船舶避碰决策仿真平台的研究与应用-硕士论文

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 指 导 教 师职 称副教授学位授予单位大连海事大学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 月答辩委员会主席中 文 摘 要摘 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，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、（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的值。然后综合考虑国际海上避碰规则归纳总结船舶的避让责任与避碰方案。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 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 environment. 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 ,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 and 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 heading, speed and position, then membership functions of , , , and (the speed of the 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, 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.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 modules 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 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 platform .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 改变方向对和的影响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415.1.1 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：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、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、比例控制三种方法对比研究了船舶避让转向角的计算方法，提出了评价船舶避碰转向角计算方法优劣的评价指标。第 4 章：主要介绍了船舶避碰决策仿真平台的内部结构与软件实现方法。第5章：通过举例展示界面的方式来介绍船舶避碰决策仿真平台的使用方法及可以实现的功能。第6章：对论文的内容进行总结，并提出仿真平台的不足和之后可以优化的内容。- 59 -第2章 仿真平台的总体结构与避碰基本知识2.1 仿真平台结构概述仿真平台通常分为单机仿真平台和多机仿真平台。单机仿真平台是指由仿真软件和一台计算机组成的仿真平台。多机仿真平台是建立在单机仿真平台的基础上的，仿真需要通过一定的通信协议与其他计算机或者仪器相互通信以发送或接收信息才能完成。本设计是一款单机的仿真平台，控制单本船以实现船舶避碰。在避碰系统中，可以有两种输出方式来实现船舶的避碰，一是输出船舶航向应该改变的角度，以此控制船舶的运动航向变化；二是输出舵令使船舶按照舵令改变运动状态，仿真平台系统框图如图2.1所示：图2.1 仿真平台系统框图Fig. 2.1 Block diagram of simulation platform system船舶在固定舵令下的航行轨迹近似一个圆形，单独给定一个舵令使船舶进行转向避让是不够的，而第一种方法提供了转向角度可以使船舶更有目的性的转向避让，能够更好的达到避碰效果，因此在本设计中采用的是第一种避碰方法。