船舶自动识别系统的研究和船舶自动避碰系统的实现

论文摘要

船舶碰撞,不但损坏船体,危及货物,甚至造成船毁人亡,严重污染海洋。虽然船舶自动识别系统能使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶之动静态资讯,得以立刻互相通话协调,采取必要避让行动。但是船舶自动识别系统还没有解决如下问题:减少或避免人为决策失误造成的碰撞事故。究其原因,不难发现绝大多数碰撞事故都是由于航海者的疏忽、过失以及严重违反海上避碰规则所导致。研制基于船舶自动识别系统的船舶自动避碰系统,在一定范围内和程度上克服人了在收集休息方面的不确定性,处理信息及在避碰操作决策方面的不稳定性。本文针对上述问题,首先对船舶避碰的整个过程进行了全面系统的研究,建立了安全通过距离、紧迫局面和船舶碰撞危险度的数学模型,定量划分了船舶会遇态势和避碰行动局面,并对如何确定船舶避碰行动时机、幅度和复航时机进行了探讨。在对船舶避碰原理进行深入研究的基础上,利用船舶自动识别系统和大量船舶避碰定量研究成果,提出了用遗传算法处理船舶避碰。为了使算法性能更优,在分布式遗传算法基础上加入了动态迁移算子。给出了改进的分布式遗传算法基本模型和整个算法的流程图,对改进的分布式遗传算法实现的步骤作了详细说明。本文采用实值编码,使用基于轮盘赌选择法的选择算子,保证每一代选择适应度较大的个体参与交叉;使用均匀交叉的交叉算子,保证种群尽可能在整个解空间搜索;使用基于实值编码的变异算子,使算法能够跳出局部最优;使用动态的迁移算子,使进化能力好的子种群得到更大的空间来搜索最优值,同时尽可能把进化能力弱的子种群中的精英个体吸收到进化能力更好的子种群中去,保证整个种群的进化更具指导性。本文所建立的基于遗传算法的避碰仿真系统,调试通过,从系统运行的情况来看,所建立的模型基本正确,系统运行的效率高,能够迅速提供决策的方案。通过不断地改进和完善,该系统可作为船舶避碰的辅助决策系统,为船舶避碰决策提供重要的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文课题主要研究工作
• 1.4 本文的章节安排
• 第二章 船舶自动识别系统技术
• 2.1 船舶自动识别系统的结构与功能
• 2.1.1 AIS 的系统结构
• 2.1.2 AIS 系统实现的主要功能
• 2.2 船舶自动识别系统的工作方式
• 2.2.1 甚高频（VHF）/数字选择呼叫（DSC）方式
• 2.2.2 广播方式
• 2.3 AIS 系统采用的关键技术
• 2.3.1 HDLC 高级数据链路控制技术
• 2.3.2 高斯滤波最小频移键控技术
• 2.3.3 时分多址访问技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 分布式遗传算法及其改进研究
• 3.1 遗传算法
• 3.1.1 遗传算法的应用及特点
• 3.1.2 遗传算法的原理
• 3.1.3 遗传操作
• 3.2 分布式遗传算法
• 3.2.1 并行遗传算法
• 3.2.2 分布式遗传算法
• 3.3 改进的分布式遗传算法
• 3.3.1 改进的分布式遗传算法理论模型
• 3.3.2 改进的分布式遗传算法过程设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 船舶避碰数学模型研究
• 4.1 船舶避碰问题描述
• 4.1.1 船舶碰撞事故原因
• 4.1.2 船舶碰撞过程
• 4.1.3 船舶避碰原理
• 4.1.4 安全会遇距离
• 4.2 船舶避碰参数的计算
• 4.2.1 船舶运动参数计算
• 4.2.2 目标船相互之间的运动参数
• 4.2.3 本船改向对DCPA 和TCPA 的影响
• 4.3 碰撞危险度的新模型
• 4.3.1 SCR 的概念和模型
• 4.3.2 TCR 的概念和模型
• 4.3.3 预碰撞危险度模型
• 4.4 会遇态势的判断
• 4.4.1 规则关于会遇态势的规定
• 4.4.2 有关会遇态势的研究
• 4.4.3 关于船舶会遇态势的分析
• 4.4.4 会遇态势的定量划分
• 4.5 避让责任和决策
• 4.5.1 避让责任
• 4.5.2 避碰行动方式
• 4.5.3 避碰行动时机的确定
• 4.5.4 避碰行动幅度的确定
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于改进分布式遗传算法的船舶自动避碰决策及其仿真
• 5.1 船舶自动避碰决策的分析
• 5.2 改进分布式遗传算法的过程设计
• 5.2.1 编码设计
• 5.2.2 种群的初始化
• 5.2.3 适应度评估函数
• 5.2.4 选择算子
• 5.2.5 交叉算子
• 5.2.6 变异算子
• 5.2.7 迁移算子
• 5.3 避碰决策算法设计
• 5.4 仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果