综合船桥系统航迹规划技术研究

论文摘要

为了减少对船舶误操作引起的各种损失、降低工作人员的工作压力及提高船舶经济效益等,综合船桥系统逐渐发展起来。该系统包括众多的研究内容,航迹规划技术作为其中的一项关键技术,主要是指航线自动生成和优化的过程。先前航行规划技术需要通过工作人员查阅相关的航海图书和推荐航线资料,通过分析潮流等情况手动地将信息输入到系统中,这样并没有发挥出综合船桥系统的智能性。本文的研究考虑到传统航迹规划研究方法的限制和制约,通过获知航海区的信息,利用计算机技术和现代控制理论技术实现船舶的航迹规划设计。针对纯数学规划方法在求解环境复杂时存在维数爆炸、计算时间长等问题,本文中采用两种智能算法——蚁群算法和遗传算法展开航迹规划设计的研究。在文章中首先对蚁群算法和遗传算法的基本理论、算法结构、算法特点进行了比较深入的研究;其次介绍了船舶航行空间的建模,通过建模对航行环境中固定位置的禁航区（等深线区或碍航区）进行了必要的处理。并根据IHO S-57（第三版）的规定将禁航区的位置进行扩充,扩充后的区域形成一个环,环内部为禁航区不可行,环外部为可以自由航行的区域;再次在空间建模的基础上,根据船舶的航行特点分别对蚁群算法和遗传算法进行了算法内部结构参数的一些必要改进,并将两种算法应用到船舶的航迹规划中,实现综合船桥系统基本的航迹规划设计;最后根据航迹规划最佳航线计划设计的要求,综合偏航极限和安全离岸距离等概念进行了最佳航迹规划的设计,保障船舶的安全行驶。另外还综合考虑气象对航线的各种影响因素,并重点对船舶在不同方向顺流影响下的航迹规划进行了仿真,为船舶节能、增效起到一定的作用。文章中航迹规划技术的基本航线设计和最佳航线设计均通过Matlab软件进行仿真实现,较之传统手工绘制航迹的方法提高了设计的效率和设计的准确性;较之查阅已有航线图的方法提高了设计的灵活性。通过各种仿真结果,证明了运用智能算法规划航迹速度快、方便灵活,能够较好的运用于不同的航行环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 综合船桥系统IBS 的研究现状
• 1.2.2 航迹规划设计的研究进展
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 蚁群算法概述
• 2.1 蚁群算法的基本原理
• 2.2 蚁群算法的数学模型
• 2.2.1 基本蚁群算法模型的建立
• 2.2.2 蚁群算法的三种模型
• 2.3 改进蚁群算法
• 2.3.1 带精英策略的蚂蚁系统
• 2.3.2 基于优化排序的蚂蚁系统
• 2.3.3 最大——最小蚂蚁系统
• 2.3.4 蚁群系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 遗传算法概述
• 3.1 遗传算法的思想来源
• 3.2 遗传算法的结构
• 3.2.1 初始化种群问题
• 3.2.2 问题解的表示
• 3.2.3 遗传算子
• 3.2.4 适应度函数设计
• 3.2.5 参数的设定
• 3.3 遗传算法的流程
• 3.4 遗传算法的特点
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶航行空间建模
• 4.1 规划空间方法简介
• 4.2 仿真环境建模
• 4.2.1 栅格法划分环境
• 4.3 图论的相关知识
• 4.4 障碍区的处理
• 4.5 障碍区的扩充
• 4.6 本章小结
• 第5章 智能算法应用于航迹规划基本航线设计
• 5.1 基于蚁群算法的航迹规划设计
• 5.1.1 基本蚁群算法应用到船舶航迹规划时相应的改进
• 5.1.2 改进蚁群算法TSP 仿真结果对比
• 5.1.3 改进蚁群算法航迹规划设计问题设计流程
• 5.1.4 改进蚁群算法航迹规划仿真结果及分析
• 5.1.5 引入平滑机制的改进蚁群算法
• 5.1.6 平滑机制引入后的仿真结果
• 5.2 基于遗传算法的航迹规划设计
• 5.2.1 遗传算法对航迹规划问题的描述
• 5.2.2 航迹规划的遗传操作
• 5.2.3 遗传算法航迹规划仿真结果及分析
• 5.3 两种算法性能比较
• 5.4 本章小结
• 第6章 航迹规划最佳航线设计
• 6.1 航线设计的主要内容
• 6.2 最佳航线计划选取标准
• 6.3 地球坐标系与制图投影平面坐标的转换
• 6.4 屏幕坐标与地理坐标的变换
• 6.5 最佳航线设计考虑的基本因素
• 6.5.1 偏航极限
• 6.5.2 航线距离岸礁远近的参考因素
• 6.5.3 仿真结果及分析
• 6.6 船舶气象定线
• 6.7 流影响下船舶的航迹规划
• 6.7.1 流影响下航迹规划的实现
• 6.7.2 流影响下航迹规划仿真结果
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要