基于Simulink与Stateflow的船舶避碰决策支持系统仿真

1、基于simulink与stateflow的船舶避碰决策支持系统仿真第19卷第12期20o7年6月系统仿真journalofsystemsimulation,b 1.19nol2基于simulink与stateflow的船舶避碰决策支持系统仿真姚杰,倪秀晖，陈超(1大连水产学院，辽宁大连116023:2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001)摘要:在simulink仿真环境下构建了一个自动避碰系统模型，模型111的避碰方案是 以实际海员避碰行为为原型设计的，其避碰行动指标是在参考避碰行动统计研究后设定，并且 符合国际海上避碰规则.此自动避碰系统模型是以层次化模块图的方式构建,模块

2、化的设计使其灵 活性较强，里面的避碰指标参数,船舶控制算法，船舶数学模型都可以根据需要进行调整和修改, 并且在参数改变后可以立即在可视化模块中现察避碰结杲.关键词:船舶避碰;决策支持系统;仿真;simulink/stateflow屮图分类号:tp391.9文献标识码:a文章编号:1004731x(2007)12276804buildinganti-collisiondecision-makingsupportingsystemwithsimulinkandstateflowojie.nixiuhui.chenchao(1 .dalianfisheriesuniversity,dalian 11

3、6023,china;2institutionofoceanographicinstrumentation,shandongacademyofsciences,qingdao266001,china)abstract: ananti?collisiondecision?makingsupportingsystemsimulationmodelwasde velopedwithsimulinkand stateflowunderthematlabenvironment.thecollisionavoidancepianwasdesignedbasedo ntheactualbehaviorofs

4、eamen. theindexesofcollisionavoidanceactionweresetreferrin stostatisticalstudyofseamen'sbehaviorandwi ill referenceto thelnternationalregulationsforpreventingcollisionatsea.itshoumbenoticedthatthemod ezisahierarchymodularized structure themodularizeddesignmakesitflexibleandeasytoadjustitsparamet

5、ersofcollisi onavoidance,control algorithm,andmathematicmodelwhennecessaryjnaddition.someconcepts #uchasfinite statereactivesystemandcontrol strategydesignvalidationarehelpfultotheauto一collisionavoidingsystemmaking. keywords: vesselcollisionavoidance;decisionmakingsupportingsystem;simulation;simulin

6、k/stateflow 引言 关于船舶避碰的研究已经冇很长的历史,早在五，六十 年代，西方一些发达的航海国家就开始了运用避碰几何的方 法研究船舶避碰，提出了很多非常重要的概念，如dcpa, tcpa,船舶领域等.八十年代以后,随着计算机技术的飞 速发展，许多国家在口动避碰决策系统领域进行了大量的研 究，船舶避碰自动化的研究进入了一个新的阶段imazu和 koyama(1984)推导出船只碰撞概率,koyama和yan(1987) 将专家系统应用于避碰决策，日本东京商船大学的 hasegawa(1987)通过模糊推理方法得到碰撞危险度并结 合koyama的专家系统开发出船舶口动导航模糊专家系统，

7、 英国利物浦理工大学【2jlee和rhee(1993)根据imazu的算 法和hasegawa的方法开发了避碰系统.随后，德国，美国 和英国先后推出各自研制的专家系统.我国从七十年代末开 始，许多科研院所开展了避碰专家系统的研究工作，并取得 了一系列成果j.收稿日期 1200605.09 冋日期 1200607703基金项目:渔船海上安全对策研究项目(2004f001)作者简介i囊i杰(1964男，辽宁省朝阳县人，硕士，教授，研究方向为 海上交通安全，航海技术;倪秀晖(1981 -),男，浙江瑞安人，硕士，研究 方向:海上交通信息工程与控制;陈超(1980),男，河南安阳人，博士生, 研究方向

8、为避碰专家系统,gps导航,惯性导航等.然而可靠性高的船舶口动避碰系统的开发仍然难度颇大，其主要原因是基丁专家系统的各种研究的基本思路都是 先建立知识库，在获取相遇船和木船的会遇态势和运动要素 后，通过查询知识库(或经推理机学习)得到避碰方案，其 屮知识库是其核心,而口前开发的一些系统，基木都存在知 识库不完善的问题.本文作者在跟踪，分析国内外在船舶避碰研究的最新成 杲，考察各种数学模型和经验式避碰手段(experiential avoidingbumpmethod)的基础匕开展了船舶自动避碰决 策支持系统的仿真设计工作这个基于经验式的自动避碰决 策支持系统是以避碰决策定性定量化为核心的，可以

