一種用于船舶避碰的免疫智能控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶安全領(lǐng)域，具體涉及一種用于船舶避碰的免疫智能控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶碰撞在航運(yùn)事故中占很大比例，因此解決避碰問題是保障船舶航運(yùn)安全的首要任務(wù)。近年來，隨著計算機(jī)導(dǎo)航和信息技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者采用智能方法處理船舶避碰的決策問題。船舶避碰策略優(yōu)化，是根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則如路線最短、耗損最小等在一定的搜索空間內(nèi)找出合理的操作方式，能使船舶從起始避碰點到船舶復(fù)航的過程中，避開各種障礙的最優(yōu)避碰策略。有些學(xué)者將確定安全路徑作為I個非線性優(yōu)化問題。在特定的船舶航行過程中，產(chǎn)生I條安全路徑，使本船沿著既定航線航行實現(xiàn)安全避碰。這種路徑規(guī)劃方法對解決移動靈活的設(shè)備之間的避碰是有效的，但對于慣性大的船舶，在短時間、短距離內(nèi)按照設(shè)定的航線航行相當(dāng)困難。因此非線性優(yōu)化方法無法應(yīng)用于船舶的避碰操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了彌補(bǔ)以上技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于船舶避碰的免疫智能控制裝置。本發(fā)明的特征為采用危險模式免疫算法。危險模式免疫算法是仿照生物免疫系統(tǒng)和基因?qū)W的一種優(yōu)化搜索方法，適用于復(fù)雜問題的求解。危險模式人工免疫算法具有快速優(yōu)化搜索的能力和優(yōu)點，因此，采用該算法能夠很好地進(jìn)行船舶避碰策略的優(yōu)化。系統(tǒng)在正常航行中采用自動控制方式，通過航向給定進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)兩船會遇需要采取避碰措施時，切換到手動控制方式，通過避碰策略優(yōu)化所得到的結(jié)果指導(dǎo)操縱船舶，從而實現(xiàn)船舶避碰。避碰策略優(yōu)化模塊開啟后，首先根據(jù)船舶避碰決策的目標(biāo)產(chǎn)生初始避碰策略種群；然后采用危險模式人工免疫算法計算種群中個體的親和度，即評價各條策略實施時船舶避碰的安全度和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；最后采用相關(guān)操作算子操作種群個體形成新的種群，反復(fù)迭代至不產(chǎn)生危險信號后，選擇最優(yōu)的避碰策略，反饋給駕駛?cè)藛T以提示駕駛?cè)藛T進(jìn)行避碰操作。在避碰過程中，直航船在與讓路船沒有駛過讓清之前，除保向、保速外，通常不應(yīng)采取其他行動。實現(xiàn)了船舶避碰策略的優(yōu)化，通過仿真驗證了有效性從而為船舶避碰決策提供了新的方法。
[0004]危險模式人工免疫算法是仿照生物免疫系統(tǒng)和基因?qū)W的I種優(yōu)化搜索方法，能用于高度復(fù)雜工程問題的求解。因此適合于處理大型船舶避碰策略的優(yōu)化，采用危險模式人工免疫算法實現(xiàn)船舶避碰策略優(yōu)化，并通過仿真試驗，驗證該算法在優(yōu)化船舶避碰策略的有效性。
[0005]1、危險模式人工免疫控制算法的原理:1994，年著名的理論免疫學(xué)家Matzinger，首先對抗原識別中傳統(tǒng)的“自我-非我”理論提出質(zhì)疑，并率先提出危險模式理論。
[0006]危險模式中的危險信號包括:危險外界病原和有害體自身，不再將自身劃為絕對耐受，病原的外源性對啟動免疫應(yīng)答不再顯得那么重要。只要它們損傷了機(jī)體內(nèi)的細(xì)胞，這些受損細(xì)胞就會發(fā)出危險信號。從而激活免疫系統(tǒng)，發(fā)揮其特異性免疫應(yīng)答功能。
[0007]2、船舶避碰策略的優(yōu)化
船舶避碰策略優(yōu)化的目的是在充分分析和處理船上ARPA (自動留達(dá)標(biāo)繪儀)、AIS (船舶自動識別系統(tǒng))及GPRS (全球定位系統(tǒng))等提供的本船和周邊目標(biāo)船信息的基礎(chǔ)上，得出本船與目標(biāo)船的會遇態(tài)勢以及各種避讓方案，遵循船舶避碰規(guī)則的要求，從眾多的避讓方案中尋求既安全又經(jīng)濟(jì)的避讓措施。
