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宽水域船舶智能避碰决策算法验证及优化

周伟  
【摘要】:船舶智能避碰决策研究是国内外航海领域十分关注的问题,为了减少船舶碰撞事故的人为因素。我校研发团队经过长期的研究已形成了船舶拟人智能避碰决策(Personifying Intelligent Decision~making for Vessel Collision Avoidance,简称PIDVCA)理论,并构建了PIDVCA算法(以下简称算法)。由于船舶会遇态势的复杂多变性以及受《国际海上避碰规则》(以下简称《规则》)和海员习惯做法等多重约束,在算法合理性、适用性和稳定性方面还存在一些问题。为了有效解决算法存在的问题,本文基于前期研究基础,围绕国家自然科学基金项目的研究内容,开展了宽水域船舶智能避碰算法的验证和优化研究工作。 本文首先简要介绍了PIDVCA理论,在充分认识和理解其研究目标、研究思路和决策原理的基础上,认真分析研究了怎样将人的决策思维过程“感知、信息处理、知识应用、分析判断、推理决策等”移植到计算机,使机器决策能达到“拟人智能”避碰效果的关键技术——PIDVCA的数学模型、推理流程。算法是核心技术,包含了一系列的数学模型和推理流程,最终通过程序形式将定性的思维和定量的计算有机结合起来。 其次,围绕算法的合理性和适用性问题,采用理论分析和实验相结合的方法,对算法进行验证,提出了运用平面解析几何分析求证数学模型和设计针对性模拟实验方案测试推理流程的算法验证方法。先通过对已经建立的各类数学模型,包括避让幅度、避让时机、恢复航行时机、新航向预测参数、限制时间等,绘制几何模型图,推导各类数学模型的几何公式验证模型的正确性,检查各种交会特征条件是否满足数学模型的适用性;然后基于嵌入PIDVCA程序动态链接库构建的“航行安全与自动避碰仿真测试平台”,利用设计的针对性模拟实验方案测试算法推理流程的正确性和决策的合理性。 第三,针对算法验证过程发现的数学模型的错误与遗漏、推理逻辑的疏忽和错误以及程序漏洞等问题,开展了算法优化研究工作。具体根据几何图解分析推导,修正和补充了数学模型的错误与遗漏,解决了算法的适用性问题;通过观察模拟实验过程,辅以Visual studio C++编译器环境进行跟踪调试,分析导致推理逻辑错误的原因,结合流程图分析纠正推理逻辑的错误。本文算法优化的重点内容:一是提出并实施了“最小航迹偏移局部优化算法”,解决了特殊会遇局面存在不合理的避碰效果;二是研究并实现了前期算法尚未考虑的紧迫危险下的智能避碰决策算法,进一步完善了算法,增强了算法的实用性。 通过论文的研究工作,较好地解决了算法的适用性、合理性和实用性问题,因此,本选题具有重要的研究价值,对推动研究成果的应用具有实际意义。


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