桥区河段船舶操纵运动仿真及航迹控制研究

发布时间：2020-05-17 08:50

【摘要】：船舶无人驾驶是航运业未来发展的一大趋势。目前,局部海洋环境的船舶自动航行已经实现,而在内河尤其是通航条件较为复杂的各典型河段,仅依靠人员经验驾驶船舶无法适应未来航运业的发展。因此,要实现内河船舶无人驾驶的目标,首先应在包括桥区在内的典型河段中实行船舶自主航行。而近年来,长江干线跨江桥梁数量稳步增长。桥梁建设在改善陆上交通的同时,也增加了发生船桥碰撞事故的危险性。统计表明人为失误因素约占船桥碰撞事故致因的70%。然而现行规章制度要求船舶过桥必须人工操舵。因此,船桥碰撞事故致因的人为失误所占比例较高和桥区船舶强制人工操舵的矛盾成为了桥区船舶通航安全关键问题之一。对桥区河段特征和船舶过桥规律进行分析,实现船舶通过桥区的自动控制,是解决此关键问题的有效方案。本文依托湖北省自然科学基金项目“长江干线武汉辖段连续桥区水域桥群安全间距研究”,针对桥区河段船舶操纵运动仿真及航迹控制展开研究。首先,以长江武汉段作为桥区河段的研究对象,分析归纳桥梁分布、间距、通航孔、轴线等特征;基于桥区河段的船舶AIS信息对航迹进行还原,结合船舶过桥的航行规律,分析船舶上水和下水过桥的航迹带特征,建立适用于船舶自主航行安全过桥的航迹段尺度模型。其次,基于MMG分离型模型思想,选取典型内河船舶作为仿真实验的对象,结合船舶过桥实际,将风、流干扰和浅水效应纳入考虑,对静水环境和外界干扰下的船舶旋回运动进行仿真。再次,针对传统PID航向控制器参数需要人为整定的缺陷,将差分进化算法应用到船舶航向控制中,同时为进一步提高算法性能,对缩放因子和交叉因子进行调整,设计了改进差分进化PID航向控制器,在静水环境和外界干扰中均取得较好的控制效果。最后,在航向控制的基础之上,将改进差分进化算法直接应用到航迹控制中,采用直接控制的方法设计航迹控制器。根据桥区河段船舶上水过桥和下水过桥的航迹段建模,将静水环境和外界干扰中的船舶上水和下水的航迹控制进行数值模拟。本研究可作为船桥碰撞预警预控理论体系的补充,从而促进桥区船舶通航安全保障技术的发展;同时,还可为开展更深层次的桥区水域船舶自主航行方面的研究奠定良好的基础。
【图文】：

武汉长江大桥,桥墩,船桥

第 1 章绪论1.1 选题背景近年来，我国在桥梁建设领域取得了举世瞩目的成就，尤其是随着“长江经济带”国家战略的全面推进，长江黄金水道建设日益纵向深入，长江干线跨江桥梁工程数量稳步增长。桥梁建设一方面改善了铁路和道路交通运输，很大程度上缓解了陆上交通压力；另一方面却给水路交通运输造成了较大的负面影响，阻碍了船舶在桥区水域的航行。与此同时，船舶正趋于大型化，数量逐步增多，增加了发生船桥碰撞事故的危险性，使得船桥通航安全问题日益严峻。以武汉长江大桥为例，自建桥起至今已被船舶撞击 70 余次。图 1-1 为发生于 2011年的一起船舶碰撞武汉长江大桥的事故。

分布图,长江武汉段,桥梁,分布图

图 2-1 长江武汉段已建和在建桥梁分布图2）桥梁间距过调研，，获取长江武汉段的桥梁间距如表 2-1 所示。以处于最上游桥为零点，表中数据为该桥梁与上游相邻桥梁的直线距离。如白与上游相邻的沌口长江大桥间距约为 7km。表 2-1 长江武汉段的桥梁间距统计表（单位军山沌口白沙洲杨泗港鹦鹉洲大桥二桥二七天兴洲青山- 8.9 7 2.6 3.7 2.3 6.8 3.2 6.8 6.5表 2-1 中可看出，白沙洲大桥至天兴洲大桥的距离为 25.4km，但座之多，桥梁平均间距为 3.6km。因此，长江武汉段桥梁间距小导前调整航向的时间很短，不利于最佳操船时机的把握；此外桥梁响了桥区流场的分布，对船舶通航安全影响较大。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82

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