船舶避碰数学模型的仿真

摘  要
论文对船舶避碰领域的基础知识和几个重要的概念进行概述，重点研究船舶转向避碰数学模型和船舶变速避碰数学模型的建立及其对避碰数学模型的仿真。
首先，在船舶自动识别系统(AIS)所能提供的准确目标船信息的基础上，研究本船相对于目标船的运动，定义DCPA的大小和符号，推导出船舶避碰数学模型。从数学模型出发，得出避碰行动曲线图和航向(速)改变率随相对距离的变化曲线，给出确定船舶最佳避让行动与时机。避让时机用到目标船的距离来表示，避让行动用船舶改变航向或速度的大小来表示。并且明确最佳避让行动时机不是某个点，而是一个时间段。
在文章的最后部分，以本船作为让路船，给出了开阔水域、能见度良好情况下的海上两船交*相遇和对遇局面的仿直实验，实验结果表明设计能够实时、动态地描述船舶避碰的整个过程，并证明该模型的有效性和实用性。

关键词：船舶避碰；避碰时机与行动；

Abstract
In this thesis,we study the base knowledge and several important definition in ship collision avoidance, besides we emphasize the establishment of the mathematic model of changing speed or angle collision avoidance formula and the imitation of the mathematic model of ship collision avoidance .
First of all,based on the aid of AIS (Automatic Identification System), which can give us the target ship's accurate data,we study own ship's relative motion to target vessels,define DCPA and its sign, give mathematic model of collision avoidance.Based on ship’s mathematic model of collision avoidance,we produce the optimal opportunity and action taken of collision avoidance,and obtain a graph of action-taking and a curve of the change of the course (or the speed) . The optimal opportunity is simply expressed by distance to target vessel. The optimal action taken is given by the values of the alteration of course or speed. The optimal opportunity of collision avoidance is not as a point but as a period of time.
At the end of this thesis,the original ship being as a giving-way ship , a set of simulative imitation of two ships ‘s collision avoidance in crossing situations and head-on situations in the widen water area and better visibility .The set of simulation imitation results prove that the design can describe the whole process of the two ship’s   collision avoidance instantly and variously .Moreover ,the results also illustrate the validity and practicability of this model.

Key words: Ship collision avoidance;The opportunity and action taking of collision avoidance

               目  录
第1章 绪论 1
1.1 课题选取的背景 1
1.2国际海上避碰规则的发展简况 2
1.3船舶避碰研究的现状和发展趋势 4
1.4本论文的研究内容 5
第2章 船舶避碰数学模型 6
2.1 船舶避碰基础知识 6
2.2船舶自动识别系统(AIS) 11
2.3船舶避碰数学模型 14
2.3.1船舶转向避让数学模型 14
2.3.2船舶变速避碰数学模型 15
2.3.3船舶避碰其它数学模型简介 16
2.4船舶最佳避让时机与行动 17
2.4.1船舶最佳避让时机与行动的研究现状 17
2.4.2船舶转向避让行动与时机 19
2.4.3舶变速避让行动与时机 22
2.5本章小结 26
第3章 船舶避碰数学模型的仿真设计 28
3.1 总体设计 28
3.1.1 设计的目的 28
3.1.2 设计的主要内容 28
3.1.3 设计的总体结构 29
3.2船舶转向避碰仿真模块设计 31
3.2.1船舶转向避碰决策的过程 31
3.2.2船舶转向避碰模块的结构 32
3.3船舶变速避碰仿真模块设计 33
3.3.1船舶变速避碰决策的过程 33
3.3.2船舶变速避碰模块的结构 33
3.4公共SUB过程设计 35
3.5调试过程 36
3.6仿真实例 37
3.7 本章小结 53
结论 54
参考文献 55
致谢 56
附录 程序代码 57
 
第1章 绪论
1.1 课题选取的背景
预防船舶间发生碰撞事故，是保证船舶安全航行的重要环节，是驾驶人员在航行值班中的首要职责。
航行中的船舶经常会出现与它船会遇的情况，尤其是在沿海、狭水道、渔区、邻近港口或航线交*点等水域，船舶间的相遇更为频繁，发生碰撞的可能性也就更大。船舶一旦发生碰撞事故，轻者造成财产损失，重者将导致巨大的财产损失和人员伤亡，甚至船毁人亡。资料查询表明，1983-1992年，因全损海难事故造成的死亡人数，每年平均约为1000人，其中由于碰撞导致的死亡人数，每年平均为418人，某些船舶碰撞事故所造成的对环境的破坏更是令人触目惊心。这类碰撞事故不仅造成了巨大的财产损失和人员伤亡，同时由于碰撞事故所带来的对环境的破坏更是用金钱所无法衡量的，而且这种对环境的破坏所波及的范围大、持续时间长，有些破坏甚至是不可修复的。
随着船舶数量的逐年增加，每年发生的船舶碰撞事故也日益增多。据不完全统计，世界上100总吨以上的船舶总数，由1948年的29340艘增加到1975年的63724艘，在这17年中，发生碰撞的总数达两千余次，在这些碰撞事故中，就船舶相遇的格局而言，72%是发生在对遇或大碰角交*的情况下；9%是发生在正交的情况下；9%是发生在追越的情况下。就气象因素而言，约有70%的碰撞事故是在能见度少于1海里时发生的。
造成船舶发生碰撞事故的原因是错综复杂的，但通过对船舶碰撞事故的统计与分析，造成碰撞事故发生的原因主要有以下几点：