基于粒子群算法的多船避碰策略研究

发布时间：2020-11-18 07:09

　　 由于海上交通环境越来越复杂以及船舶航行愈加密集,导致了船舶碰撞事故时有发生。因此加强对多船避碰策略的研究已经刻不容缓。当前对多船避碰策略的研究较少考虑航行规则的约束和实际的航海习惯,且避碰策略的避碰效率不高、安全性较低。因此,本文以宽海域多船会遇为背景,将航行规则融入到改进的粒子群路径规划算法中,设计了基于全局路径规划算法和确定性算法结合的多船避碰策略。主要解决了多船避碰策略存在的与实际航行规则和航行习惯不符、避碰效率低、安全性低等几个主要问题。本文的主要研究内容如下:首先,为了加深对多船避碰问题的理解,对多船避碰问题进行分析。研究了宽阔水域与复杂水域多船会遇复杂程度的不同,得到了在宽阔水域多船避碰分解为三船会遇的结论,进一步确定了研究的范围;对船舶碰撞危险度的表示方法、常用的船舶避碰安全领域进行了研究,确定了采用的安全领域和危险度模型;对粒子群算法、遗传算法的优缺点进行了分析比较,确定了粒子群算法为本次研究的根本算法。其次,本文针对粒子群路径规划算法本身存在的易陷入局部最优值和在多船避碰应用中存在的规划路径与实际航行习惯不符的问题,分析了粒子群算法的改进策略。采用自适应和启发式的方法对粒子群算法进行了改进;从粒子的进化速度和粒子的聚集度两个方面增强粒子的自适应能力,解决了算法易陷入局部最优值的问题;将航行规则、路径安全性、和经济性加入到粒子群路径规划算法的适应度函数中,设计了基于轨迹斜率变化的规则评价方法,解决了与实际航行不符的问题。最后,对多船避碰策略进行了研究。设计了粒子群全局路径规划算法与确定性算法结合的分步多船避碰策略,在避碰策略中设计了基于船舶航行历史的危险性判断方法,能够对不符合航行规则航行的障碍船进行判断。在MATLAB仿真环境中与实时在线路径规划的避碰策略进行了对比,结果证明将路径规划算法与确定性算法结合的避碰策略在一定程度上能提高避碰策略的避碰效率,且更符合航行规则和航海习惯的要求、航行安全性更高。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U664.82;TP18
【部分图文】：

?基于粒子群算法的多船避碰策略研宄???（Ｂ??’图２．３本文采用的船舶领域模型??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｈｉｐ?ｄｏｍａｉｎ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｐａｐｅｒ??２．１．３船舶相对运动位置参数??采用路径规划的方法研究船舶避碰决策时，本船和它船的位置参数至关重要。本文??采用几何法在仿真过程中建立坐标系，通过船载电子设备可以得知它船船速它船航??向６，、它船位置（ｘ，，）、以及本船船速ｖ。、本船航向ｃ。、本船位置（ｘ〇，ｙ。）等信息。可以??方便得到本船与它船的相对运动位置参数。计算方式如下：??（１）本船相对坐标轴Ｘ轴和ｙ轴的相对速度＼＼?：??ｒｖ，０?＝ｖ〇ｓｉｎｃ０??ｋ＝ｖ。騰。?（２．２）??（２）它船相对坐标轴ｘ轴和ｙ轴的相对速度＇?＼??ｖ，，?＝ｖ，ｓｉｎｃ，??（２．３）??（３）本船与障碍船的距离尽：??ＲＴ－ｙ］（ｘ〇－ｘ，）２＋（ｙ〇－ｙ，）２?（２４）??（４）本船与障碍船的相对速度ｖｒ，其中??ｒ＼＝＾ｘ，－Ｖｘ〇??＇?＼＝ｖｖ，?＿ｖ＞。?（２．５）??Ｗ（＇）２＋（＇）２?（２．６）??（５）本船与障碍船的相对速度航向Ａ：??－１０－??

