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基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法

黄立文 李浩宇 梁宇 赵兴亚 贺益雄

黄立文, 李浩宇, 梁宇, 赵兴亚, 贺益雄. 基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(6): 1-10. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.001
引用本文: 黄立文, 李浩宇, 梁宇, 赵兴亚, 贺益雄. 基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(6): 1-10. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.001
HUANG Liwen, LI Haoyu, LIANG Yu, ZHAO Xingya, HE Yixiong. A Decision-support System for Automated Collision Avoidance of Ships with Variable Speed Based on Simulation of Maneuvering Process[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(6): 1-10. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.001
Citation: HUANG Liwen, LI Haoyu, LIANG Yu, ZHAO Xingya, HE Yixiong. A Decision-support System for Automated Collision Avoidance of Ships with Variable Speed Based on Simulation of Maneuvering Process[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(6): 1-10. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.001

基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.06.001
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2019YFB1600603

国家重点研发计划项目 2020YFE0201200

国家自然科学基金面上项目 52071249

详细信息
    作者简介:

    黄立文(1963—), 博士, 教授.研究方向: 交通信息工程及控制.E-maill: whuang@whut.edu.cn

    通讯作者:

    贺益雄(1976—), 博士, 副教授.研究方向: 智能航行.E-mail: heyixiong7@whut.edu.cn

  • 中图分类号: X51

A Decision-support System for Automated Collision Avoidance of Ships with Variable Speed Based on Simulation of Maneuvering Process

  • 摘要: 为了解决船舶部分场景中仅靠变向避让效果差的问题,研究了多物标环境下符合避碰规则的船舶可变速自动避碰决策方法。基于船舶会遇四阶段理论和船舶领域模型量化船舶碰撞危险度,通过可变速MMG模型和模糊自适应PID航向控制方法推演船舶定、变速改向操纵过程。在此基础上,改进了基于操纵过程推演和速度障碍理论的动态可行操纵区间求解算法。以实船为仿真目标,进行了不同操纵方案下的对比实验和多物标场景下的仿真实验。将程序运行步长设置为1 s,结果表明:①预设他船位置(4 n mile,4 n mile),航向270,航速12 kn,本船位置(0 n mile,0 n mile),航向000,航速12 kn的交叉相遇态势下,变向变速避让和仅变向避让采取操纵行动的最晚时间点分别为711 s和643 s;②在物标较远的多物标环境下,本船O保向保速至663 s,与目标船TATCTD构成碰撞危险,采取目标航向、转速区间为[48°, 61°]、[75 r/min, 85 r/min] 中任意组合可让清所有物标。

     

  • 图  1  船舶领域模型

    Figure  1.  Ship domain model

    图  2  对遇局面潜在碰撞危险

    Figure  2.  PCR of head-on situation

    图  3  追越局面紧迫局面形成点

    Figure  3.  FTCS of overtaking situation

    图  4  交叉相遇局面紧迫局面形成点

    Figure  4.  FTCS of crossing situation

    图  5  FTCS求解流程

    Figure  5.  Solution process of FTCS

    图  6  速度障碍

    Figure  6.  Velocity obstacles

    图  7  模糊自适应PID控制器

    Figure  7.  Fuzzy adaptive PID controllers

    图  8  动态速度障碍区

    Figure  8.  The range of dynamic velocity obstacle

    图  9  操纵方案求解流程

    Figure  9.  Solving flow of the maneuvering scheme

    图  10  变向避碰

    Figure  10.  Alter course for preventing collisions

    图  11  变向变速避碰

    Figure  11.  Alter course and speed for preventing collisions

    图  12  不同操作方案最晚行动时间点

    Figure  12.  Latest action time of different operation schemes

    图  13  多物标可行改向区间仿真

    Figure  13.  Simulation of multi-objective, feasible-redirection intervals

    图  14  多物标可行转速区间仿真

    Figure  14.  Simulation of the feasible-speed interval for multi-targets

    表  1  船舶资料

    Table  1.   Particular of the ship

    参数 数值 参数 数值
    吃水/m 14.5 舵面积/m2 56.88
    船长/m 225 水密度(/kg/m3 1 025
    船宽/m 32.5 额定转速(/r/min) 93
    排水量/kg 90 000×103 螺旋桨进距/m 4.738
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    表  2  车钟转速表

    Table  2.   Tachometer of the propulsion

    车令 转速(/r/min) 航速/kn
    前进 海上速度 93 14
    前进三 85 12
    前进二 70 10.5
    前进一 48 5
    微速前进 35 3
    后退 微速后退 35 3
    后退一 48 5
    后退二 70 10.5
    后退三 85 12
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    表  3  碰撞危险形成限定条件

    Table  3.   Conditions for collision risk formation

    局面 潜在碰撞危险 2船距离/n mile 时间/s
    对遇局面 存在PCR 距离≤6
    追越局面 存在PCR 距离≤3
    交叉相遇局面 存在PCR 距离≤6 TCS < 1 200
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    表  4  对比实验参数

    Table  4.   Parameters in the contrast experiment

    船舶类型 坐标/n mile 航向/° 航速/kn 初始转速(/r/min)
    本船 (0,0) 0 12 85
    目标船 (4,4) 270 12 85
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    表  5  仿真实验参数

    Table  5.   Parameters in the simulation experiment

    目标类型 坐标/n mile,半径/m 航向(/°) 航速/kn TCS /s CRI
    k1 k2 k3 k1 k2 k3
    目标船TA (3.5,8.8) 210 10 951 349 349 0 0.12 0
    目标船TB (5.5,8.3) 173 12 0 0 0 0 0 0
    目标船TC (-4.4,1.5) 60 13 1582 842 0 0 0.03 0
    目标船TD (-2.9,6.8) 120 11 1136 537 767 0 0.06 0
    圆形障碍物1 (-3,6),r = 200 1715 1115 278 0 0 0
    圆形障碍物2 (4,3),r = 300 1014 414 976 0 0 0
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  • 收稿日期:  2021-09-08
  • 网络出版日期:  2022-01-12

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