船舶本科论文 论船舶避碰自动化系统的设计Word下载.docx
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船舶会遇；
态势分析；
数据处理；
避让操纵
Discussionofshipcollisionavoidanceautomationsystemdesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnologylevel,inthefieldofmodernscienceandtechnologyinnavigationtechnologyispaidmoreandmoreattentiontotheship,theapplicationofautomationtechnologyisgraduallywidely.Inrecentdecades,nauticalcareerasoneofChina'
simportantindustries,itbringsenormouseconomicbenefitsatthesametime,alsoforChina'
smarinetransportationandmarinerightsandinterestsmadegreatcontribution.However,duetothelimitationsoftechnologylevelofinfluence,intheshiphandlingforautomationcontroltechnologyusinghasnotbeeneffectiveresearchandpromotion,theleadshipintheshippingprocessoftenoccurinshipcollisionsorgroundingaccident.Howtodevelopthemostadvancedshipcollisionavoidanceautomationsystemandhowtodesignandrealizethesystemfunctionaspreviouslynauticalfieldisthemostconcernandattention.Inrecentyears,computertechnology,electronictechnologyandinformationtechnologycontinuestoprogress,manyofChina'
sindustryisgraduallyrealizethedigitizedintotheautomationofthedevelopmentgoals,inwhichalsotheharvestmanyachievements.Ourshipcollisionavoidanceautomationsystemresearch,itstechnicallevelhasreachedanewheight,intheshippingofshipcollisionandgroundingeffectivelyreducesthethreatof.
Inthispaper,firstintroducedtheshipcollisionavoidanceautomationtechnologydevelopmentandapplication;
secondly,separatelyfromtheshipsmeetingstage,collisionthreatdegreeanalysisstage,avoiddecision-makingofshipcollisionavoidancecontrolstageandstagefourisdiscussedindetailtheprocessofshipcollisionavoidance;
andthen,successivelyintroducedthestructureandcharacteristicsofshipcollisionavoidancesystemfunction,shipcollisionavoidanceautomationsystemdatabase,dataprocessingandcollisionavoidanceautomationsystemforshipcollisionavoidancesystemdesignandimplementation,andanalysisofshipcollisionavoidanceautomationsystemrelatedcontent;
finally,discussedinthenextsailinginthefieldofshipcollisionavoidanceautomationsystemdevelopmenttrend.
Keywords：
Collisionavoidanceautomationsystem;
shipsmeeting;
situationanalysis;
dataprocessing;
collisionavoidancecontrol.
目录
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