9、作为上 述专家避碰系统的辅助.1口动避碰决策支持系统仿真船舶避碰研究一般分为:经验避碰方案研究，数学模型研究,arpa避碰,避碰专家系统，智能避碰决策支持系统 这儿个部分.本文的船舶避碰控制仿真实质是在现冇船舶数学模型研究成果基础上,一个结合了经验避碰方案的智能避碰决策 支持系统模型中的避碰方案是以实际海员避碰行为为原型 设计的，其避碰行动指标是在参考避碰行动统计研究后设 定,同时其避让行动符合国际海上避碰规则.2768?第19卷第12期!兰!望杰，等:基于simulink与stateflow的船舶避碰决策1支持系j统仿真.j j71模型的实现及其基本结构优良算法和逻辑的结合可以使个完善的避碰

10、决策支持系统成为可能.因此,simulink实现的算法行为和 stateflow 7实现的控制行为相结合，可能是避碰系统的一个 较好的解决方案,以此思想构建的船舶口动避碰系统仿真模 型如图1所示：图1船舶口动避碰决策支持系统仿真模型模型有7个模块组成，代表目标船的模块1和代表本船 的模块2向模块5输出船只的相关信息，由模块5进行包括 数据预处理，坐标转换,相对运动参数，避碰指标等各种运 算模块6获取模块5处理过的信息，决定系统工作于正常 航行模式述是避让航行模式，最后由模块7控制木船的航 行，仿真系统以这种方式实现了船舶的口动避碰.模块3和4是数据显示模块，通过近二十个数值显示， 监视船舶航行

11、和避碰过程中的各参数变化，数据显示见图2.1.2三个主要的功能性模块系统模型是以层次化模块图的方式构建,主要由三个子 系统组成，即船舶运动数学模型,i:常航行/避让行动，航 行状态控制系统.121船舶运动数学模型船舶运动仿真所采用船舶数学模型是"marinerclass cargoship”i4j,这是一个二阶响应模型表1歹!j出了此船舶数学模型的一些参数和操纵性资料. 图2 口动避碰仿真系统中的参数显示表1船舶参数及操纵性壹科1.2.2自动航行，避让航行子系统在控制决策系统（模块5,6协同实现）的控制下，实现正常航行和避让航行的转换.当系统工作于止常航行模式时，本船将口动驶向用户设

12、定的航路点，并在偏移航线时自动以较平稳的方式恢复到原 航线.航向保持功能由pid控制实现,航迹保持由比例控制 实现.自动航行系统自动进行船舶位置与预定航线的对比， 将偏差输入船舶模烈以控制船舶航向.当系统工作在避让航行模式时，船舶模型将在避让行动推理子系统（模块5中）所产生的航向命令的控制下进行规避航行.1.2.3航行状态控制子系统航行状态控制子系统是一个事件駆动（逻辑）系统，系统的工作状态会随着某些特定条件的满足与否而发生转换，以实现决策控制（图3）.船舶避碰的避碰过程口j分成两个主要的运动状态:正常航行和规避航行正常航行是指船舶在没有威胁口标的情况 下驶向目的航路点的状态，其中包描让请它船

13、后的复航状 态;规避航行是指船舶在冇威胁目标的情况下所做岀的航行 状态，其中包括作为直航船时的保向保速状态和作为让路船 /,nennavtfgnaatiov n= a11 imr-sdlale.j正常导航模块避碰决策模块?nnogaton-l.,crh.,t r1 emergency,backcourse b,r,.o:蕾,/图3避碰决策支持系统屮的stateflow图72769?第j9卷第12期2007年6月系统仿真vbi.19n 02jun.2oo7时的避让航行状态.仿真开始后，止常航行状态被默认激活，船舶处于口动航行系统的控制下驶向0的地;当满足特定条件,譬如与h 标船的距离持续变小或是

14、dcpa小于阈值吋,就发生从正常 航行状态到避让航行状态的状态转换,随即避让航行状态被 激活;当避让航行状态中的了状态”改向“被激活时，船舶 就执行改向避让操纵通过考察会遇局势，有限状态机会判 断系统进入各种避让操纵状态.2船舶经验式避碰机理船舶避碰决策机制作为自动避碰系统的软件部分，它应 当具有准确判断会遇态势的能力,并在此基础上，推导出恰 当的采取行动时机,方式及其幅度自动避碰方案要求不仅 能模仿大多数船员做法，而且在避让吋机，幅度以及预测避 碰结束时机的把握上比专家更准确.目前已经许多理论方法被用丁避碰决策,但从现时的避 碰研究看,要从纯数学角度上得到一个可靠的解决方案还是 不太容易经过

