船舶避碰决策仿真平台的研究与应用-硕士论文.doc

1、分 类 号 密 级 U D C 单位代码 大 连 海 事 大 学硕士学位论文船舶避碰决策仿真平台的研究与应用申请学位类别 工学硕士 学科（专业） 控制科学与工程论文完成日期 年 月 答辩日期 年 月中 文 摘 要指 导 教 师 职 称 副教授学位授予单位 大连海事大学答辩委员会主席摘 要随着科技的进步，全球贸易的发展飞快，海上的贸易往来日益频繁，港口、航道及附近区域的船舶航行数量和频度极度的增加，带来的是海上交通事故尤其是船舶碰撞事故的不断发生。一方面，船舶碰撞事故不仅会直接造成巨大的经济损失，还会威胁人们的生命安全；另一方面，由于船舶碰撞引起的原油泄漏还会引起水体污染，破坏人类赖以生存的环境

2、，更是金钱无法衡量的。从碰撞事故发生的原因来看，人为因素高达 80%。因此，研究并设计一款可以帮助人们规划避碰方案的软件，以解决由于人为失误造成的船舶碰撞是很有必要的。本设计即是针对于此问题开展的研究。首先，对船舶运动数学模型进行了研究，选取考虑了风浪流影响的具有三自由度的船舶运动数学模型，使用四阶龙格库塔方法离散化，并进行计算机仿真。然后，对船舶避碰系统进行了研究。首先以两船的航向、航速、位置信息为主要参数计算船舶避碰参数如 、 等，再分别建立 、 、 、DcpaTDcpaTTR、 （本船与他船的速度比）的隶属度函数，采用加权法计算碰撞危险度TK的值。然后综合考虑国际海上避碰规则归纳总结船舶

3、的避让责任与避碰方案。CRI最后，通过穷举法、牛顿迭代法、比例控制三种方法分别求取船舶避让转向角进行对比，同时提出了转向角求取方法优劣的评价指标。最后，在 VS2010 开发环境下创建船舶避碰决策仿真平台。为方便后续开发，实现了模块接口化，以框架模块为中心，其他模块成星型结构，模块间的信息数据通过框架进行交换。仿真平台界面色彩丰富友好，操作符合用户日常使用习惯。船舶避碰决策仿真平台具有验证船舶控制算法尤其是避碰算法的功能，为控制算法的稳定提供保障，对船舶自动舵的研究提供一定的理论基础，因此对仿真平台的研究具有一定的理论意义与应用价值。关键词：船舶避碰；仿真平台；船舶运动数学模型；碰撞危险度；避

4、碰决策英 文 摘 要ABSTRACTAlong with the progress of science and technology, global trade is developed quickly, and maritime trade is becoming more and more frequent. Meanwhile, the number of ships in the vicinity of ports and waterways increases extremely, which gives rise to more and more maritime traffic

5、 accidents especially the ship collision accidents. On one hand, huge economic losses can be caused directly and peoples life may be threatened by an ship collision accident .On the other hand, the water pollution can be caused by oil spill results from collision of ships, which can damage to the en

6、vironment. From the point of the cause of the collision accidents, human factors are as high as 80%.Therefore,a kind of software is designed to be necessary, which can help people plan a collision avoidance scheme so as to avoid ship collision caused by human error. This design is just carried out ,

7、which based on this problem.First of all, the mathematical model of ship motion is studied. A mathematical model of ship motion with three degrees of freedom is selected, which considering the effects of the wind, wave and flow. Then the model is discretized by the fourth order Runge-Kutta method an

8、d it is carried out by a computer simulation in the end.Secondly, the ship collision avoidance algorithm is studied. Ship collision avoidance parameters such as , are calculated by the data about two ships DcpTheading, speed and position, then membership functions of , , TR, and DcpaK(the speed of t

9、he ship with his ratio) are respectively set up, and the risk of collision is calculated by the method of weighted average. And ships conclusion avoid responsibility and collision avoidance scheme are summarized by considering the international regulations for preventing collisions at sea. Finally,

