成山角水域動(dòng)態(tài)自適應(yīng)自主航行決策方法

賀益雄，于德清，劉霄，王豐，牟軍敏

（1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

為減少船舶碰撞事故，在復(fù)雜水域設(shè)置分道通航制實(shí)現(xiàn)單向通行。成山角分道通航制是國(guó)內(nèi)最早在國(guó)際海事組織備案的，具有較好典型性，但該水域仍發(fā)生過(guò)多起人為因素造成的船舶碰撞事故。智能船舶近年來(lái)發(fā)展迅速，自主航行［1-2］是其核心模塊，能根據(jù)海上環(huán)境進(jìn)行避碰和跟蹤航線，減少人為因素導(dǎo)致的事故，保障航行安全。實(shí)現(xiàn)自主航行需要識(shí)別航行風(fēng)險(xiǎn)，按照《1972 年國(guó)際海上避碰規(guī)則》（簡(jiǎn)稱“避碰規(guī)則”）和良好船藝要求，符合船舶操縱性地進(jìn)行決策。

文獻(xiàn)［3-4］利用模糊理論研究碰撞危險(xiǎn)度。文獻(xiàn)［5-6］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究碰撞危險(xiǎn)度。文獻(xiàn)［7］提出了以時(shí)間和空間碰撞危險(xiǎn)度合成的碰撞危險(xiǎn)度模型。碰撞危險(xiǎn)判斷后，需要合理做出避碰決策。文獻(xiàn)［8-9］應(yīng)用勢(shì)場(chǎng)理論來(lái)解決船舶避碰問(wèn)題，但不能很好地結(jié)合避碰規(guī)則和良好船藝的要求。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法也用來(lái)解決船舶避碰問(wèn)題，但耗時(shí)多［10-11］。文獻(xiàn)［12-13］結(jié)合速度障礙理論解決船舶避碰問(wèn)題，生成不同情形下的操縱方案，但僅適用于開(kāi)闊水域。文獻(xiàn)［14］總結(jié)了船舶速度矢量與安全避讓間的規(guī)律，對(duì)避碰方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［15］通過(guò)局面、階段劃分，研究了各階段自動(dòng)避碰行動(dòng)，提出了開(kāi)闊水域符合避碰規(guī)則和良好船藝要求的自主航行模型。

現(xiàn)有自主航行研究集中于開(kāi)闊水域，較少考慮成山角等特殊水域。尚未針對(duì)分道通航制水域建立適用的數(shù)字化交通環(huán)境模型，融入避碰規(guī)則第10條和良好船藝要求探究避碰機(jī)理。因此亟待深入研究該類水域自主航行方法。

通過(guò)構(gòu)建動(dòng)靜態(tài)數(shù)字環(huán)境，結(jié)合比例積分微分（proportion integration differentiation,PID）和數(shù)學(xué)矩陣方程組（mathematical modeling group,MMG）建立船舶運(yùn)動(dòng)控制模型推演船舶的非線性操縱運(yùn)動(dòng)，結(jié)合航線跟蹤方法構(gòu)建自動(dòng)航行模型。引入船舶領(lǐng)域和基于船舶行為的船位推算方法，量化解析避碰規(guī)則，將目標(biāo)船分類，確定不同局面下的避讓要求。研究自動(dòng)航行模型和避讓要求約束條件下的動(dòng)態(tài)避碰機(jī)理，設(shè)計(jì)時(shí)序滾動(dòng)決策框架，提出自適應(yīng)目標(biāo)船機(jī)動(dòng)和剩余誤差的自主航行決策方法。

1 基于時(shí)序滾動(dòng)的自主航行方法框架

和開(kāi)闊水域類似［16］，分道通航制水域的自主航行系統(tǒng)誤差來(lái)源于：本船運(yùn)動(dòng)模型，控制參數(shù)誤差和態(tài)勢(shì)感知誤差（含風(fēng)浪流、目標(biāo)和本船態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)誤差）?？梢揽刻岣邆鞲衅骶龋x用合適船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型提高適應(yīng)性，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和收斂性準(zhǔn)則優(yōu)化控制器參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。但誤差仍無(wú)法完全消除，未消除的定義為剩余誤差。此外，成山角分道通航制水域目標(biāo)船數(shù)量和種類多，和本船的會(huì)遇態(tài)勢(shì)多變，可能發(fā)生不協(xié)調(diào)避碰且極難預(yù)測(cè)。為自適應(yīng)目標(biāo)船不可預(yù)測(cè)的機(jī)動(dòng)操縱、自校正剩余誤差，可設(shè)計(jì)信息時(shí)序滾動(dòng)輸入、快速更新的自適應(yīng)反饋校正計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)自主航行方案決策，如圖1所示。其步驟如下：

