基于社会情感优化算法的船舶转向避碰决策
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ．Ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒ ｉｓｋ ｏｆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａ ｎｄ ｅｘｔｒａ ｓａｉｌｉｎｇ ｄｉｓｔａ ｎｃｅ．Ｔｈｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｍｏｔｉｏｎａ ｌ ｉｎｄｅｘ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＳＥＯＡ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｉｎｇ ａｉｄ．
文 献 ［１］应 用 人 工 鱼 群 算 法 ，主要 研 究 单 船 会 遇 的 ３种局 势 （互 见 中的 追 越 、对 遇 、交 叉 相 遇 ）下 的最优 避碰 路径 问题 ，属 于非 多船会 遇 的避 碰决 策 。 文献［２］应用蚁群算法 ，针对 多船会遇 ，重点考虑最 危 险船 舶 的单 船会 遇 情况 ，研 究 ３种局 势下 避 碰 路 径问题 。文献［３］基于蚁群算法在避碰决 船 舶 会 遇 局 势 。文
然 而 ，传统 的群 智 能 优化 算 法 大 多模 拟动 物 群 体 的社会 行 为 ，由于 这 些算 法模 拟 的动 物 群 体 只 具 有较 低 的智 能 ，个 体难 以进行有 效 的决 策 ，所 以这些 算法 易 陷 人 局 部 极 值 点 Ｊ。人 类 是 一 个 具 有 高 智 能行 为 的群 体 ，社 会 情 感 优 化 算 法 （Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏ． ｔｉｏｎａ ｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ，ＳＥＯＡ）能 够 模 拟 具 有
（大连 海事 大学 航 海学 院 ，辽 宁 大连 １１６０２６）
摘 要 ：针对多船会遇时转 向避碰决策 的难题 ，提 出一种运 用社 会情感优化算法 （Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉ０ｎ Ｍｇｏ— ｒｉｔｈｍ，ＳＥＯＡ）求取最 佳转 向避碰幅度的决策方法 。基 于国际海上 避碰 规则 和 良好船 艺对转 向行 动 的要 求 ，分别对 互见 和不 在互 见两种情况 ，建立船舶转 向避 碰行动矩 阵，根据 目标船 的相对 方位 和船舶 类型确 定转 向避碰 的行动 向量 ，限定问题 的求解空 间。将船舶碰撞危 险度 和航 程损失作为 目标 函数 ，在个体 情绪值控 制下迭代进 化 ，求取全 局范 围内的最优转 向避 碰幅度 。仿真结果表明 ，将社 会情 感优化 算法 用于船舶 转 向避 碰决 策是 可行且 有效 的 ，能 为船舶驾驶人 员的决策提供支持。 关键 词 ：水路运输 ；社会情 感优化算法 ；多船会 遇 ；转 向；避碰决策 中 图分 类 号 ：Ｕ６７５．９６ 文 献标 志码 ：Ａ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｗａｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ＳＥＯＡ；ｍｕｌｔｉ—ｓｈｉｐ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ；ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇ ｉｎｇ；ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
多船会 遇在 海 上 实 践 中属 于 复 杂 的 会 遇 局 势 ， 船舶避碰决策是智 能避碰技术研究 的关键 。为此 ， 研究 者 尝试将 群 智能 优化 算法应 用 于船 舶避 碰决 策 中 ，并取 得 了一定 的研 究成 果 。
第 ４１卷 第 ３期 ２０１８年 ９月
文 章 编 号 ：１０００—４６５３（２０１８）０３—００８１—０６
中 国 航 海
ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ ＯＦ ＣＨ ＩＮＡ
Ｖｏ１．４ｌ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ． ２０１８
基 于 社 会 情 感 优 化 算 法 的 船 舶 转 向避 碰 决 策
于家根 ， 刘正江 ， １、仁祥 ， 李伟峰 ， 高孝 日
Ｃｏｕｒｓｅ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍ ｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ＹＵ Ｊｉａｇｅｎ， ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇｆｉａｎｇ， ＢＵ Ｒｅｎｘｉａｎｇ． ＬＩ Ｗｅｉｆｅｎｇ， ＧＡＯ Ｘｉａｏｒｉ （Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａ ｌｉａｎ Ｍａｒ ｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａ ｌｉａｎ １ １６０２６，Ｃｈｉｎａ）
献 ［４］应用粒子群算法 ，重点研究多船会 遇的转 向 避碰决策 ，将 问题 的可行解空 间取 为 ［１０，１８０］，却 未考 虑大 幅度 避碰 要求 和某 些局 势 下可 能左 转避 碰 的情况。文献 ［５］基于粒子 群算 法 ，侧重研究无人 艇 的避 障 问题 ，仅 考虑 规则 中的 ３种 局势 。
ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｓｅａｍ ａｎｓｈｉｐ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｃｅｓ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆ ｏｒ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｓｉｇｈｔ ｏｆ ｏｎｅ ａｎｏｔｈｅｒ ａｎｄ ｎｏｔ ｉｎ ｓｉｇｈｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈ ｅ ａｃｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｆｉｎｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｐａｃｅｓ，ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔａｒｇｅｔ ｓｈｉｐ ｔｙｐｅｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ （ＳＥＯＡ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｈｉｐ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｆ ｏｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ａｔ Ｓｅａ（ＣＯＬＲＥＧｓ）
