CN106571067A - 基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法，包括如下步骤：首先通过海上交通控制中心获得其在每一采样时刻推测的各船舶在未来时段内的船舶轨迹；然后在每一采样时刻，基于船舶当前的运行状态和历史位置观察序列，获取海域风场变量的数值；然后在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足的安全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为控制中心提供及时的告警信息；最后当告警信息出现时，在满足船舶物理性能和海域交通规则的前提下，通过设定优化指标函数以及融入风场变量数值，采用自适应控制理论方法对船舶避撞轨迹进行滚动规划，并将规划结果传输给各船舶执行。

Description

基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法

本申请是申请号为：201410844662.7，发明创造名称为《船舶冲突解脱的规划方 法》，申请日为：2014年12月30日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种海域交通管制方法，尤其涉及一种基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法。

背景技术

随着全球航运业的快速发展，部分繁忙海域内的交通愈加拥挤。在船舶交通流密集复杂海域，针对船舶间的冲突情形仍然采用航行计划结合人工间隔调配的管制方式已不能适应航运业的快速发展。为保证船舶间的安全间隔，实施有效的冲突调配就成为海域交通管制工作的重点。船舶冲突解脱是航海领域中的一项关键技术，安全高效的解脱方案对于增加海域船舶流量以及确保海运安全具有重大意义。

为了提高船舶的航行效率，船用雷达自动标绘仪目前已经被广泛应用到船舶监控和避碰中，该设备通过提取船舶相关信息为船舶间冲突情形的判定提供参考依据。尽管此类设备极大降低了人工监控的负荷，但它并不具备船舶自动冲突解脱功能。针对船舶冲突解脱问题，目前的处理方式主要包括几何式确定性算法和启发式智能算法两大类方案，相关文献研究主要集中在无约束条件下两船舶间的冲突避让规划算法并且多以“离线形式”为存在冲突的船舶规划解脱轨迹，由此造成各个船舶解脱轨迹的动态适应性和鲁棒性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种鲁棒性较好的基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法，该方法可有效防止船舶运行冲突。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法，包括如下几个步骤：

①通过海上交通控制中心获得其在每一采样时刻推测的各船舶在未来时段内的船舶轨迹；

②在每一采样时刻，基于船舶当前的运行状态和历史位置观察序列，获取海域风场变量的数值；

③在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足的安全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息；

④当告警信息出现时，在满足船舶物理性能和海域交通规则的前提下，通过设定优化指标函数以及融入风场变量数值，采用模型预测控制理论方法对船舶避撞轨迹进行滚动规划，并将规划结果传输给各船舶执行，其具体过程如下：

4.1)设定船舶避撞轨迹规划的终止参考点位置P、避撞策略控制时域Θ、轨迹预测时域W；

4.2)设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个船舶赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个船舶的避撞轨迹和避撞控制策略并将规划结果传输给各船舶执行，且各船舶在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略；

4.3)在下一采样时刻，重复步骤4.2直至各船舶均到达其解脱终点。

进一步的，所述步骤②获取海域风场变量的数值的具体过程如下：

2.1)设定船舶的停靠位置为轨迹参考坐标原点并在水平面上建立横坐标轴和纵坐标轴；

2.2)在船舶处于直线运行状态和匀速转弯运行状态时，构建海域风场线性滤波模型x₁(t+Δt)＝F(t)x₁(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x₁(t)+v(t)获取风场变量数值，其中Δt表示采样间隔，x₁(t)表示t时刻的状态向量，z(t)表示t时刻的观测向量，且x₁(t)＝[x(t),y(t),v_x(t),v_y(t),w_x(t),w_y(t)]^T，其中x(t)和y(t)分别表示t时刻船舶位置在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，v_x(t)和v_y(t)分别表示t时刻船舶速度在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，w_x(t)和w_y(t)分别表示t时刻风场数值在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，F(t)和H(t)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，w(t)和v(t)分别表示系统噪声向量和测量噪声向量：

在船舶处于变速转弯运行状态时，构建海域风场非线性滤波模型x₁(t+Δt)＝Ψ(t,x₁(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x₁(t))+v(t)和u(t)＝[ω_a(t),γ_a(t)]^T，其中Ψ(·)和Ω(·)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，ω_a(t)和γ_a(t)分别表示转弯率和加速率：

