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复杂环境下船舶慢速域自主航行决策方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第3期52卷 113-120页

作者：赵兴亚贺益雄黄立文牟军敏武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063

为解决复杂环境下船舶慢速域自主航行决策问题,提出符合避碰规则、良好船艺和操纵特性的可变速自主航行决策方法.在分离型运动模型中增加推力随转速和航速变化的影响因子,提出船舶慢速域操纵运动模型和自适应最优航向控制方法,精确预测... 详细信息

为解决复杂环境下船舶慢速域自主航行决策问题,提出符合避碰规则、良好船艺和操纵特性的可变速自主航行决策方法.在分离型运动模型中增加推力随转速和航速变化的影响因子,提出船舶慢速域操纵运动模型和自适应最优航向控制方法,精确预测船舶操纵运动过程.将改进的速度算法与基于定量COLREGs的四阶段理论相结合,提出了一种适用于多船复杂会遇局面、兼顾变速和变向策略的慢速域自主航行决策方法.仿真结果表明:所提出的方法能在多船会遇场景下提供有效精确的自主航行决策方案,能安全避让所有目标并及时跟踪计划航线.

关键词：自主航行避碰规则改进速度障碍多船避碰可变速MMG

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基于动态流场数据的虚拟港口建模方法

交通运输工程学报 2022年第2期22卷 287-297页

作者：陈立家王凯魏天明郝国柱武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063

为了实现港口数字化升级,提出了一种基于动态流场数据的虚拟港口建模方法;采用三维重建模型从无人机倾斜摄影影像数据中重建了港口几何特征,获取高精度三维模型;引入了基于二次误差度量的边折叠算法简化模型,以避免数据量过大致使渲染... 详细信息

为了实现港口数字化升级,提出了一种基于动态流场数据的虚拟港口建模方法;采用三维重建模型从无人机倾斜摄影影像数据中重建了港口几何特征,获取高精度三维模型;引入了基于二次误差度量的边折叠算法简化模型,以避免数据量过大致使渲染效率低的问题;分析了欧拉法数值计算过程中的高耗时环节,建立了神经网络模型学习流场演化特征,加速投影项计算得到实时变化的流场数据,通过流场数据驱动水流动态渲染,结合光滑粒子流体动力学方法表现水流与船舶、陆地的交互动态,在保证渲染实时性的同时,提高渲染真实感。研究结果表明:重建的港口三维重建模型顶点数量可达3320937个,重建的网格模型在Meshlab中渲染频率为78.7Hz;经过模型简化降低90.0%的模型顶点数量后,模型顶点数量缩减为332836个,渲染频率提升至108.7Hz,模型简化后几何误差小于2.0%;在256×256的流场网格下,采用神经网络加速的网格流体计算方法所得水流速度场平均更新间隔约为17ms,平均仿真精度为88.6%;通过开源图像引擎驱动流场数据和港口三维模型,平均渲染频率可达50.5Hz。可见,该方法可有效解决高精度实时渲染中的关键问题,以达到仿真精度与渲染效率间的动态平衡,在精度损失较小的情况下实现较高精度的虚拟港口建模与实时动态仿真。

关键词：虚拟港口三维重建神经网络倾斜摄影水流模拟

基于速度特征的内河LNG船舶三维动态安全区建模方法

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重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年

作者：陈立家王冰吴小红李胜为武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉理工大学航运学院

为提高LNG船舶安全区设置的科学性，保障内河水域LNG船舶的通航安全，提出了一种基于速度特征的内河LNG船舶三维动态安全区建模方法。基于LNG船舶航行方向和速度变化的特点，将传统速度的线性分布模型改进为随机分布模型；利用区域分解... 详细信息

为提高LNG船舶安全区设置的科学性，保障内河水域LNG船舶的通航安全，提出了一种基于速度特征的内河LNG船舶三维动态安全区建模方法。基于LNG船舶航行方向和速度变化的特点，将传统速度的线性分布模型改进为随机分布模型；利用区域分解法，将复杂的三维几何区域分解成若干个子区域，建立相应的边界方程；基于船舶间极限通过设定约束条件，根据其几何形状，运用停船视距理论、船舶漂移计算方法和富余水深计算方法对安全区内部结构不同方位的安全距离进行数值求解。针对某内河LNG船舶，通过设置不同速度条件进行仿真验证。研究结果表明：该模型能较真实反映船舶安全区在速度影响下的差异变化，为内河LNG船舶航路规划起到参考作用。

