基于AIS的船舶会遇局面紧迫度量化分析

近年来船舶大型化、高速化的发展以及数量的不断递增,导致船舶碰撞概率大大增加。为更好地保障船舶航行安全,提出船舶会遇局面紧迫度这一概念。该概念表征船舶在当前航行状态下由于一定范围内所有其他船舶的存在而处于的会遇局面的紧迫程度,其旨在帮助船舶驾驶员实时感知并掌握船舶在海上航行时所处会遇局面的状况,从而据此加以判断并及时采取措施规避碰撞风险。建立了船舶会遇局面紧迫度的计算模型,该模型以考虑到本船速度的动态圆形领域为空间约束条件,综合考虑其他船舶相对于本船的方位分布和距离这两个指标的影响,基于信息量量化紧迫度。利用2016年1月1日天津港AIS数据进行紧迫度的计算与分析,计算结果与实际相符,该计算模型能够准确反映船舶在航行过程中所处会遇局面的紧迫程度。利用双线性内插法建立天津港区域紧迫度二维彩色平面分布图,其表达效果优于传统热度图。     

构建岸基雷达网辅助海上执法智能平台的关键技术分析

以广东省现有的"岸基雷达网综合监控系统"为基础,构建一个服务于海上执法的智能平台。针对构建该智能平台所涉及的关键技术展开分析,包括全省近海20 nmile范围内5万以上海上目标数据10 s实时更新、雷达网数据清洗、船舶航行态势估计等。结果表明:(1)采用线性池和连接池技术,可实现全省近海5万海上目标数据10 s实时更新,确保目标数据实时动态入库;(2)建立针对不同目标的检测与数据清洗算法,可解决静态目标、目标断续ID不统一、虚假目标等数据的去除问题,确保实时输入数据的有效性;(3)依据雷达、船舶身份自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)、天气和海浪等数据,可有效地构建基于概率图的船舶航行态势估算模型,实现对小型船舶航行危险、违规违法和导致危险等方面进行智能判断,辅助海上执法。     

基于注意力的光照感知水下图像复原网络

水下环境光线昏暗,仅依靠自然光源难以清晰成像,通常需要增加人工光源,但人工光源的引入会导致场景亮度不均。在这种包含自然光源和人工光源的混合光照环境下,所拍摄的水下图像质量严重退化,不仅降低视觉观感,更影响后续高级计算机视觉任务的顺利开展。然而现有方法大都只考虑了自然光源的影响,对混合光源环境下的水下图像复原效果不佳。为了解决混合光源环境下水下图像存在的光照不均、色偏、细节模糊等问题,提出了一个光照感知编解码器网络用于水下图像复原。一方面,在多尺度结构中引入注意力机制和改进残差结构高效提取丰富的结构细节特征,另一方面增加光照感知图作为先验约束网络复原结果的对比度。此外,设计了合适的损失函数,引导网络充分学习水下图像和清晰图像间的非线性映射关系,使恢复图像的色调更自然,纹理细节更丰富。对比试验结果证明此方法在主观感知和客观指标上均优于对比算法,消融实验证明所提网络模块和光照感知的有效性。     

海洋环境航行安全保障决策支持系统设计

为对海上船舶航行提供安全保障决策支持,本文设计了海洋环境航行安全保障决策支持系统。系统采用面向服务架构思想,将功能单元封装成统一标准的服务,服务之间的调用关系经设计,实现海洋数据交互与功能组合重用。本文阐述了系统开发与部署步骤并展示决策支持部分的示范性系统流程,向决策者提供卫星成像规划、风险评价、溢油预测与应急救援路径规划等决策服务。系统为海洋环境航行安全保障提供了多源海洋数据管理、海洋数据可视化与决策支持服务等技术方案,为海洋环境航行安全保障决策提供参考依据。     

