多規(guī)則約束條件下的船舶實時避碰算法研究

張 哲

(武漢交通職業(yè)學院 船舶與航運學院, 湖北 武漢 430065)

0 引 言

船舶避碰策略決定了船舶航行的安全性，傳統(tǒng)的船舶避碰決策往往依賴于船舶工作人員的經驗知識，受人為因素干擾較大，缺乏規(guī)則化和流程化的避碰決策體系。隨著船舶數(shù)量和噸位的增加，海上航行交通環(huán)境越來越多變，船舶的操縱難度越來越大，僅僅依靠工作人員的經驗已經無法滿足復雜交通情況下的船舶避碰，因此需要進行船舶避碰決策的規(guī)范化、功能化。

本文的研究重心是船舶在多種規(guī)則約束下的實時避碰算法，通過系統(tǒng)分析船舶航行過程的避碰需求，建立船舶航行與會遇過程的數(shù)學模型，結合電子海圖等現(xiàn)代化船舶導航工具[1]，確定了多規(guī)則約束下的船舶避碰策略，取得了良好效果。

1 多規(guī)則約束下的船舶實時避碰系統(tǒng)的整體設計

本文結合船舶導航與控制硬件設備，從船舶實時避碰的需求出發(fā)，建立一種多規(guī)則約束條件下的船舶實時避碰系統(tǒng)。

該系統(tǒng)按照功能模塊可以分為控制層、決策層和執(zhí)行層3 個部分，實時避碰控制系統(tǒng)的用戶利用局域網向3 個層次結構的硬件單元發(fā)送指令信息，圖1 為船舶實時避碰控制系統(tǒng)的功能框架。

圖1 船舶實時避碰控制系統(tǒng)的功能框架Fig. 1 Functional framework of ship real-time collision avoidance control system

1）決策層

本文開發(fā)的船舶實時避碰系統(tǒng)決策層包括任務描述、自主規(guī)劃、SLAM 等功能模塊，決策層接收來自用戶的指令，是船舶避碰控制的核心[2]。

① 任務描述：將來自用戶或機艙的指令進行參數(shù)配置的轉化，并建立任務模型，是船舶避碰控制策略制定的前提。

② 自主規(guī)劃：該模塊基于船舶的避碰控制算法，通過分析任務模型和船舶狀態(tài)數(shù)據、航行環(huán)境參數(shù)，對船舶的航向進行自主的規(guī)劃。

③ SLAM 模塊：該模塊基于船舶自身配置的傳感器單元，在控制系統(tǒng)中搭建避碰障礙物的分布模型，并分析本船與障礙物之間的相對分布位置。

2）控制層

控制層是實現(xiàn)船舶避碰的關鍵，主要由避碰系統(tǒng)的控制主機和I/O 等設備組成，可以實現(xiàn)的功能包括：

① 運動控制?？刂茖影l(fā)出的控制指令由執(zhí)行層接收，這些控制指令包括船舶的航行速度調節(jié)、航向改變等，從而控制船舶的運動[3]。

② 數(shù)據分析。控制層的主機具有較高的數(shù)據處理能力，結合高性能主機芯片，可以對船舶傳感器采集的數(shù)據進行分析、融合處理，并通過數(shù)據總線將分析后的數(shù)據傳遞給系統(tǒng)的其他單元。

③ 設備驅動?？刂茖拥脑O備驅動功能包括各類I/O 端口設備、USB 設備、總線設備等，保障系統(tǒng)數(shù)據傳輸?shù)耐〞场?/p>

3）執(zhí)行層

船舶實時避碰系統(tǒng)的執(zhí)行層主要包括推進控制器和探測器2 個部分。

① 推進控制器。推進單元將來自控制層的船舶航行速度指令轉化為電機的轉速信號，將控制層的航行方向信號轉化為舵角的控制信號，從而實現(xiàn)船舶的運動控制。

② 探測器。包括船舶的各類速度、加速度、位置傳感器等，協(xié)助船舶避碰控制系統(tǒng)進行各類實時參數(shù)的采集。

2 多規(guī)則約束條件下的船舶實時避碰系統(tǒng)開發(fā)

2.1 船舶實時避碰的數(shù)學建模

影響船舶碰撞事故發(fā)生的因素很多，通?？梢苑譃殪o態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)2 種。其中，靜態(tài)參數(shù)主要是指船舶的長、寬、海上風浪條件等；動態(tài)參數(shù)主要是指船舶動態(tài)的航行速度、方向、會遇角度等隨時間改變的參數(shù)。

在船舶實時避碰控制過程分析時，將避碰過程分解為以下環(huán)節(jié)：

1）會遇階段。船舶以一定的會遇角度在區(qū)域內相遇，這個階段避碰控制系統(tǒng)的主要工作是采集會遇過程的動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)；