关键词：船舶工程内河水域 LNG船舶动态安全区速度特征

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河口深槽可航宽度变化水域航行决策方法

上海交通大学学报 2023年

作者：贺益雄代永刚赵兴亚于德清黄立文武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉理工大学航运学院

为解决河口深槽可航宽度变化水域船舶航行决策问题，以长江口北槽深水航道为例，围绕环境数字孪生、航行规则融入、船舶操纵性限制和特殊水域下避碰机理等关键科学问题开展研究。将环境构成要素分类、建模并实现环境数字孪生。归纳、量... 详细信息

为解决河口深槽可航宽度变化水域船舶航行决策问题，以长江口北槽深水航道为例，围绕环境数字孪生、航行规则融入、船舶操纵性限制和特殊水域下避碰机理等关键科学问题开展研究。将环境构成要素分类、建模并实现环境数字孪生。归纳、量化解析航行规则要求并融入决策过程，提出本船非线性操纵特性下的控制和过程预测方法。探究了基于研究水域船舶行为特征的避碰机理，建立了可行航向航速范围求取方法，提出了多因素约束下能动态自适应系统剩余误差和目标船随机运动的航行决策方法。在预设场景下，本船在241s、1484s、4119s时，分别右转7°、右转2°且将车速降到前进一、右转5°且将车速降到前进一可安全通过。结果表明，提出的方法能在研究场景中精确进行航行决策，安全避让并及时跟踪航线。

关键词：航行决策河口深槽水域避碰机理航向航速控制系统数字孪生环境

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价值衰减下水上交通事故致因关联规则挖掘

中国安全科学学报 2022年第10期32卷 127-134页

作者：杨利超刘敬贤刘钊刘轶伟武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063

为提升我国沿海水域交通安全水平,在考虑水上交通事故价值衰减的基础上,提出一种基于时间权重的Apriori算法,并以2015—2020年我国沿海水域水上交通事故数据为样本,分析我国沿海水域水上交通事故特征,挖掘事故属性与致因属性间潜在映射... 详细信息

为提升我国沿海水域交通安全水平,在考虑水上交通事故价值衰减的基础上,提出一种基于时间权重的Apriori算法,并以2015—2020年我国沿海水域水上交通事故数据为样本,分析我国沿海水域水上交通事故特征,挖掘事故属性与致因属性间潜在映射关系,形成13条强关联规则。结果表明:交通事故的挖掘价值具有随时间衰减的特性,我国沿海水域在固定季节、固定时段、特定船舶及特殊水域存在水上交通事故高发的特征,事故基础属性与致因属性间存在一定的映射关系,部分致因属性常在特定的事故基础属性条件下同时出现。

关键词：价值衰减水上交通事故事故致因关联规则数据挖掘时间权重

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船舶自主航行虚拟测试场景研究进展

中国舰船研究 2024年

作者：陈立家王凯黄立文李胜为周欣蔚刘岩值武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室武汉理工大学航运学院武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室

自主航行能力系统性测试、验证与可靠性评价是智能船舶产业化应用的重要前提，为明确不同测试对象对于自主航行测试场景的需求，对自主航行测试场景的测试对象、场景定义、构建方法和测试方式进行了梳理。依据测试对象和场景需求的特点... 详细信息

自主航行能力系统性测试、验证与可靠性评价是智能船舶产业化应用的重要前提，为明确不同测试对象对于自主航行测试场景的需求，对自主航行测试场景的测试对象、场景定义、构建方法和测试方式进行了梳理。依据测试对象和场景需求的特点，将场景构建方法分为真实数据提取、机理建模重构、数据驱动衍生和优化搜索采样方法，对比阐述了不同场景构建方法的性能和所生成场景的特点，并结合算法验证优化、性能评估和安全验证等不同测试需求分析了场景构建方法所存在的问题。研究结果表明：实际应用要求测试场景构建技术充分关注测试场景结构体系的完备描述、场景组合爆炸和场景系统动力学演化问题。未来的研究应重点关注异质交通场景发展趋势，丰富智能船舶测试理论和方法体系，为智能船舶的研究成果产业化应用奠定理论与技术基础。

