多船会遇局面仿真与碰撞风险动态计算研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

大量的海事研究数据表明,绝大多数的海上船舶碰撞事故都是由于人的操作失误而造成的,尤其是在多船会遇的情况下,船舶操纵者的责任十分重大,若不小心做出错误的判断和操作,很有可能将会导致碰撞事故的发生。影响多船避碰决策的因素众多,并且它们之间往往相互影响和制约。因此,分析多船的会遇局面以及避碰的机理,充分考虑影响避碰的各个因素,对其碰撞风险进行动态计算显得尤为必要。船舶碰撞,不但损坏船体,危及货物,甚至造成船毁人亡,严重污染海洋。究其原因,不难发现绝大多数碰撞事故都是由于航海者的疏忽、过失以及严重违反国际海上避碰规则所致。由此可见,减少人为失误是减少船舶碰撞和提高船舶航行安全的关键环节。因此船舶避碰决策是21世纪航海技术的重要研究课题。

西方各国从事航海事业的历史比较悠久,国际上现行的一些技术和公约都是他们制定的,在船舶避碰领域他们的研究也比较深入,并取得了许多成果。最开始是英国的 university of liverpool(利物浦大学)和日本的 tokyo university of marine science and technology(东京海洋大学,原东京商船大学)首度将人工智能中的专家系统引入到船舶自动避碰领域,并成功装备上船。而后美国、德国、荷兰等国也相继开发出各具特色的船舶自动避碰系统。

近年来国外有韩国的 jin-hyeong ahn 等基于神经网络和模糊集理论,应用模糊神经算法建立了船舶避碰专系统 ,lokukaluge p. perera 等建立了船舶交通监控信息系统,土耳其的 ugur simsir 等学者基于神经网络建立了避碰决策支持系统,能够预测船舶三分钟后的位置,从而判断是否有碰撞危险,结合 vts 进行播报预防船舶碰撞。

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2. 研究的基本内容与方案

1.基本内容

本论文深入研究多船碰撞风险的评价方法,基于船舶操纵运动数学模型对多船会遇局面进行仿真分析,选取不同风险参数,实现动态实时计算,针对计算所得船舶信息选择合理的可视化手段,动态揭示多船会遇情形下,碰撞风险的变化过程,以及与船舶操纵方式的关系。

2.完成的主要任务及要求
总结和分析各类船舶碰撞风险参数定义方式,以及多船避碰决策机理;完成多船会遇局面的仿真与类别划分,基于matlab生产船舶运动轨迹和完成碰撞风险参数的动态计算;根据数据特征对其进行分类,通过对数据的可视化流程设计,熟悉将数据转换为可视化图表的多种途径,并通过动态可视化手段揭示多船碰撞风险的变化机理。

3.技术方案及措施

所谓船舶碰撞危险度(collision risk index,cri),是船舶之间发生碰撞可能性大小的度量,也是船舶之间发生碰撞危险的衡量标准,更是避碰决策的依据和评判标准。cri是一个很模糊的,不确定的概念,它不仅要受到航速、航向等因素的影响,还受到人对危险的感知和接受能力等因素的影响。cri的取值范围为0~1。cri=0说明没有碰撞危险;cri=1说明无论采取怎样的避让行动都无法避免和目标船碰撞;cri的取值说明了可能发生碰撞危险的程度。cri可以给船舶驾驶员一个早期的避碰提醒,并且当有多艘目标船与本船会遇时,船舶驾驶员可以根据cri来判断避让的时机和避让的顺序。因此船舶碰撞危险度的研究在船舶航行和船舶避碰领域中具有很重要的意义。

而要对其进行研究,就需要设计一种算法,构建碰撞危险度模糊评价模型。本文即对dcpa的隶属度函数进行改进,运用模糊数学计算的方法,构建碰撞危险度模糊评价模型,来对其进行评价。

美国加利福尼亚大学控制论教授扎得(l、a、zadeh)经过多年的琢磨,终于在1965年首先发表了题为《模糊集》的论文。指出:若对论域(研究的范围)u中的任一元素x,都有一个数a(x)∈[0,1]与之对应,则称a为u上的模糊集,a(x )称为x对a的隶属度。当x在u中变动时,a( x)就是一个函数,称为a的隶属函数。隶属度a(x)越接近于1,表示x属于a的程度越高,a(x)越接近于0表示x属于a的程度越低。用取值于区间[0,1]的隶属函数a(x)表征x 属于a的程度高低,这样描述模糊性问题比起经典集合论更为合理。隶属度属于模糊评价函数里的概念:模糊综合评价是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法,其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定,而是以一个模糊集合来表示。

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3. 研究计划与安排

第1-2周:深入研究船舶碰撞风险评价方法和避碰决策机理,多船会遇局面的划分,熟悉国内外研究中船舶风险参数的定义与计算方法,撰写开题报告;

第3-5周:在现有船舶运动数学模型的基础上,设计不同多船会遇方式,进行仿真分析,动态计算风险参数,分析如何通过不同风险参数的计算来评价船舶之间的碰撞风险;

第6-8周:基于matlab软件,学习船舶轨迹数据和风险参数等数据图形化方法,选择多种动态交互可视化手段,揭示在多船在会遇过程中,碰撞风险的变化过程;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 张金奋. 船舶碰撞风险评价与避碰决策方法研究[d]. 武汉理工大学, 2013.

[2] 许兰. 基于最优控制的船舶避碰研究[d]. 大连海事大学, 2016.

[3] 江立军, 郑凯, 王国峰,等. 现代船舶避碰系统研究进展[j]. 上海船舶运输科学研究所学报, 2015, 38(1):7-12.

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