其中：Δt表示采样时间间隔，

2.3)根据所构建的滤波模型获取风场变量的数值。

进一步的，所述步骤③中对各船舶的动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息的具体过程如下：

3.1)构造船舶在海域内运行时需满足的安全规则集D_mr(t)≥D_min，其中D_mr(t)表示任意两个船舶m和船舶r在t时刻的距离，D_min表示船舶间的最小安全距离；

3.2)依据采样时间，建立由船舶连续运行状态至离散采样状态的观测器Λ:Γ→Ξ，其中Γ表示船舶的连续运行状态，Ξ表示船舶的离散采样状态；

3.3)当船舶m和r的观测器Λ_m和Λ_r的离散观测数值Ξ_m和Ξ_r在t时刻表明该向量不在安全规则集中时，即关系式D_mr(t)≥D_min不成立时，立刻向海上交通控制中心发出告警信息。

进一步的，步骤④中，步骤4.2)的具体过程是：令

其中表示t时刻船舶R当前所在位置和下一航道点间的距离的平方，P_R(t)＝(x_Rt,y_Rt)，那么t时刻船舶R的优先级指数可设定为：

其中z_t表示t时刻海域内存在冲突的船舶数目，由优先级指数的含义可知，船舶距离其下一航道点越近，其优先级越高；

设定优化指标

，其中R∈I(t)表示船舶代码且I(t)＝{1,2,...,Z_t}，P_R(t+hΔt)表示船舶在时刻(t+hΔt)的位置向量，表示船舶R的解脱终止点，u_R表示待优化的船舶R的最优控制序列，Q_Rt为正定对角矩阵，其对角元素为船舶R在t时刻的优先级指数L_Rt，并且

进一步的，所述步骤④中终止参考点位置P设定为船舶运行的下一个航道点，避撞策略控制时域Θ为300秒；轨迹预测时域W为300秒。

本发明具有积极的效果：(1)本发明在船舶冲突解脱过程中，采用了在每一采样时刻实时滚动解脱轨迹规划，时效性、适应性以及解脱的有效性均非常好。

(2)本发明在船舶冲突解脱过程中，融入了海域内风场的影响，所采用的滚动解脱轨迹规划方案能够根据海域内风场的变化及时调整解脱轨迹，提高了船舶冲突解脱的鲁棒性。

(3)本发明基于不同性能指标，可以为存在冲突的多个船舶提供解脱轨迹规划方案，提高船舶运行的经济性和海域资源的利用率。

附图说明

图1为本发明中的风场滤波方法流程示意图；

图2为本发明中的船舶运行态势监控流程示意图；

图3为本发明中的船舶避撞轨迹优化方法流程示意图。

具体实施方式

(实施例1)

本实施例的基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法包括如下几个步骤：

①通过海上交通控制中心获得其在每一采样时刻推测的各船舶在未来时段内的船舶轨迹；海上交通控制中心通过海面雷达监测获得船舶的实时和历史位置信息，海上交通控制中心依据船舶的实时和历史位置信息推测未来时段内船舶的轨迹。

②在每一采样时刻，基于船舶当前的运行状态和历史位置观察序列，获取海域风场变量的数值，见图1，其具体过程如下：

2.1)设定船舶的停靠位置为轨迹参考坐标原点并在水平面上建立横坐标轴和纵坐标轴；

2.2)在船舶处于直线运行状态和匀速转弯运行状态时，构建海域风场线性滤波模型x₁(t+Δt)＝F(t)x₁(t)+w(t)和z(t)＝H(t)x₁(t)+v(t)获取风场变量数值，其中Δt表示采样间隔，x₁(t)表示t时刻的状态向量，z(t)表示t时刻的观测向量，且x₁(t)＝[x(t),y(t),v_x(t),v_y(t),w_x(t),w_y(t)]^T，其中x(t)和y(t)分别表示t时刻船舶位置在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，v_x(t)和v_y(t)分别表示t时刻船舶速度在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，w_x(t)和w_y(t)分别表示t时刻风场数值在横坐标轴和纵坐标轴上的分量，F(t)和H(t)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，w(t)和v(t)分别表示系统噪声向量和测量噪声向量：

在船舶处于变速转弯运行状态时，构建海域风场非线性滤波模型x₁(t+Δt)＝Ψ(t,x₁(t),u(t))+w(t)、z(t)＝Ω(t,x₁(t))+v(t)和u(t)＝[ω_a(t),γ_a(t)]^T，其中Ψ(·)和Ω(·)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵，ω_a(t)和γ_a(t)分别表示转弯率和加速率：

其中：Δt表示采样时间间隔，

2.3)根据所构建的滤波模型获取风场变量的数值。

③在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足的安全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息，见图2，其具体过程如下：