10、the vessel collision avoidance steering angle is calculated respectively by the exhaustive method, Newton iterative method and proportional control method, then the three kinds of results are compared with each other, at the same time, the evaluation index to calculate the steering angle is proposed

11、.Finally, ship collision avoidance decision-making simulation platform is created英 文 摘 要under VS2010 development environment. For the convenience of further development, the interface module is realized, frame module as the center, other modules into a star structure, the data exchange among every m

12、odules is realized through the framework module. Simulation platform interface color is rich and friendly, and the operation is in accord with the users daily habits.The ship collision avoidance decision-making simulation platform has the function of verifying the ship control algorithm, especially

13、collision avoidance algorithm. Not only the stability of the control algorithm can be guaranteed, but also the certain theoretical basis to the study of ship autopilot is provided. In a word, this design has a certain theoretical significance and application value to the study of the simulation plat

14、form .Key Words：Ship Collision Avoidance；Simulation Platform；Ship Motion Mathematical Model；Collision Risk Index；Collision Avoidance Decision-making目 录目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.1.1 选题背景 .11.1.2 研究意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 课题研究内容 .3第 2 章 仿真平台的总体结构与避碰基本知识 .62.1 仿真平台结构概述 .62.2 船舶运动数学模型 .72.3 仿真模型计算

15、.102.4 船舶避碰基本知识 .112.4.1 船舶避碰过程 .112.4.2 船舶安全会遇距离 .122.4.3 船舶会遇态势 .122.5 本章小结 .14第 3 章 船舶避碰系统理论分析 .153.1 船舶避碰系统概述 .153.2 船舶避碰参数计算 .153.2.1 船舶运动参数 .153.2.2 改变方向对 Dcpa和 T的影响 .183.3 碰撞危险度的概念及模型建立 .203.3.1 碰撞危险及碰撞危险度 .203.3.2 碰撞危险度模型建立 .213.4 避碰决策分析 .243.4.1 避让责任 .243.4.2 转向决策 .253.5 转向角的计算 .273.6 本章小结

16、.30第 4 章 船舶避碰决策仿真平台的设计与实现 .314.1 用户需求 .31目 录4.1.1 界面显示要求 .314.1.2 功能操作要求 .314.1.3 平台内部要求 .324.2 软件整体设计 .324.2.1 系统主要设计内容 .324.2.2 系统功能模块设计 .334.3 仿真平台的模块设计 .344.3.1 模块划分 .344.3.2 显示模块 .344.3.3 船舶避碰系统模块 .374.3.4 船舶模型模块 .384.3.5 控制模块 .384.3.6 框架模块 .384.4 本章小结 .40第 5 章 仿真平台界面介绍与功能验证 .415.1 仿真平台界面介绍 .41

17、5.1.1 仿真平台开始界面 .415.1.2 仿真平台主界面 .415.1.3 仿真平台设置界面 .425.1.4 船舶信息显示界面 .465.1.5 报警界面 .465.2 仿真平台仿真功能验证 .485.2.1 船舶运动数学模型的验证 .485.2.2 船舶避碰流程 .485.3 本章小结 .52结 论 .53参 考 文 献 .54致 谢 .57船 舶 避 碰 决 策 仿 真 平 台 的 研 究 与 应 用- 1 -第 1章 绪论1.1 选题背景及研究意义1.1.1 选题背景随着科技进步，全球贸易发展飞快，海上的贸易往来日益频繁，港口、航道及附近区域的船舶航行极度的增加，带来的是海上交通

18、事故尤其是船舶碰撞事故的不断发生。根据国家交通部政府公开的 2009 年到 2013 年全国运输船舶发生的水上交通事故统计资料 1-6分析知，平均每年发生的事故总数为 304 件，致使死亡失踪人数300 人，沉船达 175 艘，直接经济损失达 3.82 亿元。根据香港的海事部门 2008年到 2012 年对香港及周围附近水域的船舶各类事故统计资料知 7，平均每年发生的意外事故为 428 起，造成伤亡人数达 711 人。其中由于船舶碰撞造成的事故总数占事故总数的比例高达 48.3%。此外，超过 80%的船舶碰撞导致的海上交通事故是与人有关的，其中 60%是与人直接相关的，而其余的 20%是与人间