气候变化背景下北极航线综合评估模型研究

在全球持续变暖的影响下,北极部分地区夏季出现无冰期,北极航线具有更短的航运距离和相对稳定的地缘政治人文环境。文章从气候变化角度出发,构建包含航行环境模块、航迹规划模块和航线经济效益模块在内的综合评估模型,评估北极地区海冰、风、浪、流等气象水文地理要素对船舶航速的影响,确定北极地区的可航行天数;在此基础上,利用A-Star算法寻找北极航线的最优路径,并分析该路径上的航运经济效益;采用该评估模型对比在RCP4.5情景下2050年船舶往返欧亚大陆之间经东北航线与经苏伊士运河航线的经济效益,结果表明,苏伊士运河航线的经济效益更高,北极航线可作为替补航线。     

面向海洋监测的传感数据可用性评价技术

无线传感器网络已成为监测海洋环境信息的一种重要手段,然而由于传感设备部署的范围和密度不同,造成不同位置的感知数据的可用性差异很大,针对此建立模型并进行评价对于高质量的数据获取和清洗具有重要的意义。基于传感器节点的感知模型、能耗模型和改进的Leeway漂流模型,面向感知数据的可靠性和时效性两个方面,建立了围绕海洋监测应用的综合评判指标,进一步提出数据采集船航行路线的评价方法和数据源的选择方法,最后通过实验验证了提出模型和方法的有效性。     

半潜式航行体回收辅助操控技术应用

半潜式航行体回收过程耗时较长,对操纵者经验、技术门槛高,试错成本大。针对此问题提出 VH-PPO 算法,从收敛性、期望收敛时间的上下界、时间复杂度 3 个方面分析其性能。通过人工操控成功的历史数据给予初始概率分布并在此基础上进行训练,省去了自由探索不断试错的过程,可有效减小期望收敛时间,使训练模型更快地收敛,从而降低算法的时间复杂度。针对训练时不同的阶段,选择更优的超参数,防止超调和欠调现象,可帮助训练模型更好地收敛,降低期望收敛时间的上下界,从而降低算法的时间复杂度。 在 OpenAI Gym 上通过该算法进行强化学习,训练完成后应用于操控软件,在某海域进行验证并进一步调整模型。实验结果表明：随着试验次数增加,智能体在真实环境中的适应能力越来越好,辅助操控指令在总操控指令中占比超过 50%,有效地减缓了操纵者的疲劳,降低了新手训练难度及替换操纵者的门槛。     

辅助风帆对船舶航行性能影响的理论研究

以日本国东京水产大学实习船“海鹰丸”作为研究对象 ,分析计算了在船舶航速一定的条件下安装辅助风帆对船舶航行性能的影响。结果表明 :安装风帆时 ,在风向角为 90°时获得功率达到最大值 ;横向漂移对船舶航行的影响较小 ;获得功率最大可达总功率的 4 4 %以上。     

IMO框架下智能船舶适航的法律规制研究

随人工智能技术发展,智能船舶因其无人化、智能化的特点而与传统国际法律制度产生碰撞。当前,国际海事组织将制定“海上自主水面船舶规则”工作提上日程,航行安全问题作为其中的高度优先事项,受到各国广泛关注。船舶适航作为承运人的主要义务之一,是保障航行安全的先决条件。但智能船舶是否需要符合适航标准,如果适用会产生哪些法律障碍并如何解决等诸多问题亟待研究。对此,应修订《国际海上避碰规则》并明确智能船舶适船技术标准,明确岸基操作人员的法律地位并制定其资格取得、培训、值班标准,明确安全配员标准及需船员在船承担的职责的履行方式。     

实体数据模型在航行指南信息组织中的应用

针对当前海图表达航行环境不完备、多种有效信息不能有效集成等不足,提出利用实体数据模型构建航行指南信息数据库的方法。文中介绍了实体数据模型,提出了航行指南信息数据集成的组织方法,构建了航行信息数据模型,并开发了航海图文信息系统,实现了航行指南信息的管理查询和应用。实验表明,基于实体数据模型的航行指南信息组织方法正确、有效。     

基于多源信息融合的水下航行器航迹测量方法

针对水下航行器航迹实时分析的需求,提出了一种基于多源信息融合的测量方法。通过传感器获得水下航行器状态信息,利用主成分分析方法将试验数据作为一变量,定义总体的各主成分,利用测量值与主成分的复相关关系,给出了各传感器的综合支持程度和数据融合公式,完成多源数据的融合。应用实例验证了该方法的有效性和精确性,能够提高试验数据的可信度。     

