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专利号: 2014108446627
申请人: 江苏理工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 信号装置
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种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。

2.根据权利要求1所述的船舶冲突解脱的规划方法,其特征在于: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),Ty(t),vx(t),vy(t),wx(t),wy(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,vx(t)和vy(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,wx(t)和wy(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,Tx1(t),u(t))+w(t)、z(t)=Ω(t,x1(t))+v(t)和u(t)=[ωa(t),γa(t)],其中Ψ(·)和Ω(·)分别表示状态转移矩阵和输出测量矩阵,ωa(t)和γa(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.根据权利要求1或2所述的船舶冲突解脱的规划方法,其特征在于: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Dmr(t)≥Dmin,其中Dmr(t)表示任意两个船舶m和船舶r在t时刻的距离,Dmin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Λm和Λr的离散观测数值Ξm和Ξr在t时刻表明该向量不在安全规则集中时,即关系式Dmr(t)≥Dmin不成立时,立刻向海上交通控制中心发出告警信息。

4.根据权利要求1至3之一所述的船舶冲突解脱的规划方法,其特征在于: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,PR(t)=(xRt,yRt), 那么t时刻船舶R的优先级指数可设定为:其中zt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,...,Zt},PR(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,uR表示待优化的船舶R的最优控制序列,QRt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LRt,并且

5.根据权利要求1至4之一所述的船舶冲突解脱的规划方法,其特征在于: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。