一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船會遇避碰方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于船舶自動避碰路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船 會遇避碰方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶自動避碰是指船舶在海上航行過程中與其他船形成會遇態(tài)勢，通過碰撞危險 度分析確定需要采取避碰行動，則船員基于已有的《國際海上避碰規(guī)則》，以及船間信息采 集和船內(nèi)信息自主的交換的情況下，通過優(yōu)化策略得到船舶避碰最佳方式，從而生成"經(jīng) 濟"且"安全"的避碰航行路徑。輔助船員快速做出避碰決策，有利于減少海上事故的發(fā)生。
[0003] 其中，多船會遇情況下的避碰決策問題，由于國際海上避碰規(guī)則沒有給出具體 的避碰指導(dǎo)意見，從而給多船避碰問題的決策和評價帶來一定的困難，因此多船會遇的 導(dǎo)航與控制領(lǐng)域仍是一個非常困難解決的問題。近些年來國內(nèi)外的學(xué)者研宄和總結(jié)了 很多多船會遇避碰方法，模擬了基于最優(yōu)控制的靜水面多船避碰控制（梅朝陽、熊勇、蔡 鞾.基于最優(yōu)控制的靜水面多船避碰控制研宄.交通科技.2014. 263 (2): 159-164.)，多 船會遇到情況下智能輔助決策避碰（Lilina、Xiongzhennan、Renqingsheng.Generation andoptimizationofintelligentdecisionsformulti-shipcollisionavoidance. InformationandControl. 2003, 32 (2) : 189-192.)，避碰重點船算法的多船避碰模擬 試驗（薛彥卓，魏伊，孫淼.基于避碰重點船算法的多船避碰模擬.大連海事大學(xué)學(xué) 報.2014. 40(1) :13-16.)，以及多船在緊迫局面下的智能避碰過程（周偉，李麗娜，熊 振南，楊神化.多船緊迫危險局面的智能避碰決策與仿真.集美大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué) 版）.2010. 15 (5) : 347-352.)，建立了多船會遇避碰模型，實現(xiàn)了模擬的多船會遇避碰分析， 但在全面的多船會遇態(tài)勢的分析、多船會遇危險度等級模型的建立，有效多船避碰方法的 實現(xiàn)等方面仍與試驗應(yīng)用有一定的距離。因此應(yīng)該研宄多船會遇船舶避碰智能決策的新思 路，對減輕駕駛員的勞動強度和心理負(fù)擔(dān)，具有現(xiàn)實意義。
[0004] 2002年由K.M.Passino提出的細(xì)菌覓食算法是一種模擬大腸桿菌覓食行為的元 啟發(fā)搜索算法，不僅具有很強的全局的搜索的能力，而且可以高效地解決許多現(xiàn)實世界的 尋優(yōu)問題，2013年馬文耀，楊家軒等基于該算法實現(xiàn)了單船避碰航路優(yōu)化（馬文耀，楊家 軒.基于細(xì)菌覓食算法的避碰航路優(yōu)化研宄.大連海事大學(xué)學(xué)報.2013, 39(2) :21-24.)， 但是算法實現(xiàn)過程中存在收斂速度慢，易陷入局部早熟，和求解精度不高的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船會遇避碰方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] (1)建立船舶仿真試驗所需的仿真界面，并確定用于多船會遇避碰的我船和各目 標(biāo)船參數(shù)；
[0008] (2)會遇態(tài)勢判斷和碰撞危險度分析：
[0009] (2. 1)確定我船和各個目標(biāo)船之間兩兩會遇態(tài)勢情況；
[0010] (2. 2)確定我船和各個目標(biāo)船之間若是相同多船會遇情況，即我船和各個目標(biāo)船 都是對遇，追越、交叉，那么執(zhí)行避碰行動；
[0011] (2. 3)若是不同多船會遇情況，那么根據(jù)來船的方位，分類不同的會遇情況，根據(jù) 危險度分析確定避碰執(zhí)行的順序；
[0012] (2. 4)若在完成一次避碰行動后，由于我船航向的改變要重新確定我船和其他目 標(biāo)船之間的會遇態(tài)勢重復(fù)執(zhí)行步驟（2. 2)、（2. 3)的多船會遇分析；
[0013] (2. 5)將局面看成是一個兩船會遇局面，并依此預(yù)測其它船的可能行動，從而形成 多個兩船會遇局面；
[0014] (2. 6)我船的危險會遇狀況解除后，恢復(fù)到原有的航線，完成復(fù)航，其中我船和各 個目標(biāo)船的碰撞危險度CRI= ，UtT為時間碰撞危險度和UdT為空間碰撞危險度；
