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特殊规则约束下感潮河段船舶自主航行方法

贺益雄 柴露通 王兵 赵兴亚 代永刚 黄立文

贺益雄, 柴露通, 王兵, 赵兴亚, 代永刚, 黄立文. 特殊规则约束下感潮河段船舶自主航行方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 86-97. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.009
引用本文: 贺益雄, 柴露通, 王兵, 赵兴亚, 代永刚, 黄立文. 特殊规则约束下感潮河段船舶自主航行方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 86-97. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.009
HE Yixiong, CHAI Lutong, WANG Bing, ZHAO Xingya, DAI Yonggang, HUANG Liwen. Autonomous Navigation Method for Ships in Tidal River Sections Under Special Rule Constraints[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 86-97. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.009
Citation: HE Yixiong, CHAI Lutong, WANG Bing, ZHAO Xingya, DAI Yonggang, HUANG Liwen. Autonomous Navigation Method for Ships in Tidal River Sections Under Special Rule Constraints[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 86-97. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.009

特殊规则约束下感潮河段船舶自主航行方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.009
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52071249

国家自然科学基金项目 52271367

详细信息
    作者简介:

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

    通讯作者:

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

  • 中图分类号: U675.96

Autonomous Navigation Method for Ships in Tidal River Sections Under Special Rule Constraints

  • 摘要: 为解决感潮河段特殊航行规则约束下的船舶自主航行问题,以南通段水域为例,对态势感知、规则融入和操纵决策开展研究。基于环境特征与决策需求,在传统数字化交通环境模型的基础上考虑航道因素与潮汐情况,创新性构建感潮河段数字化交通环境模型并以真实数据驱动,将其转化为决策程序可识别的信息库,系统读取信息库信息,感知附近环境构成要素的状态和发展态势,为决策与控制提供输入信息。量化解析《内河避碰规则》和良好船艺要求,结合感潮河段航道走向和舷角比对方法,改进传统会遇局面辨识模型,创新性建立感潮河段会遇局面与避让责任辨识模型,明确涨潮、非涨潮期间船舶避让责任与行动时机,并建立约束方程。在环境、避让责任、操纵性等多因素约束下,提出1种能自适应潮汐影响、求取避碰方案的自主航行方法,在真实数据驱动的通航环境中进行了2组仿真实验和1组对比实验。实验结果表明:在不同潮汐情况下,本文方法均能准确识别会遇局面,判断避让责任,生成、执行能让清所有目标的改向改速方案。对比实验中,内河宽水域航行决策方法下,本船在t = 1 s时右转5°避让目标船,避让责任判定错误,行动时机和幅度不符合特殊规则和良好船艺要求;本文方法下,可感知潮汐情况和本船航行状态,在t = 201 s时右转15°安全通过,符合要求。

     

  • 图  1  自主航行方法流程

    Figure  1.  Autonomous navigation methods process

    图  2  静态数字交通环境可视化

    Figure  2.  The visualization of static digital traffic environment

    图  3  船位推算轨迹图

    Figure  3.  Ship position reckon model

    图  4  最优PID控制器

    Figure  4.  The principle of the Optimal PID controller

    图  5  航线跟踪方法

    Figure  5.  The method of route tracking method

    图  6  内河船舶会遇局面示意图

    Figure  6.  The encounter situation of inland waterway ship

    图  7  感潮河段航行决策方法

    Figure  7.  Navigation decision-making method of tide-influenced

    图  8  追越过程图

    Figure  8.  overtaking process

    图  9  仿真实验1

    Figure  9.  Simulation experiment 1

    图  10  仿真实验2

    Figure  10.  Simulation experiment 2

    图  11  对比实验

    Figure  11.  Comparative experiment

    图  12  对比实验本船航向

    Figure  12.  The OS'course of the two method

    图  13  仿真实验1本船航向航速变化对比图

    Figure  13.  The comparison of ship's course and speed in simulation experiment 1

    表  1  “Interlink Equality”轮车钟转速表

    Table  1.   The telegraph of "Interlink Equality"

    档位 转速/(r/min) 航速/(n mile/h)
    前进四 90 13.5
    前进三 83 12.5
    前进二 75 10.5
    前进一 55 8
    微速前进 34 4.5
    停车 0 0
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    表  2  感潮河段会遇局面与避让责任辨识模型

    Table  2.   Inland waterway encounter situation and avoidance responsibility recognition model