19、接相关的10。由上述材料可以看出，海上交通事故不仅会造成巨大的经济损失，还会直接威胁人们的生命安全，由于船舶碰撞引起原油的泄漏 8-9，造成了水域的严重污染，破坏了人类赖以生存的环境，更是用金钱不能衡量的。为了减少碰撞事故，提高船舶自动化的程度，将船舶避碰算法应用于自动舵中以减少由于人为因素导致的船舶碰撞事故的发生势在必行。为了开启对避碰算法的研究，需要建立一款仿真平台用于检验避碰算法的优劣。本设计即是基于此目的开发的一款仿真平台。1.1.2 研究意义目前，航向控制系统和航迹控制系统在实船自动舵控制中的应用已经相对成熟了，但是船舶自动避碰控制系统还未能在实船系统中得到很好的应用。仿真平台的建立

20、为船舶自动避碰系统的建立提供了仿真环境。本文所设计的仿真平台是模拟船舶在宽阔水域中的航行、避碰过程，模拟背景是根据墨卡托海图原理简化第 1 章 绪 论- 2 -了的海图，坐标为经纬度。平台船舶避碰系统所需的船舶参数如船舶位置、航速、航向等参数的获取类似于实船从船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称 AIS 系统） 11中获取。增强了通过船舶避碰决策仿真平台验证的船舶避碰算法从理论应用到实际的可能性。由此看来，对船舶避碰决策仿真平台的研究对提高船舶航行的安全有实际意义，可以为航海事业做一定的贡献。本文的主要目的是开发一款船舶避碰决策仿真平台，用来实

21、时显示船舶的运动及避碰过程，通过这种方式来检验船舶运动控制算法尤其是避碰算法的优劣。参照已有的仿真平台 12,13，重新创建新的仿真平台。总结前人对避碰算法的研究得到本文所用的避碰算法并将其移植进仿真平台中且通过平台的检测。1.2 国内外研究现状对船舶避碰决策仿真平台的研究是建立在对船舶避碰决策系统的研究的基础上的。自从 20 世纪五六十年代开始，西方英美等国家和日本就开始了船舶避碰决策的研究 14-17，在这个阶段，主要是以经典数学为工具，对一些定性的概念进行量化。六十年代末，自动雷达标绘仪（Automatic Radar Plotting Aids，简称ARPA）通过计算机开始被应用到海航

22、避碰领域 18。一直到八十年代，人们开始研究智能化的航海避碰专家系统。其中值得一提的是英国利物浦工业大学研制成功的船舶避碰专家系统 19，这是依托于国际海上避碰规则（以下简称规则），结合海员的实践经验与航海专家的理论研究建立避碰知识库的一种咨询式的避碰系统。该系统规划了十四种避碰局面，根据当时的会遇情况选择最适宜的方案。该系统也有不足之处：在复杂的航海情况下，系统提供的方案可能与船员的认知不相统一，会误导船员根据驾驶经验做出的操作；系统不能在多来船的情况下做出避让决策。相比较咨询式的避碰知识库系统日本东京商船大学的“汐路丸”号实验船上面的避碰决策系统 20具有一定的优势，在系统的内部不仅具有决

23、策功能，也具有自动操作船舶控制装置的功能。具有如下特点：该系统是全自动避碰系统，可以船 舶 避 碰 决 策 仿 真 平 台 的 研 究 与 应 用- 3 -将决策直接作用于船舶控制装置；可以根据当时会遇态势提供多种避碰方案并比较选择最优航线；对知识库规则进行了优先级排序，提高了计算机搜索效率。20 世纪 90 年代初，日本东京商船大学 21试着将神经网络应用于船舶避碰模型中，神经网络的强大的记忆能力和自学习能力等优点使这种模型相对于普通模型具有一定的优势如较强的信息处理能力和学习功能，同时采用神经网络算法的避碰模型具有良好的实时性。20 世纪 90 年代，学者们开始将遗传算法等进化理论应用到自

