海上多船避碰决策系统的研究

论文摘要

近期一些重大海事的发生表明人为失误仍是船舶发生海事的主导因素。因此,为了减少海事事故的发生,提高航行安全水平,提高船舶海上自动化航行的安全性和可靠性,减轻驾驶员的劳动强度和心理负担,避免船舶遭遇碰撞、触礁和海上其他意外事故的发生,深入研究海上船舶避碰决策系统的新思想和新方法,仍具有十分重要的现实意义。为解决多船会遇情况下的船舶避碰决策问题,①本文在确定船舶碰撞危险度的基础上,②对目标船进行预测:将对雷达探测设备每采样时刻获取的目标数据,应用Kalman滤波技术对目标的运动状态进行在线估计,并实时预估目标船相对于本船的DCPA和TCPA,该方法既能有效抑制噪声的干扰,又能达到提前预测目标船态势和帮助驾驶员提前做好避碰准备与应急措施等目的;③针对多船中的重点避让船研究了避碰解决方法:采用灰色关联决策方法选择重点避让船,按数学模型计算出目标船相对于本船的DCPA、TCPA以及船速比K,以DCPA、TCPA、K作为对策集中的各分量,利用灰色关联决策进行综合评价,确定重点避让船;④船舶转向避碰幅度的研究:在船舶避碰决策过程中,转向避碰是采用频率最高的一种避碰方法,为了获得本船与多船会遇情况下的最优转向避碰幅度,本文采用模拟退火算法、粒子群优化算法、基于模拟退火思想的粒子群优化算法,将本船与多船间的转向幅度问题看成是一类多目标函数优化问题,从而在可行解中找出满足目标函数和约束条件的最优转向避碰幅度解,此方法不仅有助于解决多船会遇情况下的本船最优转向角度值,而且有助于多船避碰决策系统的智能化设计与开发。仿真结果表明,本文提出的一系列思想和算法,都有一定的实用价值和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 船舶避碰决策研究现状与存在的问题
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 当前存在的问题
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 船舶避碰领域相关知识
• 2.1 船舶避碰各阶段的划分
• 2.1.1 避碰四阶段划分
• 2.1.2 例外情况及其产生原因
• 2.2 船舶会遇态势的划分
• 2.2.1 三种会遇形势
• 2.2.2 多船会遇
• 2.3 安全会遇距离
• 2.4 避让责任
• 2.5 避让决策
• 2.6 船舶避碰决策过程
• 2.7 本章小结
• 第三章 目标船的跟踪预测算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 船舶碰撞危险度的确定
• 3.2.1 碰撞危险度概述
• 3.2.2 DCPA、TCPA 数学模型的建立
• 3.2.3 船舶碰撞危险度的确定
• 3.3 卡尔曼（KALMAN）滤波技术
• 3.3.1 估计问题
• 3.3.2 船舶目标跟踪的卡尔曼滤波模型
• 3.4 卡尔曼滤波在船舶跟踪技术中的应用
• 3.4.1 卡尔曼滤波在航海中的物理意义
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 多船会遇时重点避让船的确定
• 4.1 多船会遇碰撞危险的确定及避碰决策
• 4.2 灰色关联决策相关知识
• 4.2.1 灰色系统的概念与基本原理
• 4.2.2 灰色关联决策
• 4.3 重点避让船的确定
• 4.3.1 重点避让船方法原理
• 4.3.2 灰色关联决策计算步骤
• 4.3.3 灰色关联决策确定重点避让船
• 4.4 本章小结
• 第五章 船舶转向避碰幅度的研究
• 5.1 优化策略
• 5.2 模拟退火算法
• 5.2.1 物理退火过程和Metropolis 准则
• 5.2.2 模拟退火算法的基本思想和步骤
• 5.3 模拟退火思想的粒子群优化算法
• 5.3.1 基本粒子群优化算法
• 5.3.2 模拟退火思想的粒子群优化算法
• 5.4 船舶转向避碰幅度的确定
• 5.4.1 目标函数模型
• 5.4.2 模拟退火算法的最优转向避碰幅度决策
• 5.4.3 粒子群优化算法的最优转向避碰幅度决策
• 5.4.4 模拟退火思想的粒子群优化算法的最优转向避碰幅度决策
• 5.4.5 仿真结果
• 5.4.6 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目