圖1 自主航行實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Diagram of autonomous navigation

1）構(gòu)建動(dòng)、靜態(tài)數(shù)字化交通環(huán)境；

2）輸入本船、目標(biāo)船信息；

3）通過(guò)基于船舶行為的船位推算方法判斷是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。存在則基于限制條件下的避碰機(jī)理確定避碰方案。不存在則根據(jù)本船和計(jì)劃航線相對(duì)位置判斷是否需要跟蹤航線。需要?jiǎng)t根據(jù)航線跟蹤方法計(jì)算改向角并確定跟蹤航線是否安全，否則保持當(dāng)前航向；

4）執(zhí)行操縱方案；

5）更新信息重復(fù)步驟2）、3）和4）。

可暫時(shí)不考慮距離太遠(yuǎn)、離進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域時(shí)間長(zhǎng)的目標(biāo)船，當(dāng)目標(biāo)距離小于閾值Dd時(shí)才進(jìn)行船位推算。Dd可由船長(zhǎng)確定，暫取10 n mile。

2 數(shù)字化交通環(huán)境

2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與船舶領(lǐng)域模型

以(λ0,φ0)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系XOY，X、Y軸正向指向正東、北。以本船重心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系xoy，x、y軸正向指向右正橫、船艏，如圖2。2個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與船舶領(lǐng)域Fig.2 Coordinate system transformation and ship domain model

式中：(X,Y)、(x,y)為某點(diǎn)XOY、xoy坐標(biāo)；(X0,Y0)為本船重心XOY坐標(biāo)；A為轉(zhuǎn)換矩陣；

式中TC為本船航向。

船舶領(lǐng)域是船舶周圍存在的禁止他船進(jìn)入的區(qū)域［17］。根據(jù)避碰規(guī)則、良好船藝以及分道通航制的特殊要求，采用如圖2 的偏心船舶領(lǐng)域模型。模型中的各種參數(shù)大小可由船長(zhǎng)根據(jù)航行環(huán)境和船舶特性選定。研究中，根據(jù)幾位船長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)和多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取a=2L，b=5L，c=0.3，L為船長(zhǎng)。

圖2 中，TB和Q為本船看向目標(biāo)船的真方向和舷角；TC1為目標(biāo)船的航向，TB1和Q1為目標(biāo)船看向本船的真方位和舷角。

2.2 分道通航制水域數(shù)字化

2.2.1 分道通航制水域數(shù)字化通用模型

分道通航制是應(yīng)用最廣泛的船舶定線措施之一，用分隔帶/線、明顯的地理物標(biāo)等將航道分隔成左右2 個(gè)通航分道，實(shí)行單向通航。根據(jù)自主航行感知水域交通環(huán)境的需求，將分道通航制水域要素分為：通航分道、計(jì)劃航線、隔離帶、警戒區(qū)、避航區(qū)、沿岸通航帶等。

某分道通航制水域共包含M個(gè)分道通航制，每個(gè)分道通航制包含N個(gè)通航分道和D條邊界線，每條邊界線含有E個(gè)點(diǎn)。構(gòu)成通航分道的2 條邊界線的點(diǎn)數(shù)量相等，若不相等，則增加構(gòu)成點(diǎn)使其相等。分道通航制、通航分道、邊界線、邊界線包含的點(diǎn)、通航分道劃分的航段按由東向西、由北向南依次編號(hào)。

第m個(gè)分道通航制的d條邊可由向量Lmd表示為：

式中Fmde為第m個(gè)分道通航制的第d條邊上的第e個(gè)點(diǎn)。

第m個(gè)分道通航制的n個(gè)通航分道可由Tmn表示為：

式中n與d的對(duì)應(yīng)關(guān)系為d=2n-1。

連接通航分道2 條邊界線上點(diǎn)連線的中點(diǎn)，構(gòu)成計(jì)劃航線。Lmn為第m個(gè)分道通航制的第n個(gè)通航分道上的計(jì)劃航線：

