碰规则”要求及几何分析结果,提出相应的避让冲突消解策略。
(3)构建避让冲突消解策略下的多船避碰决策模型并进行验证。由于两种不同类型避让冲突的消解策略主要体现在船舶避让方向和避让幅度的确定,对基于避让冲突消解策略的避让方向和避让幅度算法进行介绍,从而构建避让冲突消解策略下的多船避碰决策模型;最后,对引入避让冲突消解策略后的避碰决策模型进行仿真试验验证和避让效果分布情况统计,并与引入之前效果进行对比分析。
本研究是对多船会遇问题及船舶智能航行与无人驾驶在航海上应用的有益探索,同时可为船舶驾驶员进行船舶避碰决策提供参考。
(1)对多船会遇及其避碰决策流程进行分析。首先查阅相关文献及资料明确多船会遇局面定义;同时,基于《国际海上避碰规则》和水域相关航行要求,综合考虑海员通常做法,对多船会遇局面和多船避碰决策的特点进行分析,然后对多船避碰决策流程进行分析,形成多船会遇下的船舶碰撞危险判断模型、会遇态势划分和会遇阶段判断模型等;选取多船避碰效果评价指标,构建多船避碰分级评价模型,在保证船舶安全性的基础上提高船舶航行效率。
(2)船舶避让冲突分析及消解策略制定。针对多船避碰决策中各船之间的运动难以预测以及避碰决策算法复杂耗时的问题,构建基于滚动时域的多船分布式避碰决策模型,并利用蒙特卡洛思想对决策模型进行大量的随机试验,分别统计2~4艘船舶会遇情况下任意船舶间最近距离与安全会遇距离间的关系,判断避让行动的有效性;根据统计结果,分析避碰决策模型存在的主要问题;最后,对船舶避让冲突的形态和典型问题进行分析总结,并依据“避碰规则”要求及几何分析结果,提出相应的避让冲突消解策略。
(3)构建避让冲突消解策略下的多船避碰决策模型并进行验证。由于两种不同类型避让冲突的消解策略主要体现在船舶避让方向和避让幅度的确定,对基于避让冲突消解策略的避让方向和避让幅度算法进行介绍,从而构建避让冲突消解策略下的多船避碰决策模型;最后,对引入避让冲突消解策略后的避碰决策模型进行仿真试验验证和避让效果分布情况统计,并与引入之前效果进行对比分析。
本研究是对多船会遇问题及船舶智能航行与无人驾驶在航海上应用的有益探索,同时可为船舶驾驶员进行船舶避碰决策提供参考。