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海上多目标船智能避碰辅助决策研究

陈立家  
【摘要】:船舶智能避碰辅助决策系统(Intelligent Decision-making System of Vessel Collision Aviodance(ICAS))研究一直以来是智能航海研究领域的热点和前沿课题,是实现船舶自动化的关键技术之一。通过对船舶智能避碰辅助决策的研究,可以提高船舶航行的安全性和经济性,同时,也能够增强船舶自动化程度和信息化程度。 本文以《船舶工业调整和振兴规划》提出的在“十二五”期间我国船舶发展规划将大力支持船舶工业的自主创新的指导思想为背景;依托国家高技术船舶科研计划工程“综合船桥系统研制”项目和综合船桥系统研究及产业化武汉市重大科技产业化专项项目;研究成果将应用于以散货船、集装箱船、油船以及公务船等船舶为装船对象的国内新一代自主研制的综合船桥系统。 本文主要研究内容: (1)提出基于自动控制原理的船舶动态避碰系统框架,建立在此框架下的船舶运动的六自由度数学模型,并以国内新一代自主研制综合船桥系统典型装船船型(排水量为55000t的集装箱船)为对象进行了船舶避碰操纵运动性能研究。考虑避碰过程中风浪流的影响,建立风浪扰动下的特定船舶运动数学模型,并对所建立的模型运用大型船舶操纵模拟器进行船舶回转运动试验和Z型操纵试验验证,重点仿真在风浪扰动下的航迹特征,为船舶避碰操纵提供基础性数据。 (2)根据避碰信息获取途径,在分析目前船舶上的通用传感器雷达与AIS信号特性基础上,设计了基于雷达和AIS传感器的综合船桥系统数据融合处理算法(RA系统模型),并通过融合实例验证该模型能有效的提高系统的导航数据精度和可靠性。 (3)在总结前人研究基础上,建立了综合考虑多因素的船舶碰撞危险度模型,结合避碰规则、避碰实践及船员通常做法,运用模糊集合理论建立综合危险度评价模型,实现船舶智能避碰系统中快速定量地确定碰撞危险度,并对建立模型进行仿真验证,结果可靠。 (4)根据最优控制原理及其几种不同的计算模型,结合船舶六自由度运动数学模型以及避碰约束条件,提出了船舶避碰最优控制的数学模型和解算过程,在两种不同的避碰目标:路径最短避碰控制和时间最短避碰控制下,分别对应采用了末端时间确定、终端状态确定的最优避碰控制计算模型和末端时间不确定、终端状态部分确定的船舶最优避碰控制计算模型对此问题进行分析和求解。最后,根据实际船型数据(排水量为55000T的集装箱船和排水量为3500T的江海直达散货船)对避碰路径最短问题进行仿真实验,并对实验结果进行解释,结果显示解算过程符合实际情况。 (5)从工程应用角度,基于最优控制模型,结合船舶避碰操纵性和船舶碰撞危险度模型,采用Matlab和Visual Studio 2008开发平台,构建和开发了船舶智能避碰辅助决策系统(ICAS),设计和开发船舶智能避碰决策系统与综合船桥系统的集成方案,实现船舶智能避碰系统与综合船桥系统的联动,为其进行实船应用提供了可行性。最后,基于ICAS对避碰典型案例进行仿真验证,结果可行,为该系统装船测试提供依据。 本文主要创新点: (1)本文从自动控制角度,提出基于六自由度船舶运动数学模型的船舶智能动态避碰概念,提出海上多目标船智能避碰过程的闭环控制系统框架。从船舶避碰的角度建立风浪扰动下的船舶避碰操纵运动数学模型,并对船舶避碰的操纵性能进行计算和分析。 (2)本文提出利用最优控制方法来求解多船避碰问题,将其归结为一个在特定约束前提下连续不断的船舶转向控制问题,此问题的数学本质是一个带有特定目标函数的最优控制问题。根据避碰问题的不同要求,利用最优控制原理对不同情况下避碰的两类典型问题:路径最短避碰问题和时间最短避碰问题进行求解。 (3)基于最优控制模型,结合船舶避碰操纵性和综合多因素的船舶碰撞危险度模型,构建和开发了船舶智能避碰辅助决策系统(ICAS),设计船舶智能避碰决策系统与综合船桥系统的集成方案,开发了船舶智能避碰系统与综合船桥系统集成的相关接口,实现船舶智能避碰系统与综合船桥系统的联动,将智能避碰系统集成到综合船桥系统,并在航海得到实际应用。 船舶智能避碰辅助决策的研究与应用能大大减轻驾驶员的劳动强度,减少因人为导致的安全事故,同时,对船舶安全航行,减少生命财产损失,保护海洋环境也具有重大的现实意义,是一项非常有价值的研究课题。


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