仿真平台实时采集本船与干扰船只的航行参数信息，并将其传入避碰系统模块作为输入参数，通过避碰系统模块内一系列运算得到船舶避让转向角，将获得的船舶航向传入航向控制器得到舵令并传入船舶运动数学模型模块，船舶（模型）会根据所得舵令进行响应，改变船舶的运动状态，新的船舶运动状态在仿真平台界面实时显示。由此完成了一次船舶避碰决策仿真平台框架、避碰系统模块以及船舶运动数学模型模块之间的交互。由上述可知，在仿真平台系统运行过程中，船舶模型是必不可少的，选择一个合理正确的船舶模型在实现船舶避碰仿真过程中是及其重要的。2.2 船舶运动数学模型由于船舶运动数学模型在船舶避碰决策仿真平台中是船舶运动仿真和控制的核心，所以在船舶运动数学模型的选择上应该综合考虑一些因素。在船舶的实际运动过程中，状况是十分复杂的，而船舶的运动数学模型是将实际复杂的船舶运动取近似，进行简化。如果使用过于复杂和精细的船舶运动数学模型，由于其中可能含有很难估计的参数，在分析模型时会遇到一些难以解决的困难；但是如果所选择的模型过于简单的话，又不能很好的描述系统的主要性能。因此，我们应该本着在满足精度要求的前提下尽量降低模型的复杂程度的原则选择数学模型。本设计中选择了包括了风、浪、流的干扰和非线性项在内的一种简单的非线性数学模型30作为船舶运动数学模型，希望可以模拟出船舶运动的真实情况。包括非线性流体动力项、风力项、浪力项在内的无量纲的具有两个状态空间变量的非线性船舶运动数学模型如式(2.1)所示： (2.1)其中：，为惯性力导数矩阵，代表黏性力导数矩阵，是舵力导数矩阵，则指的是横漂速度，表示转艏角速度，是具有两个状态空间变量的状态向量，为是控制输入舵角，及，分别代表的是非线性力、风力、浪力在y方向上的合力以及在绕z轴方向的合力矩。式(2.1)通过变形可以改写成形式如式(2.2)所示： (2.2)其中：,处于为以后研究提供便利的目的，选取航向偏差为第三个状态变量，其中表示设定航向，然后由可以得到如式(2.3)所示的三阶的数学模型： (2.3)其中：，以式(2.3)所示的三阶数学模型为依据，可以设计线性二次型最优控制器36。如式(2.4)所示的模型是以此为基础，叠加入舵机伺服系统后的模型36。 (2.4)其中，表示舵角，表示的是命令舵角，则状态空间向量可以用表示，由此可得具有四个状态空间变量的船舶运动数学模型如式(2.5)所示： (2.5)其中：，将船舶位置信息加入具有四个状态空间变量的船舶运动数学模型后，即可以得到具有六个状态空间变量的船舶运动非线性数学模型，其中如式(2.6)所示的即为模型的状态空间向量： (2.6)速度平衡方程如式(2.7)所示： (2.7)由于海浪对船舶的影响是改变船舶的位置，而风浪是通过改变船舶的横漂速度和转艏角速度来影响船舶的运动。在仿真中，我们通常假定流是恒定的，即流是恒向恒速的，所以它只会影响船舶的位置和速度，不会影响船舶的航向37，所以可以有新的速度平衡方程如式(2.8)所示： (2.8)其中，表示流的速度，表示流的方向，如图2.2所示：图2.2流的示意图Fig. 2.2 Schematic diagram of current结合式(2.5)和式(2.8)即可得本设计中所选用的具有六个状态空间变量的非线性船舶运动数学模型。2.3 仿真模型计算只有将船舶运动数学模型转化成计算机可以执行的仿真模型，才可以将船舶运动数学模型应用于船舶避碰决策仿真平台中。为实现船舶运动数学模型的转换就要对仿真模型进行计算，其原理就是将船舶运动数学模型进行离散化，然后再通过计算机求解。在选择离散化方法时，要考虑模型的特性以及对仿真经度和复杂度的需求。由于控制系统中的被控对象的数学模型要求要有较高的经度，因此非线性的数学模型才是理想的选择，而我们通常采用数值积分法作为离散化方法。由于四阶或者五阶的龙格库塔方法41具有较高的精度，因此将其作为首要选择37。本设计所采用的是四阶的龙格库塔方法41建立的数值仿真模型，由此可以得到避碰决策仿真系统的模型总体结构图如图2.3所示：图2.3 船舶模型总体结构Fig. 2.3 Overall structure of the ship model2.4 船舶避碰基本知识2.4.1 船舶避碰过程在本设计中所应用的船舶避碰方法是以船舶在开阔、常速水域中航行为基础的。