1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1研究背景
自主船舶是继航运业快速发展船舶自动化、高速化、专业化后新的发展趋势。与此同时，船舶密度与日俱增，水上交通环境比路上交通环境更为复杂，船舶碰撞也因此时有发生，一旦发生事故，可能会带来严峻的生命财产损失和环境污染。
即使随着船舶自动识别系统(AutomaticIdentification System , AIS)、自动雷达标绘仪(Automatic Radar Plotting Aid ,ARPA)、电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System , ECDIS）等避碰辅助系统[1]的应用，船舶碰撞事故仍时有发生，造成重大经济损失和人员伤亡，其中我国2007—2013年辽宁水域碰撞事故概率约占45%，2007—2013年宁波水域碰撞事故概率约占58%[2]，如图1、图2。相关研究已表明，在船舶碰撞事故中，75%-96%的水上交通事故可归人为因素[3]。
图1辽宁水域水上交通事故数据统计 图2宁波水域水上交通事故数据统计
国内外许多专家学者对船舶碰撞风险进行大量的科学研究，Thieme等[4]汇总整理了自2005年以来近13年的64种评估模型，对这些模型进行了更仔细的研究。他认为这些风险评估模型可以做作为自主船舶风险评估模型开发的基础，还需要考虑人机交互等方面，不适合直接评估。Huang等[5]指出了人与无人船研究之间的差异，以及这两个领域的研究如何相互学习，提供了从现有人驾驶过渡到无人驾驶的潜在路线图。Rong[6]等基于密度的噪声应用空间聚类(Density-Based Spatial Clustering ofApplications with Noise, DBSCAN)算法建立了一种海上交通监控多船碰撞风险的实时评价分析框架。在文章中，他首先利用DBSCAN算法对研究水域的会遇船舶进行聚类，并过滤掉相对安全的船舶；然后计算DCPA与TCPA的数值，运用船舶动力学模型确定船舶碰撞风险指数。我国12月15日，国内自主研发的首艘具备自主航行功能的 “筋斗云0号” 货船首航仪式在珠海东澳岛举行，驶向港珠澳大桥1号码头，成功完成首次自主货船货物运载[7]。范存龙等[8]针对识别海上自主水面船舶的4个航行阶段和4类风险构建了VBPO-HSET航行风险识别模型，从四类因素中分析得出，风险因素主要集中在基站操作、软件工程上的人为因素。郭建群等[9]通过A*算法和人工势场法进行混合运算，通过MATLAB仿真验证，可针对某一复杂水域建立更为真实的环境模型，运用在路径规划中，使得路径更优、效率更高。杨荣武等[10]基于快速扩展随机数算法，通过耦合多约束条件，以保证规划路径的可行性，为后续船舶自主避碰研究具有重要意义。Wu等[11]通过模糊逻辑算法，构建并分析船桥碰撞情景，并对通过港珠澳大桥船舶为例，进行风险验证，能够很好实现船撞桥的安全预警。随着人工智能、大数据快速发展，通过提高船舶避碰的智能化、减少人为因素的干扰，将是未来自主船舶避免碰撞的重点发展方向。
1.2研究目的及意义
船舶自主避碰是国内外航海届研究的重点问题。本文研究目的是提出适用于开阔水域自主船舶协同避碰的数学模型和研究方法，并建立仿真系统验证。“协同”通过建立上层控制器、决策系统、模拟仿真，从而实现最小的行动代价获取最优的整体效果。将船舶信息统一传递至上层控制器，基于模糊逻辑计算船舶之间碰撞危险度(Collision Risk Index，CRI)，根据危险度值大小对决策系统下达改变本船（OS）和目标船（TS）的舵角和螺旋桨转速，再通过风流作用下，船舶运动的模拟仿真获取新的船舶信息，上传回上层控制器，重新计算两船危险度，最终获取行动代价最小的危险度，并将下达决策通知本船和目标船，从而避免船舶之间发生碰撞事故。
船舶避碰决策方法比较：
| 方法 | 描述 | 优点 | 缺点 | 是否 协同 |
| 多种群的遗传算法（GA） | 以船舶的航线偏离度和船舶的安全性为适应度函数 | 设定精华种群，在精华种群中，每个个体均不参加遗传操作 | 进行编码时容易出现不规范不准确的问题 | 是 |
| 模糊逻辑算法 | 多方面考虑船舶状况、碰撞情景、天气状况、气象条件、自然环 境等 | 所需定量数据信息较少、 | 不能为决策提供新方案层次分析法的作用是从备选方案中选择较优者 | 否 |
| 蚁群算法 | 蚁群的集体觅食行为的研究，模拟真实的蚁群协作过程。 | 在求解性能上，具有很强的鲁棒性和搜索较好解的能力。 | 基本蚁群算法计算量大，求解所需时间较长。 | 是 |
| 粒子群算法 | 起源于鸟类的觅食行为，寻找食物最近 | 具有相当快的逼近最优解的速度，可以有效的对系统的参数进行优化。 | 产生早熟收敛（尤其是在处理复杂的多峰搜索问题中）、局部寻优能力较差。 | 是 |
船舶协同避碰方法研究主要为了解决以下问题：
（1）船舶之间信息统一管理，并根据船舶之间的危险度和一定的COLREGS合理进行避让决策，在不同水域环境，选择最适合的协同方式，即路径规划。
（2）船舶之间有效避开其他船舶保存合适的距离，安全、高效航行，即船舶避碰；
本文拟以水面自主船协同碰撞风险建模及避碰决策方法为研究核心。减少人为因素的干扰，船舶避碰过程中多通过自动化协同，避免因人为沟通发生互斥，从而错失最佳的避让时间。重点解决宏观维度内水面自主船舶协同碰撞风险建模中主观知识和客观数据融合方法、微观维度内的信息交互、碰撞风险评价模型、避碰决策系统等问题。为减少自主船舶碰撞事故、减少船舶避让的时间和距离、降低船舶运营成本提高理论方法与技术支撑，对于提高船舶自主协同避碰具有十分重要的科学和现实意义。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究拟采用的技术路线
具体来说，本项目将采用调查与研究并重、理论与实践结合的方式，运用模糊逻辑综合评价、数学建模与仿真等理论，采用粒子群优化等技术与方法，开展基于模糊逻辑综合评价的水面自主船协同避碰风险评价方法研究、基于风流作用下的水面自主协同避碰风险建模方法研究、基于粒子群分析的水面自主船协同避碰决策方法研究，拟采用的总体技术路线如图5所示。
3. 研究计划与安排
（1）2020年3月10日-3月31日：查阅国内外相关文献，撰写选题报告、外文翻译；
（2）2020年4月01日-4月15日：学习模糊逻辑数学理论及风险理论，建立水面自主协同系统模糊逻辑cri模型；
（3）2020年4月16日-4月30日：查找相关文献学习粒子群优化算法相关理论，建立避碰决策系统平台；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]刘禹煜. 基于改进遗传算法的船舶避碰辅助决策系统的研究与实现[d].武汉理工大学,2018.
[2]牛佳伟,李连博,陈昌源,孙海洋,乔林.加权灰色理论在海损事故分析与预测中的应用[j].中国航海,2016,39(03):63-67.
[3]范诗琪,严新平,张金奋,张笛.水上交通事故中人为因素研究综述[j].交通信息与安全,2017,35(02):1-8.
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