一种狼群搜索算法优化的船舶自动避碰方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶自动避碰路径规划技术领域，主要涉及一种狼群搜索算法优化的 船舶自动避碰方法。
【背景技术】
[0002] 船舶自动避碰是指船舶在海上航行过程中与其他船形成会遇态势，通过碰撞危险 度分析确定需要采取避碰行动，则船员基于已有的《国际海上避碰规则》，以及船间信息采 集和船内信息自主的交换的情况下，通过优化策略得到船舶避碰最佳方式，从而生成"经 济"且"安全"的避碰航行路径。辅助船员快速做出避碰决策，有利于减少海上事故的发生。
[0003] 因此，船舶避碰智能化是当前国际航海学术界研宄的前沿热点课题之一。其 中，单船避碰系统的实现过程中涉及到避碰信息的接收与融合、目标跟踪、碰撞危险度分 析、会遇态势的判断、优化路径的生成以及避碰路径的动态显示，是一个多目标非线性的 规划问题，所以，涉及到各种人工智能技术在船舶避碰领域的研宄应用，包括细菌觅食算 法（AutomaticCollisionAvoidingSupportSystemforShipsinCogestedWaters andatOpenSea.M.D.Nguyen,V.T.Nguyen,H.Tamaru. 2012Internationalconference onControl,AutomationandInformationScineces(2012):96-101.)?人工鱼群算 法（马文耀，吴兆麟，杨家轩.人工鱼群算法的避碰路径规划决策支持[J].中国航 海.2014, 37 (3) : 15-20.DOI: 10. 3969/j.issn. 1000_4653. 2014. 03. 015.)，支持模糊逻 辑、危险模式算法（白一鸣，韩新杰，孟宪尧。危险模式免疫控制算法优化船舶避碰策略 [J].中国航海，2012,35(2) :29-32.)等。但是这些算法本身存在算法实现复杂，后期收 敛速度慢或是易陷入局部最优等问题。2007年yang提出了仿生狼群算法，2013年吴虎 胜具体描述了狼群搜索算法的实现过程（吴虎胜，张凤鸣，吴庐山.一种新的群体智能 算法一狼群算法.系统工程与电子技术.20131153(11) :2430-2438)。该算法在机器人路 径规划（ChenguangYang,XuyanTuandJieChen,"AlgorithmofMarriageinHoney BeesOptimizationBasedontheWolfPackSearch，"InternationalConference onIntelligentPervasiveComputingIPC2007,pp. 462-467, 2007.)、电池充电增强 管理系统（Te-ChunHung，Shyh-JierHuang，Fu-ShengPai，Chen-WeiKuDesignof Lithium-IonBatteryChargingSystemEnhancedwithWolfPackAlgorithm. 2012Third InternationalConferenceonInnovationsinBio-InspiredComputingand Applications.DOI10. 1109/IBICA. 2012. 63. 195-200.)、PID参数优化（WuHusheng，Zhang Fengming.AUncultivatedWolfPackAlgorithmforHighdimensionalFunctionsand ItsApplicationinParametersOptimizationofPIDController. 2014IEEECongress onEvolutionaryComputation(CEC)July6-11，2014,Beijing，China. 1477-1482.)等方 面中得到了应用研究。体现了狼群搜索算法实现简单、全局收敛性好、求解精度高的特性。 但是算法存在由于搜索越界降低了收敛速度的缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种狼群搜索算法优化的船舶自动避碰方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] (1)建立船舶仿真试验所需的仿真界面，并确定用于避碰的船舶参数；
[0007] (2)确定船舶会遇态势以及碰撞危险度分析：采用两船交叉的会遇态势，做出我 船和目标船的碰撞危险度分析CRl=L/,^ ?CTtff其中UtT为基于时间碰撞危险度、UdT为空间 碰撞危险度且只有当UtT和UdT全不为零的情况下才存在船舶碰撞危险；
[0008] (3)设计船舶避碰目标函数：通过船舶避碰运动过程建模，得到我船经济避碰的 目标函数S=miii.b丨AS+ ?2Ap}，加权系数a^a2= 1，且a〇，a2> 〇,AS为避碰 而多航行的路程，Ap是在避碰过程中转过的角度；
[0009] (4)改进狼群搜索算法通过狼群的竞选行为、召唤行为、围攻行为以及更新机制， 搜索满足目标函数的船舶避碰最优路径：
[0010] (4. 1)初始化狼群：避碰路径狼群规模N，搜索空间的维数K，第i匹狼的位置为Xi =(Xn，Xi2,Xik. ? ?XiK)，iG(1，N)kG(1，K)，且Xik=Xik -+rand* (Xik ^x-XikJ，rand是 [0, 1]之间的随机数，Xik _和Xikmin分别表示第k维的搜索空间的最大值和最小数值；
[0011] (4.2)竞选头狼：选取最优的q匹探狼竞选头狼，第i匹竞选狼分别在K维空 间中，在自己周围的H个搜索方向上进行搜索，第i个竞选狼在k维时的当前位置为Xik， 第j个方向第k维的单位矢量为unitVectorSjk，第k维更新后的位置为Yjk:Yjk=Xik+ rand*unitVectorsjk*stepa*basicStepkjG(1，H)，搜索过程中根据不同的搜索空间以 及第i匹狼在第k维空间中的最大值和最小值为Xik_，Xikmin，整个搜索空间线性长度
【主权项】
1. 一种狼群捜索算法优化的船舶自动避碰方法，其特征在于：具体包括w下几个步 骤： (1) 建立船舶仿真试验所需的仿真界面，并确定用于避碰的船舶参数； (2) 确定船舶会遇态势W及碰撞危险度分析；采用两船交叉的会遇态势，做出我船和 目标船的碰撞危险度分析CRI=[/,r?C/wr其中UtT为基于时间碰撞危险度、UdT为空间碰撞 危险度且只有当UtT和UdT全不为零的情况下才存在船舶碰撞危险； (3) 设计船舶避碰目标函数；通过船舶避碰运动过程建模，得到我船经济避碰的目标 函数S二min的+ 切，加权系数ai+a2= 1，且a1> 0,a2> 0,AS为避碰而多 航行的路程，A口是在避碰过程中转过的角度； (4) 改进狼群捜索算法通过狼群的竞选行为、召唤行为、围攻行为W及更新机制，捜索 满足目标函数的船舶避碰最优路径： (4. 1)初始化狼群；避碰路径狼群规模N，捜索空间的维数K，第i匹狼的位置为Xi= 狂。，X。，X化...X化），iG(1，脚kG(1，K)，且X化=X化m化甘and* 狂化max-Xikm化），rand是[0, 1] 之间的随机数，Xikmay和Xikmi。分别表示第k维的捜索空间的最大值和最小数值； (4.2)竞选头狼；选取最优的q匹探狼竞选头狼，第i匹竞选狼分别在K维空间 中，在自己周围的H个捜索方向上进行捜索，第i个竞选狼在k维时的当前位置为Xik， 第j个方向第k维的单位矢量为unitVectorsjk，第k维更新后的位置为Yjk;Y*=Xik+ rand*unitVectorSjk*stepa*basicStePkjE(1,H)，捜索过程中根据不同的捜索空间W 及第i匹狼在第k维空间中的最大值和最小值为Xikmay,Xikmi。，整个捜索空间线性长度
计算基本步长basic