当船舶在航行的过程中，遇到来船就会涉及到船舶避碰的问题。在船舶避碰过程中主要包括如下几个方面42，航行避碰流程如图2.4所示：图2.4 船舶避碰流程图Fig. 2.4 Flowchart of ship collision avoidance(1) 发现来船，搜集本船与来船位置、速度、航向信息；(2) 根据两船运动情况确定船舶安全通过距离43；(3) 判断本船是否存在碰撞危险，若存在危险，确定本船的避让责任，否则继续航行；(4) 如果本船为让路船，确定本船进行避碰行动的时机；(5) 确定本船进行避碰行动的方法；(6) 确定本船复航时机并复航。在以上六个步骤中，第一步：发现来船、搜集信息、确定来船运动状态等是避碰信息的搜集和处理阶段，其余的五步则是进行避碰行动的决策阶段。在船舶避碰决策仿真平台中，添加干扰船只后，根据船舶自身的参数判断船舶安全通过距离；根据本船和目标船的位置、速度、航向信息进行计算，判断本船是否具有碰撞危险；若有危险，则确定本船进行避让行动的时机并采取合适的避碰行动方法进行避碰；避碰后确定本船的复航时机并复航。2.4.2 船舶安全会遇距离规则第八条第4款规定：“为避免与他船碰撞而采取的行动，应能导致在安全的距离驶过。”从这一规则可以看出，如果两船可以在安全会遇距离驶过，则船舶不存在碰撞危险，也就不需要采取行动去避让其他船只。换言之，判断两船是否需要采取避碰行动的必要条件是两船是否可以在安全会遇距离驶过，同时这也是判断两船是否存在碰撞危险的必要条件。一般认为43，在天气晴朗的白天或者是在海上的能见度良好时，两艘达到万吨级别的船舶的最近会遇距离应该不小于1n mile；但是如果天气恶劣或者在夜间航行时，由于能见度差，最近会遇距离应该保持在2n mile左右；如果船舶是通过使用雷达进行避让行为，那么两艘重量万吨级别的船舶的也不应该少于2n mile。很显然，船舶的大小、航行水域的宽度、天气情况、水域能见度及其海况等因素在一定程度上都会影响安全会遇距离的确定。2.4.3 船舶会遇态势我们将互见情况下的会遇局面或者船舶在能见度不良时的态势称为船舶会遇态势。通常是根据会遇态势结合所适用的规则条文来判断船舶的避让责任以及应该采取的避让行动方法，同时船舶的会遇态势也是自动避碰决策的重要研究内容之一。如图2.5所示是航向交叉角和舷角的示意图。其中航向交叉角指的是目标船航向和本船航向的差值，即。如果差值，则。舷角指的是本船的航向与本船与目标船的方位线的夹角，也叫相对方位，一般以向左或向右计量。图2.5 航向交叉角和舷角示意图Fig. 2.5 Schematic diagram of course crossing angle and board angle根据规则和航行灯的水平光弧及能见距离，通常我们将会遇态势分为对遇、交叉相遇、追越三类，对应着上述会遇态势还有着更为详细的会遇态势划分方法，以海员通常的做法为依据，可以将两艘机动船的会遇态势划分为如下类别： 1. 对遇局面：如果两船的航向相反或者接近相反，使两船构成碰撞危险的局面，我们称这种局面为对遇局面。此时目标船舷角，且在之间。2. 交叉相遇局面：如果两船的航向相交叉并且具有碰撞危险，我们称此时的局面为交叉相遇局面。交叉相遇局面又可分为左舷交叉相遇和右舷交叉相遇两种局面，具体划分如下：(1) 左舷交叉相遇：当两船的首相交叉并且此时目标船在本船的左舷方向，我们称之为左舷交叉相遇局面。根据会遇时的角度不同又可以划分为： 左舷小角度交叉相遇：目标船舷角，且在之间。 左舷大角度交叉相遇：目标船舷角，且在之间。(2) 右舷交叉相遇：当两船的首相交叉并且此时目标船在本船的右舷方向，我们称之为右舷交叉相遇局面。根据会遇时的角度不同又可以划分为： 右舷小角度交叉相遇：目标船舷角，且在之间。 右舷大角度交叉相遇：目标船舷角，且在之间。3. 追越局面：(1) 追越局面：当本船处于目标船的的正横后大于的某一方向，且航速大于目标船航速；换言之，当在夜间由于本船相对于目标船（所追越的船）所处的位置使得本船只能看到目标船的尾灯而看不到任一舷灯时，我们认为本船是在追越目标船。此时目标船舷角，且在或之间，目标船船速度小于本船速度，即。(2) 被追越局面：指的是目标舷角，且在或之间，目标船速度大于本船速度，即。