两船所形成的局面在航行规则中都有对??应的条款。航行规则在船舶避碰中的指导作用己深入人心，面对多船会遇这种特殊态势，??船舶驾驶员往往会潜意识应用航行规则因此本文研究多船避碰策略也是以两船会遇??及两船会遇规定的避碰操纵为基矗??两船会遇局面及操纵方式：根据航行规则分析，互见中的两船会遇包括对遇、右交??舷叉相遇、左舷交叉相遇、追越和被追越五种。对两船避让操纵形式进行划分主要分为??左转向、右转向、以及保速保向三类。分别对应六种行动区域，分别为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、??Ｅ、Ｆ六种区域，如图２．５所示。Ａ区来船，本船为让路船，本船应采取向右转向的避碰??行动；Ｂ区来船，本船为让路船，且相对方位较大，采取向左转向；在Ｃ、Ｄ、Ｅ区本??船为直航船，本船不必采取行动，继续保速保向航行；Ｆ区来船本船应采取向右转向。??船首向〇？??翁??２４７．５。（?Ｄ?／??＼?／?Ｃ?ｙ?１１２．５？??２１０？???图２．５互见中两船会遇局面划分??Ｆｉｇ．?２．５?Ｍｅｅｔ?ｓｉｔｕａｔｉｏｎ?ｄｉｖｉｓｉｏｎ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｓｈｉｐｓ?ｓｅｅ?ｅａｃｈ?ｏｔｈｅｒ??通过对两船会遇操纵情况的分析，多船避碰操纵方式也应当尽可能的满足航行规则??的要求。因此多船会遇可以通过会遇情况和避碰操纵情况进行划分。由于研宄的问题为??－１３－??

?基于粒子群算法的多船避碰策略研究???多船避碰策略，所有的研宄都应该围绕着避碰操纵方式，所以从避碰的操纵方式是否相??同可以对多船避碰进行分类。下面继续以三船会遇进行分析，三船会遇本船与两障碍船??所形成的会遇形式一共有９种，根据操纵形式可以分为以下两类：??①本船避让两障碍船的操纵形式相同；??②本船避让两障碍船的操纵形式不同。??（１）三船会遇中本船避让两障碍船的操纵形式相同??如图２．６?ａ）所示，其中三角形为障碍船，＿型为障碍船的船舶领域，Ａ为路径点，??Ｓ为路径起点，Ｇ为目标点，本船与障碍船Ｔ］为对遇，与障碍船Ｔ２的会遇局面为右舷??小角度交叉相遇，所以三船会遇中本船分别避让两障碍船所形成的避碰操纵形式都为右??转，只需要一次转向即可避让两条障碍船；如图２．６?ｂ）所示，本船与障碍船Ｔ１和Ｔ２??的会遇局面均为右舷大角度交叉，本船避让两障碍船所形成的避碰操纵形式都为左转，??也是只需要一次转向即可避让两条障碍船；本船避让两障碍船的操纵形式均为保速保向??时本船没有避让义务因此不做分析。??Ｐ１??ＰＩ?．?：?，??ａ）本船右转一次避让?ｂ）本船左转一次避让??图２．６本船避让两障碍船的操纵形式相同??Ｆｉｇ．?２．６?Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ?ａｖｏｉｄａｎｃｅ?ａｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｏｂｓｔａｃｌｅ?ｓｈｉｐｓ?ｉｓ?ｓａｍｅ??（２）三船会遇中本船避让两障碍船的操纵形式不同??如图２．７?ａ）所示，其中三角形为障碍船，圆型为障碍船的船舶领域，凡为路径点，??Ｓ为路径起点，Ｇ为目标点，本船与障碍船Ｔ１会遇局面为左舷对遇，与障碍船Ｔ２为右??舷大角度交叉相遇，本船避让障碍船Ｔ１的避碰操
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本文编号：2888457