式中Pmne為第m個(gè)分道通航制的第n個(gè)通航分道的2條邊界線上第e對(duì)點(diǎn)連線的中點(diǎn)。

根據(jù)通航分道中船舶位置和流向的不同，將某個(gè)通航分道劃分為I個(gè)航段，Gmni為第m個(gè)分道通航的第n個(gè)通航分道上的第i個(gè)航段：

第m個(gè)分道通航制可表示為Km：

警戒區(qū)、隔離帶、避航區(qū)和沿岸通航帶等特殊區(qū)域可數(shù)字化為：

式中：R0為規(guī)則圓形；(x,y)、r為區(qū)域圓心、半徑；θ為參數(shù)；Qt為其他形狀；P為組成該區(qū)域的點(diǎn)，j為點(diǎn)的數(shù)量。若區(qū)域?yàn)橐?guī)則圓形，如式（8）；若為其他形狀，可由多個(gè)點(diǎn)的連線表示，如式（9），點(diǎn)可根據(jù)具體水域環(huán)境選取。

自主航行過(guò)程中，自動(dòng)獲取船舶所在通航分道的信息。Emn表示第m個(gè)分道通航制的第n個(gè)通航分道的構(gòu)成要素：

式中n與d的對(duì)應(yīng)關(guān)系為d=2n-1。

矩陣Emn的第1、3 行表示通航分道的2 條邊界線；第2 行中Pmne為第1、3 行上對(duì)應(yīng)點(diǎn)連線的中點(diǎn)，Gmni為由對(duì)角4個(gè)點(diǎn)Fmde的連線圍成的航段。

2.2.2 以成山角分道通航制水域?yàn)槔?/p>

將上述分道通航制數(shù)字化通用模型應(yīng)用到成山角分道通航制水域中，M=3，N=2，D=4。當(dāng)m=1 時(shí)E=4，當(dāng)m=2 時(shí)E=5，當(dāng)m=3 時(shí)E=3，如圖3。Lmd、Gmn、Lmn、Omni、Km和Emn均可用通用模型表示。Pq為第q個(gè)警戒區(qū)：

圖3 成山角水域數(shù)字化Fig.3 Digitization of Chengshanjiao waters

Sw為第w個(gè)隔離帶：

式中：(X1,Y1)、R分別為警戒區(qū)P1中心、半徑；θ為參數(shù)；Q為分隔帶上的點(diǎn)，如圖3。

2.3 目標(biāo)分類與避讓要求

將在分道通航制中行駛的船舶分為順、不順交通流方向航行的船舶。如按船舶種類，可分為普通機(jī)動(dòng)船和特殊船舶（含漁船、帆船、非機(jī)動(dòng)船、操限船和失控船等）。

本船為在分道通航制中按交通流方向行駛機(jī)動(dòng)船，按照避碰規(guī)則第18 條，應(yīng)盡早避讓特殊船舶。對(duì)于機(jī)動(dòng)船，根據(jù)分道通航制水域的特點(diǎn)，按照會(huì)遇局面確定兩船的避讓關(guān)系為：

追越局面：本船為追越船，向安全追越改向幅度小的方向避讓；本船為被追越船，開(kāi)始階段應(yīng)保向保速，若讓路船一直沒(méi)有按避碰規(guī)則采取讓路行動(dòng)，可從安全通過(guò)改向幅度小的方向避讓。

對(duì)遇局面：向右轉(zhuǎn)向。潛在碰撞危險(xiǎn)（potential collision risk，PCR）［15］是指若本船和目標(biāo)船保向保速，某一時(shí)刻目標(biāo)船會(huì)進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域，分道通航制水域中保向的含義包含船舶順交通流方向改向。如本船距離通航分道邊界線小于2倍船長(zhǎng)或繼續(xù)向右避讓違反規(guī)定，存在PCR 但碰撞危險(xiǎn)尚未形成也可向左避讓，但碰撞危險(xiǎn)形成后，只能向右避讓。

