[发明专利]一种基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法

权利要求书

1.一种基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用船舶助航设备获取船舶信息；

S2、判断本船与目标船的碰撞危险，确定本船与目标船的船舶会遇态势，确定船舶避让责任和避让行为；

S3、设计会遇时的船舶避碰运动过程，构建船舶避碰路径；

S4、利用精英多种群演化算法求解船舶避碰路径；

S5、输出当下最优船舶避碰路径。

2.根据权利要求1所述的基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取的船舶信息包括本船的经纬度、航向、航速，目标船的经纬度、航向、航速、距离和方位，本船和目标船的最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA。

3.根据权利要求1所述的基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实现过程如下：

S21、判断本船与目标船是否存在碰撞危险，首先设定船舶安全会遇距离，船舶安全会遇距离设定为船舶安全领域的半径；当在本船和目标船的最近会遇距离DCPA小于安全会遇距离且本船和目标船的最近会遇时间TCPA小于安全会遇时间时，认为两船存在碰撞危险；

S22、确定本船与目标船的会遇态势、避让责任和避让行为，根据国际海上避碰规则，两船相遇时的船舶会遇状态被划分为三种：对遇态势，交叉相遇态势和追越态势，当本船负有避让责任时，本船需要采取向右转向的避让行为避免与目标船发生碰撞。

4.根据权利要求1所述的基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3的具体实现过程如下：

S31、设定船舶避让点为S，船舶复航点为E，船舶航线交叉点为C；

S32、构建由船舶避让转向角度A₁、船舶复航转向角度A₂、船舶避让点距离D₁、船舶复航点距离D₂四个路径变量组成的船舶避碰路径P_i＝{A₁,A₂,D₁,D₂}。

5.根据权利要求1所述的基于精英多种群演化算法的船舶避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤S4的具体实现过程如下：

S41、初始化种群中的M个个体，即初始化M个船舶避碰路径P_i，生成种群P＝{P₁,P₂,···,P_M-1,P_M}，避碰路径P_i包括四个路径变量：避让转向角度A₁、复航转向角度A₂、避让点距离D₁和复航点距离D₂，根据船舶航行状况和操纵习惯，确定四个路径变量的取值范围，采用二进制编码方式表示船舶避碰路径的四个路径变量；

S42、计算种群中每个个体的适应度，即每个船舶避碰路径P_i的适应度f(P_i)；

船舶避碰路径规划的目标是提供航程最短的安全避碰路径，船舶避碰路径航程N包括船舶避让航程N₁和船舶复航航程N₂，分别计算船舶避让航程N₁、船舶复航航程N₂、船舶避碰路径航程N，计算公式如下：

N₁＝(D₁+D₂)×sinA₂/sin(A₁+A₂)

N₂＝(D₁+D₂)×sinA₁/sin(A₁+A₂)

N＝(D₁+D₂)×(sinA₁+sinA₂)/sin(A₁+A₂)

设定保证船舶避碰安全的约束条件，如下：

d_cpa1≥θ_safe

d_cpa2≥θ_safe

上式中，d_cpa1表示船舶避让过程中本船与目标船的最近会遇距离，d_cpa2表示的是船舶复航过程中本船与目标船的最近会遇距离，θ_safe表示设定的两船安全距离；

计算船舶避碰路径的适应度f(P_i)，计算公式如下：

f(P_i)＝δ*(N_OC/N)

上式中，N_OC表示船舶初始点O和交叉点C的直线距离，δ表示船舶安全系数，满足步骤S43中的约束条件时，δ等于1，不满足时，δ等于0

S43、判断是否达到收敛条件，将收敛条件设置为如下两种情况：

情况一：达到设定的迭代次数；

情况二：最优避碰路径适应度值达到设定的适应度值；

满足收敛条件，输出最优船舶避碰路径；

S44、采取分居策略，随机将M个船舶避碰路径划分组合为四个子种群，即A₁子种群、A₂子种群、D₁子种群和D₂子种群，每个子种群中包含M/4个船舶避碰路径，分别对四个路径变量独立优化；

S45、分别计算各子种群船舶避碰路径P_i的子适应度；计算公式如下：

上式中，表示A₁子种群避碰路径P_i的子适应度，表示A₂子种群避碰路径P_i的子适应度，表示D₁子种群避碰路径P_i的子适应度，表示D₂子种群避碰路径P_i的子适应度；

S46、采取移居策略，一个子种群中的精英避碰路径迁移到其他三个子种群，替代其他子种群中的避碰路径，从一个子种群中选出子适应度好的船舶避碰路径，作为精英避碰路径迁移到其他子种群，例如，A₁子种群的精英避碰路径P_E，迁移到A₂、D₁和D₂子种群，替代子种群中的避碰路径；

S47、更新各子种群中的船舶避碰路径；

根据适应度大小对子种群中M/4个船舶避碰路径按照由大到小排序，排序后的种群P以及种群中船舶避碰路径的大小如下式所示：

P＝{P₁,P₂,P₃,…,P_(M-1)/4,P_M/4}

f(P_i-1)＞f(P_i),i∈{2,3,4,…,(M-1)/4,M/4}

根据船舶避碰路径子适应度的偏序关系，选择精英避碰路径组成精英亚种群，即A₁精英亚种群、A₂精英亚种群、D₁精英亚种群和D₂精英亚种群；S_n表示第n个亚种群，其中适应度最差的避碰路径为P_w，表示亚种群S_k的平均适应度，即亚种群S_k中所有避碰路径适应度的平均值，偏序关系由如下公式表示：#

在子种群M/4个船舶避碰路径中选择精英船舶避碰路径组成平均子适应度最大的M/4个精英亚种群S，精英亚种群，如下式所示：

S＝{S₁,S₂,S₃,…,S_m-1,S_m}

S₁＝{P₁}

S₂＝{P₁,P₂}

S₃＝{P₂}

S_2n＝S_n∪P_w+1

S_2n+1＝(S_n-P_w)∪P_w+1

S48、由M个精英亚种群生成M个新的避碰路径，M个新的避碰路径组成新种群，一个亚种群生成一个新的避碰路径，将一个精英亚种群中所有避碰路径按照二进制编码逐位比较，对应位置的值相同保留(0或1)，不相同，则该位置用随机数0或1替代，得到新的船舶避碰路径，新种群继续迭代直到收敛；

S49、输出最优个体，即求解得到的最优船舶避碰路径，当满足设定好的收敛条件后，即可输出最优个体，最优个体表示求解的航程最短的安全避碰路径，获得构建船舶避碰路径的四个路径变量，为船舶驾驶员提供辅助决策。