关键词：智能船舶自主航行测试场景场景定义场景生成场景重构

一种基于IPSO优化ELM的内河船舶轨迹预测方法

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2023年第4期47卷 764-769页

作者：郑元洲刁士桐钱龙张远锋李梦希刘欣宇武汉理工大学航运学院武汉430063 内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063

文中针对现有预测模型精度和计算效率不高的问题,提出一种引入深度学习框架(ELM)和改进粒子群算法(IPSO)的预测模型,进行内河船舶轨迹预测.采用长江武汉段实测AIS数据并从中提取一系列典型轨迹,使用ELM方法对典型轨迹进行实时预测,考虑... 详细信息

文中针对现有预测模型精度和计算效率不高的问题,提出一种引入深度学习框架(ELM)和改进粒子群算法(IPSO)的预测模型,进行内河船舶轨迹预测.采用长江武汉段实测AIS数据并从中提取一系列典型轨迹,使用ELM方法对典型轨迹进行实时预测,考虑到ELM网络的超参数难以人工取到最优,提出采用IPSO算法对网络超参数进行寻优处理,利用最优网络参数构建轨迹预测模型(IPSO-ELM),并与SVM方法、LSTM方法和ELM方法进行对比实验.结果表明:IPSO-ELM有效提高了轨迹预测精度.

关键词：极限学习机改进粒子群内河航道船舶轨迹预测

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桥区水域船舶追越与偏离的非安全行为识别

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2023年第3期47卷 561-567页

作者：李梦希束亚清郑元洲王帅奇刁士桐武汉理工大学航运学院武汉430063 内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063

文中提出一种面向桥区水域的船舶非安全行为识别模型.通过分析桥区水域AIS数据,得出桥区船舶轨迹的行为特征,并将非安全行为分为追越与偏离两种.基于拟合的船舶领域建立船舶追越行为识别模型,结合改进的Hausdorff方法对桥区过桥轨迹进... 详细信息

文中提出一种面向桥区水域的船舶非安全行为识别模型.通过分析桥区水域AIS数据,得出桥区船舶轨迹的行为特征,并将非安全行为分为追越与偏离两种.基于拟合的船舶领域建立船舶追越行为识别模型,结合改进的Hausdorff方法对桥区过桥轨迹进行聚类获得相应典型轨迹建立偏离行为识别模型.实验以武汉长江大桥桥区水域为例.证明桥区水域非安全航行行为识别模型可有效识别过桥船舶的追越、位置偏离、航速偏离等非安全行为.

关键词：内河桥区特征提取行为识别船舶轨迹

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船舶AIS和雷达航迹数据的关联及融合

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2023年第1期47卷 185-190页

作者：严庆新郑帅祥关宏旭李龙浩武汉理工大学航运学院武汉430063 内河航运技术湖北省重点实验室武汉430063

文中基于统计方法和模糊数学方法,设计出二级航迹数据关联及融合算法.在进行航迹数据关联时,先由基于统计的第一级关联准则对数据进行筛选,再由基于模糊数学的第二级关联准则从航向、航速、方位、距离四个因素进行综合评价,同时保证了... 详细信息

文中基于统计方法和模糊数学方法,设计出二级航迹数据关联及融合算法.在进行航迹数据关联时,先由基于统计的第一级关联准则对数据进行筛选,再由基于模糊数学的第二级关联准则从航向、航速、方位、距离四个因素进行综合评价,同时保证了算法的效率和准确率,数据融合采用基于最小方差原则的加权平均法.借助MATLAB对设计的算法进行仿真验证.结果表明:该算法的运算效率和融合数据的准确率均有提升.

关键词： AIS系统雷达系统航迹关联数据融合