2）避碰決策階段。通過分析兩船會遇的角度、安全距離、動態(tài)參數(shù)，對兩船的避撞風險進行評估，并發(fā)送避碰控制指令。

3）執(zhí)行階段。船舶動力系統(tǒng)接收決策指令，進行避碰運動。

建立船舶避碰過程的數(shù)學模型如圖2 所示。

圖2 船舶避碰過程的數(shù)學模型Fig. 2 Mathematical model of ship collision avoidance process

船舶避碰過程的參數(shù)建模如下：

1）速度模型

包括本船和會遇船舶的速度模型，分別為：

會遇目標的速度模型為：

式中：Vox、Voy為 本船在2 個坐標軸方向的速度分量，Co為當前船舶航行方位角，VTX、VTY為會遇目標在2 個坐標軸方向的分量，CT為目標船舶航行方位角。

2）相對速度模型

根據方向矢量的計算公式，建立會遇過程的相對速度的大小為：

方向為：

3）距離模型

4）會遇角度

式中，α1、α2分別為本船和目標船舶的舵角。

5）安全距離和會遇時間

2.2 船舶避碰系統(tǒng)的多規(guī)則約束條件

海上船舶的實時避碰過程并不是簡單的會遇問題，在進行船舶避碰控制時還需要綜合考慮多種因素，這些因素就是避碰控制系統(tǒng)的多規(guī)則約束條件。

1）航向保持性指標

航向保持性是指船舶避碰控制系統(tǒng)操縱船舶在一定航向上的直線行駛能力，可用航向偏差角度表示：

θt為t時刻的航向角， θ為設定的航向角。

2）航向偏差平滑度

航向偏差平滑度是指一段時間內的航向偏差之和，偏差越大，變化的幅度越大，對應的平滑度指標越大，用下式計算：

3）路徑點偏離度

指船舶航跡偏離某路徑點(拐點)的程度，當船舶經過某路徑點(拐點)時[4]，一般不會直接經過該路徑點，而是以該路徑點為中心，航跡沿某一半徑展開，此時，路徑點的偏離度就可以用該最小半徑表示，如圖3 所示。

船舶單路徑點偏離度表示為：

當路徑點為n個時，多路徑偏離點的計算公式為：

2.3 基于電子海圖的多規(guī)則船舶避碰路徑建模技術

針對多規(guī)則下的船舶實時避碰控制策略，本節(jié)基于電子海圖矢量數(shù)據，進行船舶避碰路徑規(guī)劃的建模與測試[5]。

首先基于船舶與目標碰撞數(shù)學模型，建立基本的船舶避碰操作規(guī)則圖如圖4 所示。

圖4 基本的船舶避碰操作規(guī)則圖Fig. 4 Basic operational rules for ship collision avoidance

可知，將船舶周圍海域按照避碰規(guī)則劃分為如下區(qū)域：

1）F、A 區(qū)域：該區(qū)域的目標障礙物存在時，本船需要采用向右避碰的措施，避開該區(qū)域的船舶或障礙物。

2）B 區(qū)域：該區(qū)域障礙物存在時，不影響本船的航行狀態(tài)。

3）C、D 區(qū)域：該區(qū)域的目標需要分析其航行速度，如果速度大于本船，需要調整本船航行速度；如果低于本船，則無碰撞風險。

4）E 區(qū)域：該區(qū)域障礙物同樣不存在碰撞事故的風險。

在電子海圖中設定船舶避碰控制區(qū)域為：

建立二維矢量圖并通過經度坐標[a,b]和緯度坐標[c,d]將該區(qū)域進行劃分，對應的船舶和目標障礙物可用(xi,yi)表示，對應的坐標為：

然后對二維圖形的節(jié)點ai j(xi,yi)進行插值，得到節(jié)點集合為 [T]，在集合 [T]中選取3 個障礙物a、b、c 的坐標為A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)，坐標存在關系為：

最后，基于前文所述的避碰策略和路徑偏離度?θ、航向平滑度等多種約束條件，進行船舶的避碰路徑規(guī)劃[6]。

圖5 為電子海圖中船舶多規(guī)則約束下的避碰路徑規(guī)劃示意圖?？芍?，在電子海圖中存在障礙物，結合船舶實時避碰算法，在電子海圖規(guī)劃的路徑如圖中軌跡線，具有較好的避碰效果。

圖5 電子海圖中船舶多規(guī)則約束下的避碰路徑規(guī)劃示意圖Fig. 5 Schematic diagram of collision avoidance path planning under multiple rules of ship in electronic chart

3 結 語

海上船舶的避碰控制對于船舶航行安全性有重要意義，本文結合船舶避碰過程的數(shù)學模型，開發(fā)一種船舶實時避碰系統(tǒng)，并針對系統(tǒng)的避碰策略，在電子海圖中進行避碰路徑規(guī)劃仿真。