[0015] (3)建立多船會遇避碰方法的目標(biāo)函數(shù)：優(yōu)化算法目標(biāo)函數(shù)為：
[0016] J總路徑=min(Ji+JfJi........Jn)，
[0017] min(J1)+min(J2)+min(Ji)........min(Jn)表示完成所有的避碰操作 后我船航行的n條避碰路徑總和是最小值，等價于求解每次執(zhí)行避碰任務(wù)后完成的最短 距離之和，從而基于避碰路徑最短完成我船的避碰航行任務(wù)，其中，ds為避碰后的本船航 行距離，d,為復(fù)航階段的本船航行距離，則min(JD滿足minCL) =min(ds+cQ，如果在 第i次執(zhí)行避碰操作的過程中不涉及復(fù)航，那么最短的避碰路徑應(yīng)該是min{ds};否則為 min{ds+dj，本船的航速為V，避讓轉(zhuǎn)向角度為cs，復(fù)航階段的轉(zhuǎn)向角度q，避讓后航行的時 間為ta，目標(biāo)函數(shù)中ds，4滿足如下的表達過程：ds=ta*v，4=ta*c*sincs/ |sinc」，其 中 0。彡cs<30。，-35。彡cr彡-35。 dCPA1和dCPA2分別是避碰后和恢復(fù)航向時新的最近最遇距離；cU大小根據(jù)空間危險度零邊界 來設(shè)定；避讓后航行的時間為ta至少等于采取避碰行動后新的最近會遇時間；
[0018] (4)基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法確定重點避碰危險船舶：確定理想效果序列：
[0019] X〇n - (X 01, X〇2, X〇j. . . . X〇n),
[0020] 第i個目標(biāo)船的局勢效果序列xin=(Xn，Xi2,Xij. ...xin)，且序列長度相同，
[0021] 計算XmXin的灰色絕對關(guān)聯(lián)度
【主權(quán)項】
I. 一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船會遇避碰方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 建立船舶仿真試驗所需的仿真界面，并確定用于多船會遇避碰的我船和各目標(biāo)船 參數(shù)； (2) 會遇態(tài)勢判斷和碰撞危險度分析： (2. 1)確定我船和各個目標(biāo)船之間兩兩會遇態(tài)勢情況； (2. 2)確定我船和各個目標(biāo)船之間若是相同多船會遇情況，即我船和各個目標(biāo)船都是 對遇，追越、交叉，那么執(zhí)行避碰行動； (2. 3)若是不同多船會遇情況，那么根據(jù)來船的方位，分類不同的會遇情況，根據(jù)危險 度分析確定避碰執(zhí)行的順序； (2. 4)若在完成一次避碰行動后，由于我船航向的改變要重新確定我船和其他目標(biāo)船 之間的會遇態(tài)勢重復(fù)執(zhí)行步驟（2. 2)、（2. 3)的多船會遇分析； (2. 5)將局面看成是一個兩船會遇局面，并依此預(yù)測其它船的可能行動，從而形成多個 兩船會遇局面； (2. 6)我船的危險會遇狀況解除后，恢復(fù)到原有的航線，完成復(fù)航，其中我船和各個目 標(biāo)船的碰撞危險度CRI=心UtT為時間碰撞危險度和UdT為空間碰撞危險度； (3) 建立多船會遇避碰方法的目標(biāo)函數(shù)：優(yōu)化算法目標(biāo)函數(shù)為： J總路徑=minGi+^+Ji........Jn), J,&se=min(Jj) +min(J2) +min(Ji)........min(Jn)表示完成所有的避碰操作后我 船航行的n條避碰路徑總和是最小值，等價于求解每次執(zhí)行避碰任務(wù)后完成的最短距 離之和，從而基于避碰路徑最短完成我船的避碰航行任務(wù)，其中，ds為避碰后的本船航 行距離，d,為復(fù)航階段的本船航行距離，則min(JD滿足minCL) =min(ds+cQ，如果在 第i次執(zhí)行避碰操作的過程中不涉及復(fù)航，那么最短的避碰路徑應(yīng)該是min{ds};否則為 min{ds+dj，本船的航速為V，避讓轉(zhuǎn)向角度為cs，復(fù)航階段的轉(zhuǎn)向角度q，避讓后航行的時 間為ta，目標(biāo)函數(shù)中ds，4滿足如下的表達過程：ds=ta*v，4=ta*c*sincs/|sine」，其中 0。<cs<30。，_35。<cr<_35。，1:_<1:￡1<4〇111；[11，（1_^:(1(；，（1體^:(1(；，其中，（1腕 和dCPA2分別是避碰后和恢復(fù)航向時新的最近最遇距離；cU大小根據(jù)空間危險度零邊界來設(shè) 定；避讓后航行的時間為ta至少等于采取避碰行動后新的最近會遇時間； (4) 基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法確定重點避碰危險船舶：確定理想效果序列： X〇n-(X01,Xg2,Xgj. . . .Xgn), 第i個目標(biāo)船的局勢效果序列Xin=(Xn，Xi2,Xw. . .Xin)，且序列長度相同， 計算Xmxin的灰色絕對關(guān)聯(lián)度e&