交叉相遇：本船是讓路船時(shí)，應(yīng)采取盡可能大幅度的右轉(zhuǎn)且避免橫越直航船船艏；本船是直航船時(shí)，在碰撞危險(xiǎn)開(kāi)始的階段應(yīng)保向保速，若讓路船一直沒(méi)有按避碰規(guī)則采取讓路行動(dòng)，右轉(zhuǎn)避讓。

3 自主航行決策

自動(dòng)航行是指在無(wú)移動(dòng)物標(biāo)的環(huán)境中，本船沿著計(jì)劃航線航行。自主航行方法是指基于自動(dòng)航行模型，能考慮避碰規(guī)則和良好船藝避讓移動(dòng)物標(biāo)，并沿計(jì)劃航線采取最優(yōu)方案航行的方法。

3.1 自動(dòng)航行模型

自動(dòng)航行模型由航向控制系統(tǒng)和航線跟蹤方法組成，航向控制系統(tǒng)包括船舶操縱運(yùn)動(dòng)模型和航向控制方法。航線跟蹤方法根據(jù)計(jì)劃航線和本船當(dāng)前位置確定目標(biāo)航向，由航向控制系統(tǒng)控制船舶轉(zhuǎn)向過(guò)程。

3.1.1 航向控制系統(tǒng)

研究中，不需考慮船舶的縱搖、垂蕩、橫搖，良好天氣下可忽略風(fēng)、浪、流干擾，采用三自由度MMG模型和航向控制方法模擬船舶操縱過(guò)程，計(jì)算特定改向角度下操縱過(guò)程中不同時(shí)刻的船位和經(jīng)歷的時(shí)間：

MMG 模型參數(shù)及符號(hào)含義可參閱文獻(xiàn)［18］。已知本船位置、航向、航速、轉(zhuǎn)速、船長(zhǎng)等信息，可按龍格庫(kù)塔方法求解MMG 方程，求得任意時(shí)刻位置、航向等信息。

船舶保向、改向操縱可采用模糊自適應(yīng)PID 控制方法，通過(guò)模糊推理實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)時(shí)控制舵角、調(diào)整航向［19-20］，如圖4。

圖4 模糊自適應(yīng)PID控制器Fig.4 Fuzzy adaptive PID controller

模糊控制器有2 個(gè)輸入：航向偏差E和航向偏差變化率EC，3 個(gè)輸出為PID 比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)Kd。利用模糊控制實(shí)時(shí)對(duì)PID 的3 個(gè)參數(shù)Kp、KI、Kd進(jìn)行調(diào)節(jié)并控制船舶運(yùn)動(dòng)，下一時(shí)刻將實(shí)際航向返回輸入端，與目標(biāo)航向比較生成偏差，循環(huán)使用偏差控制航向，實(shí)現(xiàn)在不同航向偏差和航向偏差變化率下對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，消除前一時(shí)刻計(jì)算和預(yù)測(cè)誤差，從而可以更好地控制船舶的航向。

3.1.2 航線跟蹤方法

船舶沿計(jì)劃航線航行時(shí)，需自動(dòng)確定下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)和目標(biāo)航向。當(dāng)船舶偏離計(jì)劃航線時(shí)，應(yīng)盡早恢復(fù)沿計(jì)劃航線航行。本船距離計(jì)劃航線距離小于150 m 且航向與所在航段交通流方向的差值小于1°時(shí)，認(rèn)為船舶沿計(jì)劃航線航行。

1）確定轉(zhuǎn)向點(diǎn)。如圖5，船舶所在通航分道的計(jì)劃航線設(shè)有S個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)，計(jì)算本船與S個(gè)計(jì)劃航線點(diǎn)的距離，找出最近的計(jì)劃航線點(diǎn)記為Ps。以Ps-1點(diǎn)到Ps點(diǎn)連線的方向?yàn)橛?jì)劃航跡向，計(jì)算下一時(shí)刻本船到Ps點(diǎn)距離與當(dāng)前到Ps點(diǎn)距離的差值ΔD1，計(jì)算下一時(shí)刻本船到Ps-1點(diǎn)距離與當(dāng)前到Ps-1點(diǎn)距離的差值ΔD2。ΔD1ΔD2為正時(shí)，Ps+1點(diǎn)為下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)。ΔD1ΔD2為負(fù)時(shí)，若D3小于0.3 n mile，Ps+1點(diǎn)為下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)，否則Ps為下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)。