[0008]在船舶信息設(shè)備中GPRS用于船舶定位，ARPA和AIS用于識別船舶和障礙物，接收和處理它船和障礙物的信息，包括目標(biāo)船的航向、航速、方位等，還有其他的一些設(shè)備用于獲得船舶航行環(huán)境等相關(guān)參數(shù)。在整個過程中信息的獲取:(1)根據(jù)相關(guān)信息；⑵計算船舶會遇形勢船舶所要采取的避碰策略進(jìn)行優(yōu)化；⑷駕駛?cè)藛T對船舶的操縱；(5)船舶動態(tài)顯示及其他相關(guān)報警提示等。船舶運(yùn)動模型采用nomoto模型，控制器采用傳統(tǒng)的PID (比例-積分-微分)控制器。
[0009]避碰策略優(yōu)化的機(jī)理是根據(jù)他船及本船當(dāng)前信息，預(yù)測未來時刻他船與本船采取避碰策略后(需要本船采取避碰措施情況下)的運(yùn)動軌跡，從中選擇出符合評價指標(biāo)的避碰策略。
[0010]船舶會遇態(tài)勢計算模塊在獲得船舶相關(guān)信息后，判斷兩船的會遇狀態(tài)及避讓責(zé)任。如果兩船會遇需要采取避碰措施時，啟動船舶避碰策略優(yōu)化模塊，產(chǎn)生危險模式人工免疫算法的第I危險信號，然后啟動優(yōu)化程序。
[0011]3、避碰策略優(yōu)化仿真實例結(jié)果
船舶避碰分會遇、追越、交叉等情況，以仿真實例說明，如何采用危險模式人工免疫控制算法進(jìn)行船舶避碰策略的優(yōu)化。
[0012]通過仿真實例可以說明，基于危險模式人工免疫算法的船舶避碰策略優(yōu)化程序是有效的，比采用其它避碰算法能更快速、準(zhǔn)確地給出避碰優(yōu)化策略，為駕駛?cè)藛T提供較好的避碰決策支持。
[0013]船舶避碰策略決策過程涉及到很多方面，如船舶之間的信息實時性、船舶航行參數(shù)、環(huán)境條件、氣象條件、操作人員的素質(zhì)等，由于危險模式人工免疫算法具有快速優(yōu)化搜索的能力和優(yōu)點，因此，采用該算法能夠很好地進(jìn)行船舶避碰策略的優(yōu)化。由于條件的限制無法進(jìn)行實船驗證，僅進(jìn)行了數(shù)字仿真研究。此外，為了提高危險模式人工免疫算法的性能還有很多工作需要做，如高級變異算子的使用、與克隆選擇算法的融合以及與免疫記憶特性的融合等。
【主權(quán)項】
1.一種用于船舶避碰的免疫智能控制裝置，其特征為采用危險模式免疫算法:系統(tǒng)在正常航行中采用自動控制方式，通過航向給定進(jìn)行閉環(huán)控制；當(dāng)兩船會遇需要采取避碰措施時，切換到手動控制方式，通過避碰策略優(yōu)化所得到的結(jié)果指導(dǎo)操縱船舶，從而實現(xiàn)船舶避碰。2.避碰策略優(yōu)化模塊開啟后，首先根據(jù)船舶避碰決策的目標(biāo)產(chǎn)生初始避碰策略種群；然后采用危險模式人工免疫算法計算種群中個體的親和度，即評價各條策略實施時船舶避碰的安全度和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；最后采用相關(guān)操作算子操作種群個體形成新的種群，反復(fù)迭代至不產(chǎn)生危險信號后，選擇最優(yōu)的避碰策略，反饋給駕駛?cè)藛T以提示駕駛?cè)藛T進(jìn)行避碰操作。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于船舶避碰的免疫智能控制裝置。本發(fā)明的特征為采用危險模式免疫算法。危險模式免疫算法是仿照生物免疫系統(tǒng)和基因?qū)W的一種優(yōu)化搜索方法，適用于復(fù)雜問題的求解。危險模式人工免疫算法具有快速優(yōu)化搜索的能力和優(yōu)點，因此，采用該算法能夠很好地進(jìn)行船舶避碰策略的優(yōu)化。系統(tǒng)在正常航行中采用自動控制方式，通過航向給定進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)兩船會遇需要采取避碰措施時，切換到手動控制方式，通過避碰策略優(yōu)化所得到的結(jié)果指導(dǎo)操縱船舶，從而實現(xiàn)船舶避碰。
【IPC分類】B63B43/18, G06F19/00
【公開號】CN105564609
【申請?zhí)枴緾N201410540824
【發(fā)明人】劉鑫
【申請人】威海拓達(dá)高科船舶科技有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月14日