15、多次对各种方法的试探性仿真运行后，发现 基于海员避碰行动统计研究的经验方法较为实用此经验式 避碰机理如下：2船舶领域船舶领域和类似于空中交通报警系统(atc)的机制可 以作为采取避让行动时机的判据当它船已侵犯本船船舶领 域或将要侵犯木船船舶领域，应采取避碰行动.所用船舶领域模型采用goodwin船舶领域模型并用环 境因子进行加成改进(图4),加成方法为公式1:尺八()：忌岛 x 尺()，:secmr(b,0(l)(其中r为船舶领域的半径丄2,3,分别为航行水 域因子，通航密度因子，天气和能见度因子，船舶因子) 图4避碰决策支持系统中使用的船舶领域模型 船员在操船航行屮,并不是直到来船侵犯入领威

16、后才开 始避让，而是在判断來船到达木船领域边界的时间，提前做 出反应空中交通控制理论提供了一个冇用的根据,即测定 口标距离与距离变化率的比值，并与一个吋间标准相比较， 如果时问小于标准时间就采取行动船舶避碰时机决策也可 借鉴这种方法，行动与否的判断方法为公式2:丁>二竺！d（式中d为两船z间的距离,为距离变化率为时间闽值,本模型中选为6niin）2.2避让行动和复航转向行动往往是海上最容易和最有效的避让方法，仿真 模型屮采用转向结合旋回进行避碰避让方式分别是左转, 右转，左旋回,右旋回（图5）.ii,/j/111/j，a，嘲/；，ii慨奉件】删强?-8d_图5自动避碰系统中的船舶

17、避讣操纵方法示惹图 在参考了大量统计研究和避碰操纵图如hollingdale;k.d.jone;calvert-holling等避碰操纵图，最后初步形成了 个适合本系统使用的避碰操纵图，见图6,用以决定避让 行动吋的避让幅度.此避碰操纵图根据船速比分成三档，对 各舷角来船有设定的改向角，在模型使用中可以不断修正改 向角以分析避让效果.圈6 |訂动避碰系统中的避让操纵图系统在正常避碰状态下，将根据船速比和來船舷角获得 改向角，并传递到船舶运动模型以控制船舶运动.何时复航有多利选择，比如在来船驶过最近会遇点后复?2770?第19卷第12期!姚杰,等:基于simulink与stateflow的船舶避

18、碰决策支持系统仿真 航;在来船驶过过本船船首线后复航;或者在来船驶过本船 正横线复航等等.两船距离变小就意味着危险程度的增加,这是显然的； 进一步说,两船距离变大在定程度上也就意味着危险的解 除，为简化模型考虑，在此将两船距离变大的时刻定为复航 的时间基准.3仿真结果及讨论此船舶口动避碰仿真系统在一般情况卜能对船舶避碰 做出正确的指导并控制船舶规避威胁目标，其对避让时机和 避让幅度的把握较人为操船更为准确.本部分展示儿种典型会遇局势下的避让仿真结果系统 以1hz的频率监视来船并进行动态参数计算和避碰控制.3对遇局面图7表示一个典型的两船会遇局面，以实心圆点表示的 木船在笛卡尔坐标的原点，以15

19、节的速度向正北方向运动， 以小菱形表示的来船也以15节的速度由北向南航行，两船 构成明显的对遇局面.图7对遇仿真场景（目标船保向保速）图屮每隔2分钟显示船位，在系统决策控制下，船舶开 始避让的行动距离为3.8海里,避让转向角为24度，两船 最近驶过距离为0.85海里，横向偏移为0.8海里.这一避碰行动按照国际避碰规则采取了右转避让措施， 在沿海，航行密度稍高的条件下，避碰行动指标基本符合统 计研究，跟实际船员采取避碰行动非常相似,避让行动是符 合要求的.3.2交叉相遇局而图8表示一个两船交叉会遇局面.本船在笛卡尔坐标的 原点以15节的速度向正北方向运动,來船以20节的速度从 东北向西南航行，两

20、船构成交叉局面初始dcpa为0.2海里. 在决策控制下，本船航行4分半钟后避让来船,在约第13分钟复航，直金达到目的地,避让转向角为36,两船驶 过最近距离为0.97海里.3.3交叉直航和紧急避让局面国际海上避碰规则规定船舶在避让吋有让路船和直航 船之分，即让路船担负着避让的责任,而直航船则有维持原 图8交叉仿真局而（目标船保向保速）來航行状态的权利这使得避让责任明确化,有助于消除避 让的不协调但是直航船也不仅仅是维持原來航行状态那么 简单，在危险情况下,其也有避让的义务.图9左表示一个两船交叉会遇局面，本船300001以15 节的速度向一 200012000运动,来船以15节的速度从_500