圖5 航線跟蹤方法Fig.5 Route tracking method

2）計(jì)算目標(biāo)航向（以Ps為下一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)為例）。根據(jù)本船航向與計(jì)劃航線方向的夾角和Ps點(diǎn)相對(duì)本船的真方位來(lái)確定目標(biāo)航向?yàn)椋?/p>

式中：m為靠攏系數(shù)，m值過(guò)大或過(guò)小都不利于本船完成航線跟蹤，當(dāng)m=1 時(shí)本船的運(yùn)動(dòng)軌跡為L(zhǎng)1，當(dāng)m＞1 時(shí)本船的運(yùn)動(dòng)軌跡為L(zhǎng)2，如圖5；路徑L2更符合實(shí)際航行中的運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)最終m取值為1.5。

3.1.3 自動(dòng)航行模型仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中預(yù)設(shè)船舶的計(jì)劃航線為L(zhǎng)21，模型自動(dòng)提取L21所在通航分道的構(gòu)成要素并進(jìn)行識(shí)別。計(jì)劃航線L21如圖6（a），船舶實(shí)際航行軌跡如圖6（b）。通過(guò)計(jì)劃航線與船舶運(yùn)行軌跡對(duì)比可得出：提出的自動(dòng)航行模型可控制本船按計(jì)劃航線航行并模擬船舶實(shí)際轉(zhuǎn)向過(guò)程。

圖6 航線跟蹤方法仿真實(shí)驗(yàn)Fig.6 Simulation experiment of route tracking

3.2 避碰機(jī)理

避碰機(jī)理是指船舶運(yùn)動(dòng)矢量和避碰效果之間的規(guī)律［16］。通過(guò)研究分道通航制水域避碰機(jī)理，計(jì)算可讓清所有目標(biāo)船的最小改向角。

3.2.1 船位推算方法

分道通航制水域中，通航分道以外可能存在淺點(diǎn)和障礙物等礙航物標(biāo)，同時(shí)防止船舶駛出邊界線違反分道通航制規(guī)則，船舶應(yīng)盡可能靠中心線航行。研究中在通航分道內(nèi)設(shè)置位置控制邊界線（距離隔離帶或通航分道邊界線的距離為2L）。成山角水域可航行水域較寬廣且礙航物較少，船舶一般定速航行。研究中本船定速航行，并根據(jù)避碰規(guī)則第10 條合理預(yù)計(jì)所有順交通流方向航行船舶在推薦交通流方向變化時(shí)將沿新方向航行。

順、不順交通流方向目標(biāo)船進(jìn)行船位推算為：

式中：(x0,y0)為船舶初始時(shí)刻位置；v為航速；TC為航向；αi為船舶當(dāng)前所在航段的交通流方向；αi+1為下一航段的交通流方向；t1為船舶順交通流方向航行時(shí)到達(dá)下一航段所需時(shí)間；(x1,y1)為船舶到達(dá)下一航段時(shí)的船位。

若本船在航道外時(shí)按式（16）進(jìn)行船位推算。在航道內(nèi)時(shí)本船按照自動(dòng)航行模型推算船位，如船位到達(dá)設(shè)定的位置控制線時(shí)，向推薦的交通流方向改向，直至抵達(dá)下一個(gè)航段并沿新的推薦方向航行。

3.2.2 碰撞危險(xiǎn)度

碰撞危險(xiǎn)度（collision risk index,CRI）是根據(jù)兩船操縱特性、位置、運(yùn)動(dòng)等關(guān)系所確定的反映碰撞危險(xiǎn)是否存在和采取避讓措施緊迫程度的物理量?？煞纸鉃榭臻g碰撞危險(xiǎn)度（space collision risk index，SCRI）和時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度（time collision risk index）［21］：

式中：u為CRI 的 值；ut為T(mén)CRI 的 值；us為SCRI的值。

定義分道通航制水域中碰撞危險(xiǎn)形成條件為：存在潛在碰撞危險(xiǎn)且到目標(biāo)船進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域的時(shí)間Tis小于Tt，Tt可由船長(zhǎng)確定，研究中取1 800。

