一种性能受限的船舶避碰路径规划方法与流程

技术特征：
1.一种性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、利用船舶助航设备获取本船与目标船的船舶数据；s2、评估船舶安全性，判断本船与目标船是否存在碰撞危险；s3、结合船舶避让行为，利用船舶运动数学模型构建性能受限的船舶避碰路径；s4、应用基于生物迁移启发式算法优化船舶避碰路径；s5、输出航程最短的性能受限的安全船舶避碰路径。2.根据权利要求1所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s1的具体实现过程如下：s11、获取本船的船舶数据，利用gps获取本船经纬度，利用船舶罗经获取本船航向，利用计程仪获取本船航速；s12、获取目标船的船舶数据，利用ais获取目标船的经纬度、目标船的航速、目标船的航向，利用雷达获取目标船的方位和距离；s13、获取两船的最近会遇距离dcpa和最近会遇时间tcpa，根据s11和s12获取的本船和目标船的数据，利用自动雷达标绘仪arpa求解获取本船和目标船的最近会遇距离dcpa和最近会遇时间tcpa。3.根据权利要求1所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s2的具体实现过程如下：s21、设置船舶安全会遇距离θ
safe
，安全会遇时间γ
safe
，设定船舶安全会遇距离θ
safe
为船舶安全领域的半径，取值范围为1海里～2海里，安全会遇时间γ
safe
的取值范围为20～40分钟；s22、基于步骤s13中获取的本船与目标船的最近会遇距离dcpa和最近会遇时间tcpa，当在最近会遇距离dcpa小于安全会遇距离θ
safe
且最近会遇时间tcpa小于安全会遇时间γ
safe
时，认为两船存在碰撞危险。4.根据权利要求1所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s3的具体实现过程如下：s31、根据国际海上避碰规则，确定船舶避让行为；s32、结合船舶避碰行为，构建性能受限的船舶避碰运动过程；s33、构建性能受限的船舶避碰路径p
i
＝{a1,a2,d1,d2,r1,r2,r3}，其中：a1：船舶避碰转向角度，代表船舶避让转向的幅度，取值范围为21～80度；a2：船舶复航转向角度，代表船舶复航转向的幅度，取值范围为21～80度；d1：船舶避让点距离，代表避让转向的时机，取值范围为0.1海里～6.0海里；d2：船舶复航点距离，代表船舶复航转向的时机，取值范围为0.1海里～6.0海里；r1：船舶避让转向舵角，代表船舶操纵性能限制，取值范围为5度～35度；r2：船舶返航转向舵角，代表船舶操纵性能限制，取值范围为5度～35度；r3：船舶复航转向舵角，代表船舶操纵性能限制，取值范围为5度～35度；将三个转向舵角作为船舶运动数学模型的输入，模拟船舶的避碰航行过程的三次转向运动阶段，以达到规划避碰路径符合船舶运动特征的目的。5.根据权利要求4所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s31根据国际海上避碰规则，确定船舶避让行为，具体包括：
s311、根据步骤s2确定的本船与目标船存在碰撞危险后，根据国际海上避碰规则判定船舶会遇态势；船舶会遇态势包括对遇态势、追越态势和交叉相遇态势；s312、根据不同的会遇态势确定本船与目标船的避让责任和避让行为，其中，交叉相遇态势，采取向右转向的避让行为；对遇态势，采取向右转向的避让行为；追越态势，采取向右转向的避让行为。6.根据权利要求4所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s32结合船舶避碰行为，构建性能受限的船舶避碰运动过程，具体包括：s321、构建船舶避让过程，船舶避让过程是指确认本船与目标船存在碰撞危险后，采取避让行为直至让清目标船或驶过目标船，该过程包括船舶等待直航阶段g0、船舶避让转向阶段g1和船舶避让直航阶段g2；s322、构建船舶复航过程，船舶复航过程是指驶过目标船之后，本船返航回到原航线原航向的过程，包括船舶返航转向阶段g3、船舶返航直航阶段g4和船舶复航转向阶段g5；其中，g1、g3和g5三个转向运动阶段要考虑船舶的转向性能，用船舶运动数学模型模拟船舶的三个转向运动阶段，构建性能受限的船舶避碰运动过程。7.