，sjPSi為計算相關(guān)性的時 序算子，
確定目標(biāo)船中重點避碰船舶的編號； (5) 調(diào)用改進細(xì)菌覓食算法優(yōu)化多船會遇避碰路徑： (5. 1)完成參數(shù)、數(shù)組、位置的初始化以及初始步長的設(shè)置； (5.2)初始化細(xì)菌在二維空間中的位置，計算初始的目標(biāo)函數(shù)J[l][k][j][i]=livefun，其中，l、k、j、i為迀移次數(shù)、復(fù)制次數(shù)、趨向次數(shù)、細(xì)菌個數(shù)，設(shè)置當(dāng)前最好的目標(biāo) 函數(shù)Jlast=J; (5. 3)在二維空間中翻轉(zhuǎn)Delta= 2* ((double)rand()) /RAND_MAX-1. 0,產(chǎn)生隨機的方 向cov+ =pow(Delta，2. 0); (5.4)在規(guī)定最大步長范圍內(nèi)，按照新的方向游動產(chǎn)生新的位置函數(shù)=P+C*Delta/sqrt(cov)，P復(fù)航角度=P+C*Delta/sqrt(cov)和目標(biāo)函數(shù)J[l][k][j][i]= livefun()； (5. 5)尋找此次趨化循環(huán)后目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)粒子解，尋找全局最優(yōu)解Pgbest和單個最優(yōu)解Plbe3t對應(yīng)的粒子位置Jbest=J，根據(jù)粒子群算法更新下一次每一個細(xì)菌的翻動方向V= w^V+C^R^Pit-PHC^RyPgbd-P)，從而確定下次趨向新的方向P=P+V以及確定的位 置； (5.6)復(fù)制操作：通過把每個細(xì)菌所有趨向路徑的目標(biāo)函數(shù)值擬合成曲線的形式，求 解其均值和方差，從整體上分析該細(xì)菌的質(zhì)量并結(jié)合最后一次趨向后的目標(biāo)函數(shù)值聯(lián)合按 照按大小，排序Quicksort(Jhealth,S)，S為細(xì)菌的個數(shù)，判斷用于復(fù)制操作的前50%的細(xì) 菌； (5. 7)按照迀徙概率對所有復(fù)制后的細(xì)菌執(zhí)行迀移操作，獲二維空間中的隨機的新位 置， P(避碰）=60+30*(2.0*((double)rand〇)/RAND_MAX_l， P(復(fù)航）=-45+15* (2. 0* ((double)rand()) /RAND_MAX-1， 執(zhí)行下一次循環(huán)，直到滿足迭代次數(shù)和求解精度為止； (6)完成此次避碰航行，復(fù)航，恢復(fù)原有航向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船會遇避碰方法，其特征在于：所述 步驟⑶中計算ta過程為： (1) 如果dCPA1<dG,那么ta= 40min; (2) 在dCPA1>de的條件下，若滿足tCPA1> 0,那么tCPA1=ta為起始，以某時間搜索步進 值增加，直到滿足dePA2彡d<；，確定ta; (3) 在dCPA1>de的條件下，若滿足tCPA1< 0,那么初始數(shù)值ta= 0? 05*60,且在沒能滿 足dCPA2>de，^以某一時間搜索步進值增加。
【專利摘要】本發(fā)明屬于船舶自動避碰路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種細(xì)菌覓食優(yōu)化的多船會遇避碰方法。本發(fā)明包括：建立船舶仿真試驗所需的仿真界面，并確定用于多船會遇避碰的我船和各目標(biāo)船參數(shù)；會遇態(tài)勢判斷和碰撞危險度分析；建立多船會遇避碰方法的目標(biāo)函數(shù)：優(yōu)化算法目標(biāo)函數(shù)為；基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法確定重點避碰危險船舶：確定理想效果序列；調(diào)用改進細(xì)菌覓食算法優(yōu)化多船會遇避碰路徑；完成此次避碰航行，復(fù)航，恢復(fù)原有航向。本發(fā)明基于其均值和方差從整體上分析該細(xì)菌的質(zhì)量并結(jié)合最后一次趨向后的目標(biāo)函數(shù)值聯(lián)合判斷用于復(fù)制操作的細(xì)菌，從而改進了算法的收斂速度和搜索精度，提高了多船會遇避碰策略生成的效率。
【IPC分類】G06N3-00, G06Q50-30, G06Q10-04
【公開號】CN104809529
【申請?zhí)枴緾N201510242549
【發(fā)明人】劉洪丹, 劉勝, 張?zhí)m勇, 賈云露, 王宇超, 李冰, 傅薈璇
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月13日