1）空間碰撞危險(xiǎn)度。

SCRI 表示兩船是否存在PCR，目標(biāo)船與本船SCRI為：

式中：(X t k,Y tk)為第k艘目標(biāo)船在t時(shí)刻的船位；Dm表示本船船舶領(lǐng)域內(nèi)的點(diǎn)集；?表示不存在。

2）時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度。

TCRI是指存在碰撞危險(xiǎn)兩船采取避讓措施緊迫程度的物理量。在分道通航制水域中，定義TCRI為表示目標(biāo)船進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域緊迫程度的物理量：

式中Tis為目標(biāo)船進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域的時(shí)間。

根據(jù)避碰規(guī)則第16、17 條的要求。研究中，本船與目標(biāo)船構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí)（u＞0）,本船為讓路船時(shí)應(yīng)立刻采取避碰行動(dòng)。本船為直航船時(shí)，若讓路船一直沒(méi)有按避碰規(guī)則采取讓路行動(dòng)且u＞0.2，本船可以采取避碰行動(dòng)。

3.2.3 可行避讓幅度求取

若存在PCR 或碰撞危險(xiǎn)，按照3.2.2 節(jié)模型，確定CRI需要采取的避讓行動(dòng)和幅度，步驟如下：

1）計(jì)算SCRI。對(duì)本船和距離小于Dd的目標(biāo)船進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)（暫定2 400 s）的船位推算，若目標(biāo)船進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域，保存該目標(biāo)船的信息以及進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域的時(shí)間。目標(biāo)船是否進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域可判斷為：

式中：TC t為本船t時(shí)刻航向；(Xt,Yt)為t時(shí)刻本船船舶領(lǐng)域中心位置；a和b為本船船舶領(lǐng)域短半軸和長(zhǎng)半軸。將t時(shí)刻目標(biāo)船位置代入計(jì)算，若成立，目標(biāo)船在t時(shí)刻進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域。

2）若存在SCRI，根據(jù)步驟1）中保存的目標(biāo)船信息計(jì)算TCRI 和CRI，判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)，若存在，找出最危險(xiǎn)目標(biāo)船（CRI最大）。

3）根據(jù)表1 辨識(shí)會(huì)遇局面類型。第1 類：存在PCR且u＞0，第2類：不存在PCR或u=0。

表1 會(huì)遇局面辨識(shí)模型Table 1 Identification model of ship encounter

4）按不同會(huì)遇局面避讓要求確定改向幅度。

根據(jù)避碰規(guī)則第8 條，改向幅度不宜太小，設(shè)置初始改向角為5°。根據(jù)會(huì)遇局面確定改向方向，將改向方向、改向角和本船船位等信息輸入航向控制系統(tǒng)中計(jì)算出船舶改向完成時(shí)刻的位置、航速、航向等信息，據(jù)此進(jìn)行船位推算判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)。若存在，以1°為間隔增大改向角，重新判斷，直到找到可行改向角。若改向角達(dá)到45°仍存在碰撞危險(xiǎn)，則認(rèn)為無(wú)可行方案，如圖7。若本船到達(dá)位置控制邊界線，本船航向更新為當(dāng)前航段交通流方向，沿航道邊界航行，避免駛出通航分道造成其他航行風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 可行改向角計(jì)算Fig.7 Calculate the feasible alter angle

5）若找到可行改向角，本船開(kāi)始避碰行動(dòng)。

3.2.4 恢復(fù)航線跟蹤

本船由于避讓目標(biāo)船偏離計(jì)劃航線到本船恢復(fù)沿計(jì)劃航線航行的過(guò)程稱為恢復(fù)航線跟蹤（復(fù)航），本船偏離計(jì)劃航線后應(yīng)當(dāng)盡可能早地恢復(fù)沿計(jì)劃航線航行。目標(biāo)航向可通過(guò)航線跟蹤方法求得。最早恢復(fù)航線跟蹤時(shí)間可通過(guò)離散方法求得，自本船完成改向時(shí)起，開(kāi)始判斷是否能夠復(fù)航。計(jì)算流程如圖8。