ABSTRACT．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1、船舶避碰自动化系统发展现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.1船舶避碰自动化系统发展历程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.2船舶避碰自动化系统应用现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2、避碰自动化系统在船舶避碰过程的应用探究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1船舶会遇阶段态势分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2判断船舶碰撞危险度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.3避让时机与方案的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.4船舶避让经验操纵．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3、船舶避碰自动化系统研究分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.1避碰自动化系统的结构与功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.2避碰系统数据库的建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.3避碰自动化系统数据处理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.4自动化避碰的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4、船舶避碰自动化系统的发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
5、结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
1、船舶避碰自动化系统的发展现状
1.1船舶避碰自动化系统发展历程
在航海领域，随着如今船舶数量的持续增加，怎样确保船舶航运过程中的安全航行是人们最关注的问题，而这其中最值得重视的就是船舶会遇情况的避碰处理。
由于海上航行受到的影响因素非常多，有人为因素影响，也有自然因素影响，因此，在仅仅凭借船舶上的操纵人员的视觉判断与经验分析的情况下想及时有效的避免碰撞是非常困难的。
在这样的背景下，人们不得不开始利用先进的科技技术对船舶航运系统进行完善，这不仅能够在船舶航行中大大的降低了人员操纵失误造成的影响，而且明显地减轻了船舶驾驶员的工作负担。
船舶的安全行驶始终是最重要的，要想在航行中最大程度的保障安全避免碰撞，就需要对避碰技术进行更加全面的研究。
在上个世纪中期起，许多世界航海强国就已经开始在船舶避碰问题上探讨研究，其中也给航海界带来了许多有价值的研究经验，为船舶避碰技术的发展垫定了一定的基础。
在早期的几十年的研究阶段，科学家们以数据模型为出发点，采用计算机建立数据模拟平台，结合计算机的功能完成简单的数据处理，然后通过人为计算和分析总结出适当的避碰方案。
该研究虽然初步的确立了船舶避碰技术的发展方向，但在实际应用中，由于相关技术水平的限制并不能在船舶避碰中起到很有好的效果。
随后的一段时间里，伴随着科技水平的提高，计算机技术水平也在有利明显的进步，这也标志着船舶避碰技术进入自动化发展阶段。
1.2船舶避碰自动化系统应用现状
目前，在船舶大型化的发展趋势下，船舶的行驶速度相对于以往都有了很明显的提高，另外随着船舶数量也大大增加，这必然会导致船舶航行中的碰撞问题处理更加严峻，难度也更高。
因而，在船舶上应用避碰自动化系统是非常有必要的。
我国拥有十分广阔的海洋面积，在这些海域有着很多的各种各样的船舶出入，当然也包含我国的军事舰艇，这样的话，船舶会遇的几率也因此大大增加，碰撞的可能性也会随之提高。
由于国家对于航海业的重视，在船舶避碰技术能力上也予以严格审查，要求所有大型船舶必须具有有效的避碰能力，对于避碰自动化系统也得广泛的进行推广。
改革开放以来，我国在船舶避碰自动化系统技术研究方面也有了非常明显的进步，虽然相对国外一些航海强国来说在该方面研究起步较晚，但在国家的对于航海业重视和大力支持下，目前我国船舶避碰自动化系统已经在当前航海领域中得到了广泛而有效的应用。
在船舶自动化系统的开发上，利用现今先进的计算机与电子技术，从多方面因素出发进行判断分析，对所收集的数据进行整合，总结最佳避碰方案，然后细致落实避碰方案。
船舶避碰自动化系统的应用为船舶航行提供了更高的安全保障的同时，也给海上航运带来了很多的便捷与经济效益。
2、避碰自动化系统在船舶避碰过程的应用探究
2.1船舶会遇阶段态势分析
在两船相遇，应该第一时间进行态势分析，收集数据，船舶会遇情况一般包含六种，一、对方船只处于停止状态；
二、本船追越对方船只；
三、对方船只追越本船；