2.5 本章小结本章的内容是船舶计算机仿真的基础，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 船舶避碰系统理论分析3.1 船舶避碰系统概述船舶避碰系统是整个避碰决策仿真平台系统的核心，其重点在于危险度的评价以及避让决策分析，避碰系统框图如图3.1所示：图3.1 避碰系统框图Fig. 3.1 Block diagram of collision avoidance system由框图可以看出：避碰系统主要由参数计算、碰撞危险度评价、避让决策以及避碰控制器（避碰转向角计算）四部分组成。接下来，本文将分别针对船舶避碰参数计算、碰撞危险度评价模型的建立、避让责任与决策分析及避碰转向角计算方法几部分具体介绍。3.2 船舶避碰参数计算3.2.1 船舶运动参数在船舶避碰决策系统中，确定本船和目标船的运动参数进而求出一些关键参数是进行碰撞危险度评价和避让决策分析的基础。在本节中，主要讨论的是通过几何的方法以本船和他船的位置、速度、航向信息为已知信息计算44出两船之间的方位角、两船间的距离、最近会遇距离、到达最近会遇点的时间等关键参数45，为接下来的碰撞危险度评价以及进行避碰决策分析做基础。两船间的运动参数示意图如图3.2所示。已知：本船地理坐标为，航向为，航速为；本船检测到的目标船的地理坐标为，航向为，航速为。图3.2 两船间运动参数示意图Fig. 3.2 Schematic diagram of motion parameters between two ship1. 本船在，轴上的速度分量，： (3.1)2. 目标船在，轴上的速度分量，： (3.2)3. 目标船相对于本船的运动速度：(1) 在，轴上的速度分量，： (3.3)(2) 的大小： (3.4)(3) 的方向： (3.5)其中： 4. 两船之间的距离： (3.6)5. 目标船相对于本船的真方位： (3.7)其中，的选择类似于式(3.5)的取值：6. 目标船的相对方位： (3.8)7. 目标船与本船的航向交叉角： (3.9)8. 本船与目标船的最近会遇距离： (3.10)根据本船与目标船的相对位置关系，的符号如图3.3所示。9. 到达最近会遇点的时间： (3.11)其中，当时，说明目标船并没有驶到两船的最近会遇点；当时，说明目标船已经驶过了两船的最近会遇点。图3.3 的符号示意图Fig. 3.3 Symbol schematic diagram of 3.2.2 改变方向对和的影响由图3.2所示，可以看出：当船舶的相对位置一定时，改变本船的航向、航速或者同时改变航速、航向的时候对船舶间的和都有一定的影响。通过分析这种影响，在接下来确认采取转向避让幅度时就有理可依了44。在本设计中，主要考虑的是改变本船的航向对船舶间的和的影响。所以接下来将讨论改变本船的航向对船舶间的和的影响。1. 本船航向改变对的影响已知只改变航向：(1) 当两船的相对位置不变时，本船改变航向后，本船速度在，轴上的分量和： (3.12)(2) 本船改变航向后，目标船相对于本船的相对速度 相对速度在，轴上的分量和： (3.13) 相对速度的大小： (3.14) 相对速度的方向： (3.15)其中：(3) 本船改变航向后，两船间的最近会遇距离 (3.16)其中，。2. 本船改变航向对两船到达最近会遇点的时间的影响(1) 本船改变航向前，两船达到最近会遇点的时间： (3.17)(2) 本船改变航向后，两船到达最近会遇点的时间： (3.18)其中同上。3.3 碰撞危险度的概念及模型建立3.3.1 碰撞危险及碰撞危险度1. 碰撞危险研究碰撞危险是很有必要的，因为在研究船舶避碰时或者是在海上交通工程中碰撞危险都是一个非常重要的概念。在规则中多次出现了“避碰危险”这一词（第五、八、十二、十四、十五、十九条），但是并没有直接明确的定义什么是碰撞危险。规则意义上的碰撞危险包括如下三个方面：第一，如果两船在固定的航向上按照固定的航速航行，两船就会在同一个地点或者接近同一个地点的地方相遇，也就是说两船处在较小的航向上；第二，两船接近到一定程度；第三，两船可能行动不协调。但是并不要求同时具备这三个条件。碰撞危险的确定与很多因素都有关系，但是最根本的因素还是两船会遇时候的最近会遇距离和到达最近会遇点的时间 46。由于对避碰决策的研究是依托于碰撞危险度的，因此对船舶碰撞危险度的计算研究是非常重要的。