    会遇局面 避让责任 条件
    追越 让路船 $\left(\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ}\right) \cap\left[Q 1 \in\left(112.5^{\circ}, 247.5^{\circ}\right) \cap V_1>V_2\right]$
    被让路船 $\left(\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ}\right) \cap\left[Q \in\left(112.5^{\circ}, 247.5^{\circ}\right) \cap V_1 <V_2\right]$
    对驶相遇 让路船 $Q 1 \in\left[0^{\circ}, 90^{\circ}\right] \cup\left[270^{\circ}, 360^{\circ}\right), Q \in\left[0^{\circ}, 90^{\circ}\right] \cup\left[270^{\circ}, 360^{\circ}\right), \left(\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ}\right)$, 上行船/逆流船
    被让路船 $Q 1 \in\left[0^{\circ}, 90^{\circ}\right] \cup\left[270^{\circ}, 360^{\circ}\right), Q \in\left[0^{\circ}, 90^{\circ}\right] \cup\left[270^{\circ}, 360^{\circ}\right), \left(\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ}\right)$, 下行船/顺流船
    横越 让路船 $84^{\circ} \leqslant\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 96^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ} \text { 或 } 264^{\circ} \leqslant\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 276^{\circ} \cap\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 6^{\circ}$
    被让路船 $\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap 84^{\circ} \leqslant\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 96^{\circ} \text { 或 }\left|\alpha_1-\theta_1\right| \leqslant 6^{\circ} \cap 264^{\circ} \leqslant\left|\alpha_2-\theta_2\right| \leqslant 276^{\circ}$
    交叉相遇 让路船 不构成追越、对驶相遇和横越局面;同流向,Q ∈ (0°, 112.5°),不同流向,上行船/逆流船
    被让路船 不构成追越、对驶相遇和横越局面;同流向,Q1 ∈ (0°, 112.5°),不同流向,下行船/顺流船
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    表  3  碰撞危险度与会遇阶段对应关系

    Table  3.   Correspondence between CRI and encounter stage

    会遇阶段 碰撞危险度
    无碰撞危险 0
    碰撞危险 (0, 0.4]
    紧迫局面(相互接近到单凭1艘船的行动已不能导致在安全距离上驶过) (0.4, 1)
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    表  4  辨识分析结果

    Table  4.   Identification and analysis results

    船舶 局面辨识结果 避让责任 本船避让原则
    涨潮时 非涨潮时 涨潮时 非涨潮时
    目标船1     不同向右交叉     目标船1为让路船     本船为让路船 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转 w≥0右转
    目标船2 横越     目标船2为让路船     目标船2为让路船 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转
    目标船3     同向右交叉     本船为让路船     本船为让路船 w>0右转 w>0右转
    目标船4 追越     目标船4为让路船     目标船4为让路船     w < 0.4保向保速;w≥0.4背着追越船转向     w < 0.4保向保速;w≥0.4背着追越船转向
    目标船5 追越 本船为让路船 本船为让路船 w>0右转 w>0右转
    目标船6     对驶相遇     目标船6为让路船     本船为让路船     w < 0.4保向保速;w≥0.4右转,左舷会船 w>0右转,以左舷会船
    目标船7     同向左交叉     目标船7为让路船     目标船7为让路船 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转
    目标船8     不同向左交叉     目标船8为让路船     本船为让路船 w < 0.4保向保速;w≥0.4右转 w>0右转
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    表  5  “Interlink Equality”轮船舶参数

    Table  5.   The parameters of "Interlink Equality"

    参数名称 数据
    船长/m 180
    船宽/m 32
    吃水/m 10.5
    排水量/t 49 000
    螺旋桨直径/m 6.2
    螺距/m 4.673
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    表  6  本船初始运动状态表

    Table  6.   The initial motion state of ownship

    初始状态 初始状态
    经度(°) E 120.883 1
    纬度(°) N 31.908 7
    初始航向(°) 338.4
    初始档位 前进三
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    表  7  目标船4、5初始参数

    Table  7.   The initial parameters of target ships 4 and 5

    船舶 经度/(°) 纬度/(°) 航向/(°) 航速/ (n mile/h)
    目标船4 E 120.8779 N 31.9197 337.1 4.2
    目标船5 E 120.8799 N 31.9414 250.3 3.9
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    表  8  目标船6、7初始参数

    Table  8.   The initial parameters of target ships 6 and 7

    船舶 经度(°) 纬度(°) 航向(°) 航速(n mile/h)
    目标船6 E 120.8881 N 31.9364 198.0 10.0
    目标船7 E 120.8675 N 31.9412 156.0 8.1
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    表  9  对比实验结果分析

    Table  9.   The analysis of comparative experiment results

    方法 潮汐情况 本船航行状态 局面辨识结果 避让责任 行动时机 操纵方案 规则符合性
    目标船6 目标船7
    本文方法 涨潮 顺流 不同向右交叉 对驶相遇 被让路船 w ≥ 0.4 右转15° 符合
    对比方法 / / 交叉 对驶相遇 让路船 w > 0 右转5° 不符合
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  • 收稿日期:  2024-07-25

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