21、0 5000至90005000从西向东航行运动,两船构成交叉局面， 初始dcpa为.0.2海里.他船从我船左舷向本船驶來，因此 木船是直航船.在决策控制下，本船行为如下:由于目标船在驶进后主 动采取了避让措施，所以木船采取直航态势,保向保速至目 的地两船最近错过距离为1.2海里.图9右为同样是态势下，他船应该主动避让却未采取主动避让行动，而直接将本船陷入紧迫局面.图9交叉直航和紧急避让局而在系统决策控制卜，本船采取如卜行动:在他船在接近初时采取直航态势，至接近到1.2海里，离进入本船领域只有2分钟吋，述未见他船采取避让行动，故紧急采取旋回避让以解除紧迫危险局面两船最近错过距离为0.5海里.这两

22、种不同的情况，系统能加以判别，并做出合理的反应，可以体现系统的智能性.通过仿真实例对的几个典型会遇场景的试验，口j见系统对各会遇场景下木船的避让措施都做出了合理的判断，参数计算模块，航行状态判断模块都工作良好，避碰行动符合要 求的并体现了系统一定的智能程度.其它各种会遇态势包括追越情况卜，决策系统都良好的 把握避碰时机，控制避让角度规避冇威胁目标.?2771?（下转第2775页）第19卷第12期2007年6月李钢，等:基于冇限自动机的模式匹配算法及其应用研究,01.19no.l2 能导致不合格詁的出现;越界界常模式的出现，表明生产设备异常，可直接导致不合格品的出现;周期变化杲常模式表明设备性能

23、或加工工艺在时序上出现异常波动，可能导致大量不合格品的出现;向上趋势或向卜趋势异常模式的出现， 表明过程能力的衰退，要及时对生产过程进行修正.在实施spc的在线检测系统屮,采样频率对判界结果 有较大影响频率过高,系统过于敏感，导致不必要的调整 加工工艺;频率过低，可能出现漏报等现象.这些，都涉及 到常规控制图的第1类错误，第ii类错误的问题为了尽量 避免这两类错误的发牛，在试牛产阶段或工艺调整阶段，采 样频率应当高点;工序能力趋于稳定时，采样频率应当低点.在线监控时，采样频率受数据处理时间的限制，数据处 理时间越短采样频率可选范围越大上述异常模式匹配算法 针对当前采样数据进行异常模式匹配时间复

24、杂度显然为(n为 要匹配的异常模式个数),在低性能的处理器上也能在ms 级完成匹配.由于模式的确定性和有限性，判异动作具有很 高的时效性，因此在实际应用屮可很好地满足实时生要求. 在分析控制图中的异常模式时，可以在控制图显示区域 单击鼠标右键，在快捷菜单中点击”匹配判异模式,智能判 断”选项,即可调用控制图类屮的模式匹配类的对象方法进 行在线的判异，并标出异常点，如图3所示.dfa匹配的数学准则,并针对spc体系屮的控制图八种异 常模式匹配问题，给出性能优化算法，在质量控制系统中得 到很好的应用实践证明，这种匹配算法的计算复杂度低， 快速准确，完全能满足实际需要.参考文献：1 leungd,r

25、omagnolij.dynamicprobabilisticmodelbasedexpert sysvemforfaultdiagnosis【jcomputersandchemicalengineering (s00981354).2000.24(111:24732492.2 rengaswamyr,hagglundvenkatasubramanianva.qualimtive shapeanalysisformalismformonitoringcontrolloopperformancefj. engineeringapplicationsofartificialintelligence(

26、s0952一1976).2001, 14(11:2333.3 wanima5phamdefficientconsulchartpauemrecognition throughsynergisticanddistributedartificialneuralnetworks ji. proceedingsoftheinstitutionofmechanicalengineers(s 1464-4207).1999,213:1571694 ljwyueh, valle一cervantess,qins.recursivepcaforadaptive processmonitoring【j1 .journalofprocesscontrol(s0959一1524). 2000,10(5):471486.5 uohnstonlpm,kramerm a.probabilitydensityestimationusing ellipticalbasisfunctionsj 1 .americanlnstituteofchemicalengineers journal(s00011541).1994,40(10):16391649.6venkatasubramanianraghunathanrengaswamy,suryankavuri et.al .ar