四、对方船只迎面驶向本船；
五、对方船只从左舷向右舷穿越；
六、对方船只从右舷向左舷穿越。
第一时间对船舶会遇时两船的方位与行驶状态分析是非常关键的，其次是对于会遇相关信息的手机，这也是用于态势分析的一个重要依据。
船舶在会遇阶段需要考虑六个关键因素，也就是会遇安全距离、会遇最近距离、到达会遇点最近时间、避碰行动极限间距、船舶领域和动界。
会遇安全距离即船舶相遇时，可以保证两船安全避让的最小距离。
会遇最近距离即两船相遇时的最近距离。
到达会遇最近点的时间指的是在相遇过程中，对方船只到达最近点的时间。
避碰行动极限距离，顾名思义就是船舶会遇时最晚可以满足安全避碰的两船间距。
而船舶领域是指该船周围的有效区域，动界是指船舶在采取避碰行动时雨对方船只的距离。
在实际船舶会遇情况发生时，一般是将船舶会遇最近距离和到达最近点的时间与制定的期望值进行比较，如果其数值小于期望值大小，那么就认为船舶有碰撞危险，反之则没有。
提高对人们看法的分析，通常人们会认为船舶航行安全与船舶碰撞危险的判定并没有过多的基准，而是对于各种主观和客观因素的分析，从数据计算上判断碰撞危险度。
碰撞危险的大小于这些数据有着很大的关系，若会遇最近距离和到达会遇最近点的时间值越小，那么船舶碰撞的危险度就越大，当会遇最近距离小于避碰行动极限距离时，就会导致两船碰撞。
2.2判断船舶碰撞危险度
在收集数据分析会遇态势分析之后，对于船舶碰撞危险度的判断是非常有必要的。
船舶会遇危险度的判断实际上就是距离与时间的计算，但其中由于太多的因素干扰和一些不确定条件，这也就加大了危险度判断的难度。
在船舶航行中，在会遇的情况下一般需要分析两船舶之间发生碰撞会成多大的影响，这就是所谓的合成碰撞危险度。
船舶碰撞危险度主要与船舶会遇时的方位、速度、行驶方向相关，另外，船舶的操作性能也会对船舶碰撞危险度。
关于船舶危险度的计算，目前主要有六种计算方法，即人工神经网络算法、模糊数学算法、矢量解释算法、遗传算法、船舶闭塞算法、避碰自动化系统计算。
人工神经网络算法是在人工智能技术的发展下产生的一种新型算法，但在实际应用中并没有得到实现。
模糊数学算法是利用船舶会遇的模糊性对其碰撞危险度进行确定，模糊数学算法可以算出船舶行驶方向改变大小和避碰时机，在实际应用中起到了很大的作用。
矢量解释算法用来判断船舶避碰位置矢量和速度矢量的关系的，另外也可以用于时机轴矢量计算上，但由于该计算方法所结合的要素不全面，这也就说明了其数据计算的误差可能较大，因此，在实际应用中也没有得到推广。
遗传算法是根据海上避碰惯例，结合实际数据进行分析而得出碰撞危险度，这是一种较为灵活的计算方法，但是实际情况不一定都一样，因而这种计算方法也会存在一定误差，但其得到的碰撞危险度依旧具有一定的参考价值。
船舶闭塞算法是以船舶闭塞作为船舶碰撞危险度的一种算法，船舶避碰过程中，所采用的避碰措施和避碰操纵结果也会导致一定的危险度，这个危险因素是无法相互抵消的，船舶闭塞算法实际上是对避碰方案的最优化选择，是对避碰方案的考量。
采用避碰自动化系统计算危险度，实际上该系统是一个数据收集与处理平台，它所能够完成的即所有数据的结合计算分析，因而可以得到较为准确的数据结构，但是由于该系统过度依赖与数据模型，而实际情况是千变万化的，还是需要结合驾驶员的经验，充分考虑客观因素的影响，对碰撞危险度进行更加准确的判断。
2.3避让时机与方案的确定
避让时机的选择和避让方案的确定是在船舶态势分析与危险度判定后所必须快速确定的，这将直接的影响到避碰操纵的结果。
避让时机的确定实际上是系统数据处理的所得到的结果指令，一般情况下是越早采取避让越好，但如果是一些特殊情况，就应该特殊对待了。
对于船舶碰撞前的信息分析与数据处理是整个避碰过程中难度最大的部分，其中所涉及到许多科学性的问题，正因为了其科学性也就更大的保证了方案的优化性。
在数据处理阶段，系统通过各种繁琐的计算方法得到相关避碰数据，然后通过船舶操纵人员的经验分析来确定避让时机和选择最合适的避碰方案。
在避让数据计算上一般有四种算法，一、目标参数算法；
二、避碰参数算法；
三、验证算法；
四、判据算法。
每一种算法都有着其优点所在，无论选择哪一种算法，其最终目的都是为了得到是适避让时机，因而需要根据实际情况合理选择对应的算法，从而最大的降低碰撞危险。
2.4船舶避让经验操纵
船舶避让操纵是船舶在会遇并发觉碰撞危险而采取措施的最后一步，也是最关键的一部。
在实际船舶航行中，根据船舶驾驶员的通常做法和驾驶技能，可以确保避碰系统合理运用。
在确定才能避让时机和方案后，就应该立即执行方案，严格根据所确定的避让时机，沉重应对，对避让方案进行完整的落实，船舶避碰操控是非常考验驾驶员心理和技术的时候，在此时船舶驾驶员应该保持充分的冷静，准确的执行每一个操作。
事实上，船舶避碰操控是需要两艘船共同协作完成的任务，如果在空间和时间不足的情况下，仅仅凭借一艘船只的避让是无法避免碰撞的。
因而，在船舶避让阶段应该两船保持通讯联络，互相交换意见，确保方案的正确性和统一性。
此外，船舶在避碰操控上的结果与船舶的性能也有一定关系，这个也是方案中需要考虑的因素，而在船舶避让中应该尽量减少这些因素的干扰，避免在避碰过程中的时间浪费。
船舶的操控性能包括船舶的冲程大小、船舶回旋性能、船舶旋回时间、船舶进距大小和船舶旋转中减速能力等，这些都是可能延迟避让过程的因素，只有通过驾驶员的经验来降低对避碰时间的影响。
