基于安全势场的内河航道智能船舶跟驰决策模型研究

作     者：马续仕 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：周兆欣;孙龙;陈殿斌

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：安全势场 内河航道 船舶跟驰决策 运动数学模型 模型预测控制 

摘      要：随着人工智能、物联网和自动化技术的不断发展,智能船舶已经成为航运业的趋势。内河航道是水上运输的重要通道,智能船舶在内河航道中的应用具有重要意义。本文研究以山东省小清河为例,根据小清河内河航道特征,构建了航道内不同障碍物的不同安全势场;引入加速度参数改进船舶安全势能场,改进模型更能从安全角度刻画船舶行驶过程中所面临的安全风险。船舶跟驰决策方面,设计了船舶跟驰决策系统,为了满足船舶跟驰决策仿真过程中的操纵性需求,构建了描述船舶航行状态的船舶运动数学模型。从船舶避碰的操纵性约束和风险量化等角度出发,基于船舶动力学的改进模型预测控制思想,建立了一种适用于内河航道的智能船舶跟驰决策算法,利用船舶运动数学模型实现本船轨迹预测,并通过所建立的安全势场阀值得到船舶跟驰决策过程中的最佳行动时机,实现智能船舶自主跟驰决策。本研究对内河智能船舶驾驶安全风险进行分析,给出比较合理的跟驰决策方案,并验证了系统的可行性,旨在为提高内河航行的效率和安全性,为内河航运行业的发展做出贡献。本文主要完成的研究工作有以下几个方面: (1)本文改进安全势场模型,构建了包含速度、加速度及船舶质量等参数的安全势场模型,该模型可以更加直观地展现船舶航行安全风险,并通过安全势场模型势能角度构建了量化船舶安全风险的指标。 (2)针对智能船舶内河跟驰决策问题,本文构建了基于安全势场的跟驰决策策略,该模型可以根据所建立的安全风险指标,自动决策船舶采取跟随及换道的驾驶行为,使船舶在航道内与它船保持安全距离行驶。 (3)在模型仿真部分,为了满足决策算法对船舶操纵性的需求,基于模型预测控制(MPC),对算法中的预测模型和滚动优化进行调整,建立了本船三自由度运动数学模型,通过实地调研,对小清河某航段的航道和通航要素进行数字化处理,生成数字化海图数据,基于3DMAX平台,根据船舶型线图、平面布置图等资料建立船舶全尺度几何模型,通过将船舶3D几何模型与运动模型融合,形成船舶模型,以“小清河1号36FEU(40英尺集装箱)集装箱船为名称,开展仿真试验,以验证船舶跟驰决策实现智能船舶自主跟驰决策。