2. 碰撞危险度船舶碰撞危险度（Collision Risk Index，简称CRI）44是用来衡量船舶之间可能会发生碰撞的概率的大小的船舶领域的基本概念，一般在01之间取值。当时，代表两船不具有发生碰撞的危险，航行是安全的；当时，代表船舶无论采取什么避碰措施都会相撞，发生危险；当时，代表两船具有一定的碰撞危险，的大小的不同代表危险的级别不同，船舶根据的大小采取不同的避让措施。用碰撞危险度来衡量船舶之间的碰撞危险具有一定的实际意义，在船舶航行过程中，可以根据的大小选择避让船只的时机、幅度以及避让船只的先后顺序。影响碰撞危险度的因素有很多，一般认为主要有如下几个因素：及其误差，及其误差，目标船的方位（或舷角），本船和目标船的航速、操纵性能，能见距离，交通状况，航行水域情况等等。但是对碰撞危险度影响最大的两个因素是和。如果或者越小，则碰撞危险度越大。3.3.2 碰撞危险度模型建立本文将前人的研究成果总结归纳，采用模糊统计（Fuzzy Statistics）的方法，以目标船与本船构成的方位、两船之间的距离、本船与目标船的船速比、最近会遇距离以及到达最近会遇点的时间为参数，做碰撞危险度的估计计算31-33。假设与本船构成会遇态势的目标船数为艘，分别为目标船的各参数建立危险隶属度函数、，其中。则目标船的碰撞危险度表达式为： (3.19)其中，、分别为目标船对应参数的权重，取值均在范围内，且。1. 的隶属度函数 (3.20)其中：指的是两船可以安全驶过的最小距离，且。指的是安全会遇范围，且，为系数，根据船舶的状态、两船之间的行动情况以及雷达设备存在的误差等因素确定。通常，在本文中取。文献44列出了与的取值如表3.1所示。表3.1 围绕本船周围的d1、d2取值表Tab. 3.1 Table of value of d1 and d2 around native ship与本船相对舷角/()000090180270d1 /n mile1.11.00.60.9d2 /n mile2.22.01.21.82. 的隶属度函数 (3.21)其中：指的是船舶没有足够的时间摆脱紧迫局面的时间，通过式(3.22)计算所得：，且 (3.22)指的是船舶有足够的时间摆脱紧迫局面的时间，通过式(3.23)计算所得： (3.23)式中指的是最晚采取避碰行动时的两船之间的距离；指的是动界，可以根据公式（其中，表示本船转向所需的时间）计算，在本设计中，取，即有，与取值的示意图如图3.4所示：图3.4 与的示意图Fig. 3.4 Schematic diagram of the value of and 3. 的隶属度函数 (3.24)其中：指的是本船与目标船之间没有足够的空间摆脱紧迫局面时两船之间的距离，其值为；指的是本船与目标船之间有足够的空间摆脱紧迫局面时两船之间的距离，其值为。4. 的隶属度函数 (3.25)其中：。5. 的隶属度函数 (3.26)其中，为碰角，取值范围为；为常数，通常取。由此，完成了船舶碰撞危险度模型的建立。3.4 避碰决策分析海上的船舶避碰是很复杂的，规则的第八条为如何采取避让行动以及在避让行动中应遵循的原则提供了依据，但是规则并没有给出定量的要求，仅仅是给出了定性的规定。通过对规则的深入理解，可以避让行动原则总结为“早、大、宽、清”四个字47。“早”指的是要及早的采取行动；“大”指的是要采取大幅度的行动：若某一船的行动大的可以使目标船用视觉或者雷达观察时容易观察到即可以被视为一次“大幅度避让行动”；“宽”指的是要留有宽裕的距离，也就是说在整个避让行动过程中都要保证两船之间的距离大于安全通过距离以确保两船没有碰撞危险；“清”指的是驶过让清，也就是说两船或其中一船采取避让行动后一段时间恢复到之前的航向或航速并保证两船能在安全通过距离上试过不存在碰撞危险。3.4.1 避让责任如今船舶的种类多种多样，而且它们的操纵性能大有不同。为实现最好的避碰效果，需要明确规定不同种类的船舶在不同会遇态势下的避让责任。为实现这一目的，总结了规则对避让责任的规定将其划分为如下三种情况：(1) 要求一船不应该妨碍另一船的安全通行；(2) 一船应给另一船让路，另一船应保速保向；(3) 要求两船有同等的责任和义务采取避让行动以保证船舶安全航行。规则划分避让责任是以船舶的几何关系以及船舶的避让操纵能力为依据的。划分避让责任的第一个原则是由船舶间的会