在避让过程中，一般可以采用的船舶操纵方式有五种，分别是加速直线航行、向右转向航行、向左转向航行、减速直线航行和背离规则紧迫航行，其中最好一种船舶操控方式是采取其他的措施都无法避免碰撞的，这样的航行操纵是由于周围情况复杂，必须通过驾驶员的多次改变航行才有可能避免碰撞或降低碰撞损害。
根据相关规定，当两艘船舶会遇时，其中一艘船舶所采取的避碰措施应该可以让两船在一定距离上安全避碰。
所以，当两船舶间的距离小于一定程度时，由于受到船舶操纵性能的影响，及时采取左满舵或右满舵也可能不能保证两船在安全距离上通过。
因此，船舶操纵性能会影响其避碰行动的效果，为了保证船舶在实际避让情况中避免碰撞危险，应该考虑船舶操纵性能，确定其避让极限时间点。
3、船舶避碰自动化系统研究分析
3.1避碰自动化系统的结构与功能
（1）避碰自动化系统结构
船舶避碰自动化系统运用的是最新的船舶操纵模拟器技术，关键部分由一个数据分析平台，这个数据分析平台以数据模型为基础，通过对数据的收集、分析、计算和输出完成其功能。
船舶避碰自动化系统的结构包括计算机网络系统、船舶信息数据库、雷达系统和电子通信系统。
船舶避碰自动化系统原理实际上是通过雷达系统第一步收集对方船只相关数据，然后结合自身船舶信息数据库的信息，运用计算机系统进行计算分析，然后在操纵人员的经验分析下选择最合适的避让时机和避让方案，再利用电子通信系统将所有相关信息传达给目标船只，共同完成避让任务。
（2）避碰自动化系统功能
船舶自动化系统功能主要包括：
控制系统的运行、对附近海域进行监视、收集目标船只信息、海域气候分析、风浪方向和大小分析、船舶会遇态势分析、计算船舶碰撞危险度、计算船舶避让时机、提供船舶避让相关数据、协助完成船舶避让操纵和船舶避让数据汇总等等。
避碰自动化系统的这些功能在船舶会遇过程中都发挥着其对应的作用，为船舶避碰提供了有效的保障。
3.2避碰系统数据库的建立
船舶避碰自动化系统数据知识库的建立主要包含四个主要的部分，分别是原始数据收集、方案分析、避碰策略的产生和避碰建议。
其中方案分析包括对原始数据的解矢量三角形运算和描述码转化到知识库，避碰策略的产生包含知识库与启发式搜索的相互转化和操纵参数的产生。
船舶避碰自动化系统是对所有可能出现的态势的处理方案的汇总，在船舶会遇时，系统会对数据库中的所有避让方案进行一意查找。
当寻找到与最危险船只形成的会遇态势情况相符合的方案，也就表面确定了对应的避让方案。
一旦确定避让方案，避碰自动化系统就会在这个方案内容安排下，协助驾驶员操纵船舶避让。
首先，利用启发式搜索检验该避让方案中的措施是否可以充分落实，若系统分析认为其中存在不适当的操作，系统就会否定该方案，便开始系统回转运行，进行重复方案搜寻，直到找到最优方案为止。
如果系统认定该方案有效，就会执行下一步动作，这会得出与所选择方案措施对应的数据参数。
最后，船舶避碰系统将避碰措施输出，以避让建议的方式传达给船舶驾驶员，并辅助驾驶员完成避碰操纵。
相反，如果不存在船舶碰撞危险的船只，那么避碰数据知识库就不会输出避碰建议。
船舶避让数据知识库会根据不同的会遇态势特征，按对应的避碰方案，并结合避让参数，构建避碰知识库。
船舶避碰知识库不仅很好的解决了船舶的会遇避碰危险，还为船舶紧急避碰做好了预备工作，非常有效的降低了船舶航行中的碰撞危险。
3.3避碰自动化系统数据处理
关于船舶避碰数据的处理包括会遇目标船运动状态信息收集、船舶碰撞危险度判断、避让时机的确定。
在船舶会遇阶段，船舶的雷达系统首先会收集相关信息，然后避碰自动化系统会根据所收集的信息进行分析，并确定船舶会遇态势。
在所统计的数据中，包括两船的位置、船只特点、船舶行驶状态及对方船只采取的措施等进行分析，如果有碰撞危险，将会进行下一步操纵计算，确定避碰时机以及设计避碰方案，并及时通告对方船只共同采取避碰措施。
船舶碰撞危险度的判断需要考虑的因素非常多，除了对船舶会遇最初雷达系统所收集到的数据进行处理，还需要结合对方船只的状态和接下来的行驶趋势进行预算分析，此外，还包括天气、能见度、水浪程度、风向和风速等客观自然因素带来的影响。
在避让时机与避让方案的确定上，由于碰撞态势有多种，因而避碰时机也当然会针对多种情况单独分析，需要考虑的内容很多，在每一个细节问题的准备上都必须充分而有序。
除此之外，还不得不忽视的就是避让方案实施的可行性，方案执行的可行性将会直接的影响着最终的避让结果。
3.4自动化避碰的设计与实现
船舶避碰自动化系统的实现是对于避碰数据分析和避碰自动化数据计算输出避让方案，从航速、航向和舵角等方式反馈给会遇的两艘船只，接着两船将会根据自身的船舶操纵，在航速、航向等方面采取措施进行船舶避让。
经过多年来对与船舶避碰自动化系统研究，在这方面我国已经去的不错的成就。
船舶避碰自动化以专家系统原理为基础，通过结合数据分析和模糊数学计算方法，来实现系统数据自动化分析。
船舶避碰自动化系统是依靠计算机程序语言，把船舶避碰自动产生的所有相关数据信息和避让方案汇编成一个完整的船舶避碰自动化系统软件。
该系统中，通过对信息搜索分析，结合系统运算推理得出合理的避碰建议。
该系统以强大的数据知识库为平台，以计算机
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