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｍｏｔｉｏｎａ ｌ ｉｎｄｅｘ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＳＥＯＡ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｉｎｇ ａｉｄ．
文 献 ［１］应 用 人 工 鱼 群 算 法 ，主要 研 究 单 船 会 遇 的 ３种局 势 （互 见 中的 追 越 、对 遇 、交 叉 相 遇 ）下 的最优 避碰 路径 问题 ，属 于非 多船会 遇 的避 碰决 策 。 文献［２］应用蚁群算法 ，针对 多船会遇 ，重点考虑最 危 险船 舶 的单 船会 遇 情况 ，研 究 ３种局 势下 避 碰 路 径问题 。文献［３］基于蚁群算法在避碰决 船 舶 会 遇 局 势 。文
然 而 ，传统 的群 智 能 优化 算 法 大 多模 拟动 物 群 体 的社会 行 为 ，由于 这 些算 法模 拟 的动 物 群 体 只 具 有较 低 的智 能 ，个 体难 以进行有 效 的决 策 ，所 以这些 算法 易 陷 人 局 部 极 值 点 Ｊ。人 类 是 一 个 具 有 高 智 能行 为 的群 体 ，社 会 情 感 优 化 算 法 （Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏ． ｔｉｏｎａ ｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ，ＳＥＯＡ）能 够 模 拟 具 有
（大连 海事 大学 航 海学 院 ，辽 宁 大连 １１６０２６）
摘 要 ：针对多船会遇时转 向避碰决策 的难题 ，提 出一种运 用社 会情感优化算法 （Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉ０ｎ Ｍｇｏ— ｒｉｔｈｍ，ＳＥＯＡ）求取最 佳转 向避碰幅度的决策方法 。基 于国际海上 避碰 规则 和 良好船 艺对转 向行 动 的要 求 ，分别对 互见 和不 在互 见两种情况 ，建立船舶转 向避 碰行动矩 阵，根据 目标船 的相对 方位 和船舶 类型确 定转 向避碰 的行动 向量 ，限定问题 的求解空 间。将船舶碰撞危 险度 和航 程损失作为 目标 函数 ，在个体 情绪值控 制下迭代进 化 ，求取全 局范 围内的最优转 向避 碰幅度 。仿真结果表明 ，将社 会情 感优化 算法 用于船舶 转 向避 碰决 策是 可行且 有效 的 ，能 为船舶驾驶人 员的决策提供支持。 关键 词 ：水路运输 ；社会情 感优化算法 ；多船会 遇 ；转 向；避碰决策 中 图分 类 号 ：Ｕ６７５．９６ 文 献标 志码 ：Ａ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｗａｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ＳＥＯＡ；ｍｕｌｔｉ—ｓｈｉｐ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ；ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇ ｉｎｇ；ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
多船会 遇在 海 上 实 践 中属 于 复 杂 的 会 遇 局 势 ， 船舶避碰决策是智 能避碰技术研究 的关键 。为此 ， 研究 者 尝试将 群 智能 优化 算法应 用 于船 舶避 碰决 策 中 ，并取 得 了一定 的研 究成 果 。
第 ４１卷 第 ３期 ２０１８年 ９月
文 章 编 号 ：１０００—４６５３（２０１８）０３—００８１—０６
中 国 航 海
ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ ＯＦ ＣＨ ＩＮＡ
Ｖｏ１．４ｌ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ． ２０１８
基 于 社 会 情 感 优 化 算 法 的 船 舶 转 向避 碰 决 策
于家根 ， 刘正江 ， １、仁祥 ， 李伟峰 ， 高孝 日
Ｃｏｕｒｓｅ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍ ｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ＹＵ Ｊｉａｇｅｎ， ＬＩＵ Ｚｈｅｎｇｆｉａｎｇ， ＢＵ Ｒｅｎｘｉａｎｇ． ＬＩ Ｗｅｉｆｅｎｇ， ＧＡＯ Ｘｉａｏｒｉ （Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａ ｌｉａｎ Ｍａｒ ｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａ ｌｉａｎ １ １６０２６，Ｃｈｉｎａ）
献 ［４］应用粒子群算法 ，重点研究多船会 遇的转 向 避碰决策 ，将 问题 的可行解空 间取 为 ［１０，１８０］，却 未考 虑大 幅度 避碰 要求 和某 些局 势 下可 能左 转避 碰 的情况。文献 ［５］基于粒子 群算 法 ，侧重研究无人 艇 的避 障 问题 ，仅 考虑 规则 中的 ３种 局势 。
ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｓｅａｍ ａｎｓｈｉｐ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｃｅｓ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆ ｏｒ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｓｉｇｈｔ ｏｆ ｏｎｅ ａｎｏｔｈｅｒ ａｎｄ ｎｏｔ ｉｎ ｓｉｇｈｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈ ｅ ａｃｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｄｅｆｉｎｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｐａｃｅｓ，ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔａｒｇｅｔ ｓｈｉｐ ｔｙｐｅｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｓｏｃｉａｌ Ｅｍｏｔｉｏｎａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ （ＳＥＯＡ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｃｏｕｒｓｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｈｉｐ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｆ ｏｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ａｔ Ｓｅａ（ＣＯＬＲＥＧｓ）