【摘要】：船舶無人駕駛是航運(yùn)業(yè)未來發(fā)展的一大趨勢。目前,局部海洋環(huán)境的船舶自動航行已經(jīng)實(shí)現(xiàn),而在內(nèi)河尤其是通航條件較為復(fù)雜的各典型河段,僅依靠人員經(jīng)驗(yàn)駕駛船舶無法適應(yīng)未來航運(yùn)業(yè)的發(fā)展。因此,要實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶無人駕駛的目標(biāo),首先應(yīng)在包括橋區(qū)在內(nèi)的典型河段中實(shí)行船舶自主航行。而近年來,長江干線跨江橋梁數(shù)量穩(wěn)步增長。橋梁建設(shè)在改善陸上交通的同時,也增加了發(fā)生船橋碰撞事故的危險(xiǎn)性。統(tǒng)計(jì)表明人為失誤因素約占船橋碰撞事故致因的70%。然而現(xiàn)行規(guī)章制度要求船舶過橋必須人工操舵。因此,船橋碰撞事故致因的人為失誤所占比例較高和橋區(qū)船舶強(qiáng)制人工操舵的矛盾成為了橋區(qū)船舶通航安全關(guān)鍵問題之一。對橋區(qū)河段特征和船舶過橋規(guī)律進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)船舶通過橋區(qū)的自動控制,是解決此關(guān)鍵問題的有效方案。本文依托湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“長江干線武漢轄段連續(xù)橋區(qū)水域橋群安全間距研究”,針對橋區(qū)河段船舶操縱運(yùn)動仿真及航跡控制展開研究。首先,以長江武漢段作為橋區(qū)河段的研究對象,分析歸納橋梁分布、間距、通航孔、軸線等特征;基于橋區(qū)河段的船舶AIS信息對航跡進(jìn)行還原,結(jié)合船舶過橋的航行規(guī)律,分析船舶上水和下水過橋的航跡帶特征,建立適用于船舶自主航行安全過橋的航跡段尺度模型。其次,基于MMG分離型模型思想,選取典型內(nèi)河船舶作為仿真實(shí)驗(yàn)的對象,結(jié)合船舶過橋?qū)嶋H,將風(fēng)、流干擾和淺水效應(yīng)納入考慮,對靜水環(huán)境和外界干擾下的船舶旋回運(yùn)動進(jìn)行仿真。再次,針對傳統(tǒng)PID航向控制器參數(shù)需要人為整定的缺陷,將差分進(jìn)化算法應(yīng)用到船舶航向控制中,同時為進(jìn)一步提高算法性能,對縮放因子和交叉因子進(jìn)行調(diào)整,設(shè)計(jì)了改進(jìn)差分進(jìn)化PID航向控制器,在靜水環(huán)境和外界干擾中均取得較好的控制效果。最后,在航向控制的基礎(chǔ)之上,將改進(jìn)差分進(jìn)化算法直接應(yīng)用到航跡控制中,采用直接控制的方法設(shè)計(jì)航跡控制器。根據(jù)橋區(qū)河段船舶上水過橋和下水過橋的航跡段建模,將靜水環(huán)境和外界干擾中的船舶上水和下水的航跡控制進(jìn)行數(shù)值模擬。本研究可作為船橋碰撞預(yù)警預(yù)控理論體系的補(bǔ)充,從而促進(jìn)橋區(qū)船舶通航安全保障技術(shù)的發(fā)展;同時,還可為開展更深層次的橋區(qū)水域船舶自主航行方面的研究奠定良好的基礎(chǔ)。
【圖文】：

第 1 章 緒論1.1 選題背景近年來，我國在橋梁建設(shè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，尤其是隨著“長江經(jīng)濟(jì)帶”國家戰(zhàn)略的全面推進(jìn)，長江黃金水道建設(shè)日益縱向深入，長江干線跨江橋梁工程數(shù)量穩(wěn)步增長。橋梁建設(shè)一方面改善了鐵路和道路交通運(yùn)輸，很大程度上緩解了陸上交通壓力；另一方面卻給水路交通運(yùn)輸造成了較大的負(fù)面影響，阻礙了船舶在橋區(qū)水域的航行。與此同時，船舶正趨于大型化，數(shù)量逐步增多，增加了發(fā)生船橋碰撞事故的危險(xiǎn)性，使得船橋通航安全問題日益嚴(yán)峻。以武漢長江大橋?yàn)槔越蚱鹬两褚驯淮白矒?70 余次。圖 1-1 為發(fā)生于 2011年的一起船舶碰撞武漢長江大橋的事故。

圖 2-1 長江武漢段已建和在建橋梁分布圖2）橋梁間距過調(diào)研，，獲取長江武漢段的橋梁間距如表 2-1 所示。以處于最上游橋?yàn)榱泓c(diǎn)，表中數(shù)據(jù)為該橋梁與上游相鄰橋梁的直線距離。如白與上游相鄰的沌口長江大橋間距約為 7km。表 2-1 長江武漢段的橋梁間距統(tǒng)計(jì)表 （單位軍山 沌口白沙洲楊泗港鸚鵡洲大橋 二橋 二七天興洲青山- 8.9 7 2.6 3.7 2.3 6.8 3.2 6.8 6.5表 2-1 中可看出，白沙洲大橋至天興洲大橋的距離為 25.4km，但 座之多，橋梁平均間距為 3.6km。因此，長江武漢段橋梁間距小導(dǎo)前調(diào)整航向的時間很短，不利于最佳操船時機(jī)的把握；此外橋梁響了橋區(qū)流場的分布，對船舶通航安全影響較大。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82

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本文編號：2668253