24、动避碰决策中 22-26，遗传算法的自适应性以及可扩展性可以与其他算法相结合利于规划船舶最优避碰路径。在国内，大连海事大学的尹勇、张显库等人在大连海事大学船舶模拟器的基础上开发了船舶自动避碰算法仿真测试平台 27。该系统平台由主机及多个仿真节点构成，各节点间、主机与节点间通过网络连接成统一的一个整体，并且可以通过网络在各自的海图间互见。各个模块间以公共接口函数的方式实现，这也是在设计中值得学习的地方。国内学者杨神化、施朝健也研究了船舶自动避碰仿真平台 28,29，这是由一个控制台主机和 n 个本船主机构成的 Multi-agent 系统仿真平台。系统通过控制台主机与各个本船主机互见，实现了各个

25、本船的状态查看、避碰仿真练习、系统整体运行等功能。通过各个主机间的信息交换，可以查看来船的船舶名称、船舶型号、航向、航速、地理坐标等信息，并模拟了海上 VHF 通讯等功能。本实验室对于仿真平台也有一定的研究。原有的仿真平台界面已经完成了模块的划分，完成了仿真平台的基本功能，但是原有平台的海图误差较大，选用的船舶运动数学模型过于简单，使得仿真不够准确。本设计是参照原有的仿真平台重新建立的新的仿真平台，弥补了原有平台的不足，并在仿真平台上完成船舶避碰系统的设计与验证。1.3 课题研究内容本文主要的研究内容有：第 1 章 绪 论- 4 -1. 船舶运动数学模型的选取。采用的是一种简洁的包括了风、浪、

26、流的非线性船舶运动数学模型 30。2. 船舶避碰系统的设计。以船舶实时的航向、航速、位置坐标为参数，采用模糊的方法 31-33计算船舶的碰撞危险度进行碰撞危险度评价，并结合规则总结船舶根据不同的会遇局势的避让决策。分别使用穷举法、牛顿迭代法、比例控制三种方法计算船舶避碰转向角进行对比，并提出了评价转向角计算方法优劣的评价指标。3. 船舶避碰决策仿真平台界面的优化与算法验证。仿真平台是根据用户需求基于 VS2010 开发环境参照已有的仿真平台界面 12,13使用 MFC 编程语言编写的仿真界面。主要目的是通过实时地显示船舶避碰的整个过程来验证船舶避碰算法的优劣。本仿真平台是单机的单控制器的仿真平

27、台，即只在本船上添加控制器，通过控制本船的运动来达到避碰的目的，而目标船是定向定速的。主要要完成的工作有：(1) 仿真平台界面的重新建立与优化；(2) 将船舶运动数学模型应用于仿真平台中并验证；(3) 通过界面船舶航迹的显示进行船舶定向航行验证；(4) 通过界面船舶航迹和相关参数的显示进行船舶避碰算法验证。具体的文章章节安排为：第 1 章：详细介绍课题的选题背景、研究意义以及国内外的研究现状。同时介绍了本文的主要研究内容和需要完成的工作。第 2 章：首先介绍了仿真平台系统的结构，然后介绍了仿真平台所需的具有六个状态空间变量的船舶运动数学模型 30的建模过程，并简单的介绍了仿真模型的计算方法。然后介绍了船舶避碰相关的基础知识，为第 3 章的船舶避碰系统研究做基础。第 3 章：对船舶避碰系统进行了详细的理论分析。首先介绍的是船舶避碰相关参数计算方法和船舶碰撞危险度评价模型的建立方法。然后综合规则总结了船舶在不同会遇局势下的避让决策，并通过穷举法 34、牛顿迭代法 12,35、比例