3.1)构造船舶在海域内运行时需满足的安全规则集D_mr(t)≥D_min，其中D_mr(t)表示任意两个船舶m和船舶r在t时刻的距离，D_min表示船舶间的最小安全距离；

3.2)依据采样时间，建立由船舶连续运行状态至离散采样状态的观测器Λ:Γ→Ξ，其中Γ表示船舶的连续运行状态，Ξ表示船舶的离散采样状态；

3.3)当船舶m和r的观测器Λ_m和Λ_r的离散观测数值Ξ_m和Ξ_r在t时刻表明该向量不在安全规则集中时，即关系式D_mr(t)≥D_min不成立时，立刻向海上交通控制中心发出告警信息。

④当告警信息出现时，在满足船舶物理性能和海域交通规则的前提下，通过设定优化指标函数以及融入风场变量数值，采用自适应控制理论方法对船舶避撞轨迹进行滚动规划，并将规划结果传输给各船舶执行，见图3，其具体过程如下：

4.1)设定船舶避撞轨迹规划的终止参考点位置P、避撞策略控制时域Θ、轨迹预测时域W；

4.2)设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个船舶赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个船舶的避撞轨迹和避撞控制策略并将规划结果传输给各船舶执行，且各船舶在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略：令

其中表示t时刻船舶R当前所在位置和下一航道点间的距离的平方，P_R(t)＝(x_Rt,y_Rt)，那么t时刻船舶R的优先级指数可设定为：

其中z_t表示t时刻海域内存在冲突的船舶数目，由优先级指数的含义可知，船舶距离其下一航道点越近，其优先级越高；

设定优化指标

，其中R∈I(t)表示船舶代码且I(t)＝{1,2,...,Z_t}，P_R(t+hΔt)表示船舶在时刻(t+hΔt)的位置向量，表示船舶R的解脱终止点，u_R表示待优化的船舶R的最优控制序列，Q_Rt为正定对角矩阵，其对角元素为船舶R在t时刻的优先级指数L_Rt，并且

4.3)在下一采样时刻，重复步骤4.2直至各船舶均到达其解脱终点。

上述终止参考点位置P设定为船舶运行的下一个航道点，避撞策略控制时域Θ为300秒；轨迹预测时域W为300秒。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于滚动规划策略的船舶冲突解脱的规划方法，其特征在于包括如下几个步骤：

①通过海上交通控制中心获得其在每一采样时刻推测的各船舶在未来时段内的船舶轨迹；

②在每一采样时刻，基于船舶当前的运行状态和历史位置观察序列，获取海域风场变量的数值；

③在每一采样时刻，基于各船舶的运行状态和设定的船舶在海域内运行时需满足的安全规则集，当船舶间有可能出现违反安全规则的状况时，对其动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息；

④当告警信息出现时，在满足船舶物理性能和海域交通规则的前提下，通过设定优化指标函数以及融入风场变量数值，采用模型预测控制理论方法对船舶避撞轨迹进行滚动规划，并将规划结果传输给各船舶执行，其具体过程如下：

4.1)设定船舶避撞轨迹规划的终止参考点位置P、避撞策略控制时域Θ、轨迹预测时域W；

4.2)设定在给定优化指标函数的前提下，基于合作式避撞轨迹规划思想，通过给各个船舶赋予不同的权重以及融入实时风场变量滤波数值，得到各个船舶的避撞轨迹和避撞控制策略并将规划结果传输给各船舶执行，且各船舶在滚动规划间隔内仅实施其第一个优化控制策略；

4.3)在下一采样时刻，重复步骤4.2)直至各船舶均到达其解脱终点；

所述步骤③中对各船舶的动态行为实施监控并为海上交通控制中心提供及时的告警信息的具体过程如下：

3.1)构造船舶在海域内运行时需满足的安全规则集D_mr(t)≥D_min，其中D_mr(t)表示任意两个船舶m和船舶r在t时刻的距离，D_min表示船舶间的最小安全距离；

3.2)依据采样时间，建立由船舶连续运行状态至离散采样状态的观测器Λ:Γ→Ξ，其中Γ表示船舶的连续运行状态，Ξ表示船舶的离散采样状态；

3.3)当船舶m和r的观测器Λ_m和Λ_r的离散观测数值Ξ_m和Ξ_r在t时刻表明该向量不在安全规则集中时，即关系式D_mr(t)≥D_min不成立时，立刻向海上交通控制中心发出告警信息。