根据权利要求1所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s4的具体实现过程如下：s41、用二进制编码方式表示船舶避碰路径p＝{a1,a2,d1,d2,r1,r2,r3}，确定七个路径变量的取值范围，利用二进制编码方式表示以上七个路径变量，组合起来表示性能受限的船舶避碰路径，生物迁移启发式算法中的栖息地代表船舶避碰路径，最高适宜度的栖息地就是航程最短的性能受限的船舶安全避碰路径；s42、利用船舶运动数学模型模拟船舶转向运动阶段，考虑到船舶的操纵性和运动特征，采用船舶运动数学模型模拟船舶的避碰时的转向运动阶段，即步骤s32中的g1、g3和g5三个转向运动阶段；船舶转向时的转向舵角作为船舶运动数学模型的输入，模拟船舶的避碰时的转向运动阶段，得到船舶转向的运动轨迹；s43、计算适应度，评价船舶避碰路径；在保证船舶安全的条件下，求解航程最短的船舶避碰路径；船舶避碰路径规划的目标函数s为船舶避碰路径的航程，即步骤s33所述六个阶段的航程之和，采用如下表示：船舶避碰路径规划的安全约束为两船的最近距离θ
min
大于设定的船舶安全会遇距离θ
safe
，采用如下公式表示：θ
min
＞θ
safe
适应度函数f与船舶避碰路径的航程s与安全系数δ有关，采用如下公式表示：f＝δ*(s
oc
/s)其中，s
oc
是船舶避碰路径的最小航程，即本船初始位置点o和航线交叉点c的直线距离；满足安全约束时，安全系数δ等于1；不满足安全约束时，安全系数δ等于0；a1,a2的取值约束为21度～80度，采用如下公式表示：21≤a
i
≤80,i∈{1,2}d1,d2的取值约束为0.1海里～6.0海里，采用如下公式表示：
0.1≤d
j
≤6.0，j∈{1,2}r1、r2和r3的取值约束为5度～35度，采用如下公式表示：5≤r
k
≤35,k∈{1,2,3}；s44、评判当前的船舶避碰路径是否达到收敛标准；收敛标准可设置为最大迭代次数，也可设置为多次迭代船舶避碰路径不再优化，若达到收敛标准，则输出当代最优船舶避碰路径p＝{a1,a2,d1,d2,r1,r2,r3}；s45、应用生物迁移启发式算法的迁移策略，更新船舶避碰路径。8.根据权利要求7所述的性能受限的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤s45中，应用生物迁移启发式算法的迁移策略，更新船舶避碰路径的具体过程如下：s451、将船舶避碰路径作为栖息地，二进制编码的船舶避碰路径的每一位二进制码作为物种，模拟物种在各栖息地之间的迁移过程，寻找最优适宜度的栖息地，即航程最短的船舶安全避碰路径；s452、将所有船舶避碰路径按照适应度由小到大排序，r
k
是排序位置，n是避碰路径的个数；船舶避碰路径的迁移率与其适应度有关，船舶避碰路径适应度越大，迁出率越高，迁入率越低；s453、生成0～1的随机数，对二进制编码的船舶避碰路径逐位判定是否执行迁入操作，随机数大于迁入率，则执行迁入操作；s454、将迁出率μ
k
采用如下公式表示：μ
k
＝1/2(1
‑
cos(πr
k
/n))s455、将迁入率λ
k
采用如下公式表示：λ
k
＝1
‑
μ
k
s456、被迁入的二进制位从其他船舶避碰路径中选择，利用轮盘赌选择方法选择船舶避碰路径，第j个船舶避碰路径p
j
的被选概率pr(p
j
)公式如下：其中，u
j
是第j个船舶避碰路径的迁出率；s457、选中被迁入船舶避碰路径后，对应的二进制位迁入当前船舶船舶避碰路径，替换原来的二进制位，完成一次迁移操作；s458、更新船舶避碰路径后，执行步骤s43，直至收敛，输出航程最短的船舶安全避碰路径。

技术总结
本发明提供一种性能受限的船舶避碰路径规划方法。本发明方法，包括：利用船舶助航设备获取本船与目标船的船舶数据；评估船舶安全性，判断本船与目标船是否存在碰撞危险；结合船舶避让行为，利用船舶运动数学模型构建性能受限的船舶避碰路径；应用基于生物迁移启发式算法优化船舶避碰路径；输出航程最短的性能受限的安全船舶避碰路径。本发明方法考虑了船舶操作性和运动特征对船舶转向的影响，以船舶运动数学模型模拟船舶转向运动，构建了性能受限的船舶避碰路径，可以有效规划符合船舶运动特征的避碰路径，为船舶驾驶人员提供辅助决策，减少船舶碰撞事故，提高船舶航行避碰安全性。提高船舶航行避碰安全性。提高船舶航行避碰安全性。


技术研发人员：左毅 李义亮 张香惠 李铁山
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2021/11/8