圖8 恢復(fù)航線跟蹤時(shí)間計(jì)算Fig.8 Calculate time to route tracking

3.3 自主航行方法

在時(shí)變環(huán)境中，固定步長(zhǎng)1 s 獲取信息，實(shí)時(shí)判斷目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自適應(yīng)地生成自主航行方案，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)船機(jī)動(dòng)狀態(tài)下自適應(yīng)自主航行。首先通過(guò)船位推算識(shí)別有碰撞危險(xiǎn)的目標(biāo)船，根據(jù)動(dòng)態(tài)避碰機(jī)理求取改向角，最后確定恢復(fù)航線跟蹤時(shí)間?；贛MG、模糊自適應(yīng)PID 和航線跟蹤等模型，以任意初始條件避讓目標(biāo)的自主船航行模型如圖9。

圖9 自主航行模型Fig.9 Autonomous navigation model

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中取(37°11′.60N,122°35.00E)作為XOY原點(diǎn)，本船和目標(biāo)船初始參數(shù)如表2。

表2 船舶初始參數(shù)Table 2 Initial ship parameter

T=4 140 s，目標(biāo)船5 航向更新為330°，航速更新為11 kn；T=7 601 s，目標(biāo)船3 航向更新為300°，航速更新為11 kn；目標(biāo)船1、目標(biāo)船2、目標(biāo)船4、目標(biāo)船6不涉及變向變速。

本船和目標(biāo)船初始位置如圖10。圖11 顯示了仿真的開(kāi)始階段。T=0 s 時(shí)，目標(biāo)船1 的碰撞危險(xiǎn)度為0.185，目標(biāo)船2 的碰撞危險(xiǎn)度為5.98×10-6，目標(biāo)船1為最危險(xiǎn)目標(biāo)船，本船與目標(biāo)船1局面辨識(shí)為左舷交叉且碰撞危險(xiǎn)度小于0.2，本船為直航船保向保速。T=31 s 時(shí)，目標(biāo)船1 的碰撞危險(xiǎn)度為0.201，目標(biāo)船2 的碰撞危險(xiǎn)度為4×10-5，目標(biāo)船1 為最危險(xiǎn)目標(biāo)船，本船與目標(biāo)船1 局面辨識(shí)為左舷交叉且碰撞危險(xiǎn)度大于0.2，本船右轉(zhuǎn)14°避讓目標(biāo)船。T=858 s時(shí)，本船開(kāi)始復(fù)航。

圖10 初始船位Fig.10 Ship position at initial time

圖11 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程1Fig.11 Simulation experiment procedure 1

圖12顯示了仿真的中間階段，T=3 762 s時(shí)，目標(biāo)船4的碰撞危險(xiǎn)度剛好大于0，本船與目標(biāo)船4局面辨識(shí)為追越局面，本船右轉(zhuǎn)5°避讓目標(biāo)船。T=5 814 s，本船開(kāi)始復(fù)航跟蹤。

圖12 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程2Fig.12 Simulation experiment procedure 2

圖13 顯示了仿真的結(jié)束階段，T=9 311 s 時(shí)，本船到達(dá)終點(diǎn)。

圖13 船舶軌跡Fig.13 Ship trajectory

綜上，當(dāng)前操縱決策方案為：T=31 s 時(shí)，本船右轉(zhuǎn)14°；T=858 s 時(shí)，本船開(kāi)始復(fù)航；T=3 762 s 時(shí)，本船右轉(zhuǎn)5°；T=5 814 s 時(shí)本船開(kāi)始復(fù)航（1 s 時(shí)間后根據(jù)新的本船、目標(biāo)船的信息重新判斷，生成新的操縱方案）。

5 結(jié)論

1）本文提出的自主航行方法能動(dòng)態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)剩余誤差和目標(biāo)船隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，符合避碰規(guī)則與良好船藝的要求，滿足在成山角水域安全航行的需求，為后續(xù)分道通航制限制水域自主航行的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

2）本文提出的自動(dòng)航行模型可以控制本船按計(jì)劃航線航行并模擬船舶實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程。提出的自主航行方法能動(dòng)態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)剩余誤差和目標(biāo)船隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，符合避碰規(guī)則與良好船藝的要求，滿足在成山角水域安全航行的需求，為后續(xù)分道通航制限制水域自主航行的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。