基于多源信息融合的水下航行器航迹测量方法

针对水下航行器航迹实时分析的需求,提出了一种基于多源信息融合的测量方法。通过传感器获得水下航行器状态信息,利用主成分分析方法将试验数据作为一变量,定义总体的各主成分,利用测量值与主成分的复相关关系,给出了各传感器的综合支持程度和数据融合公式,完成多源数据的融合。应用实例验证了该方法的有效性和精确性,能够提高试验数据的可信度。     

连续深度基准面构建及通航水深服务模式研究

通航水深是船舶在某时段沿着一定航线通过特定区域的最浅水深,对船舶的安全航行具有重要意义。海图测绘时将水深归算至深度基准面,由验潮资料求得,而潮汐值是通过临近区域发布的潮汐表来进行推算,由此获得的通航水深精度不 高,且不同港区之间采用深度基准不统一,所以无法为船舶提供精确、连续的通航水深。本文提出了一种基于高精度 GNSS的通航水深测量方法,直接测量海底高程,通过精密数值模型模拟海面高程,由此获得通航水深,并提出了实时通航水深的应用模式。为了建立与陆地地形相衔接的海底地形模型,以 CGCS2000 参考椭球面为垂直参考基准面,深度基准面采用 POM（Princeton Ocean Model） 模式进行潮波数值模拟的方法构建。实验结果显示：数值模型精度较高,构建的深度基准面误差在5 cm 以内。本文提出的方法改变了传统的通航水深测量及服务模式,提供高效率、高精度通航水深、海图水深数据,可为船舶用户提供实时动态水深服务。     

UUV定深控制模型参数优化设计方法

合适的控制模型参数能够保证被控对象在较快的响应时间和较小的超调量下达到控制目标,无人水下航行器定深控制模型参数的优化设计对提升水下航行器使用性能具有重要意义。首先,建立了水下航行器空间运动学方程,基于 Modelica 建模语言构建了航行器虚拟样机及其定深控制模型。然后,以响应时间和超调量最小为优化目标,采用非支配排序差分进化算法建立了水下航行器定深控制模型参数多目标优化流程,基于 OPTIMUS 平台构建了水下航行器定深控制模型参数优化设计工作流。以某水下航行器为对象的实验结果表明：所提方法可快速获得较优的 PID 控制模型参数,优化后的水下航行器定深运动控制特性显著改善。     

一种改进的图像场景识别算法

基于图像的场景识别是目前计算机视觉研究的热点之一,然而此前的场景识别算法存在分类结果准确率不高的问题。针对图像场景识别首先提出一种改进的高斯差分采样特征,在对图像进行高斯差分滤波的基础上,根据预先设定的模板进行采样并作为图像的基本特征,之后通过词袋模型和空间金字塔算法生成图像的特征直方图。其次,提出了一种基于K近邻修正的模糊支持向量机图像场景分类算法,算法对现有的支持向量机算法进行改进,引入K近邻算法对结果进行修正,实验结果证明提出的特征的分类准确率较高,而且改进分类算法的结果也优于现有的算法。     

基于颜色–场景联合迁移的水下图像增强方法

水下成像存在颜色失真、图像对比度严重下降等问题。大多数基于深度学习的水下图像增强方法依赖仿真数据集,由于仿真与实测数据之间存在较大的分布差异,实测泛化能力受限。将水下图像增强任务划分为2个更简单,但是同时具有明确物理意义的子问题：颜色校正和对比度增强,提出基于物理模型分解的域内–域间迁移框架。首先,域内迁移校正图像颜色,通过学习对退化图像进行分解,在场景光层面通过对齐颜色退化,校正颜色失真同时保证其它成分完全不受影响。进一步,再次利用基于水下散射模型的分解策略,通过针对性迁移水下退化因素,使得仿真–实测域之间实现相互迁移和交互,增强水下图像对比度。实验结果表明：本方法在真实水下图像数据集上处理的结果,在色彩、纹理细节和清晰程度方面均优于现有的对比方法。     

潜射航行体齐射非定常流场特性研究

为研究潜射航行体齐射非定常流场演化特性,基于动网格技术、VOF 多相流模型以及用户自定义函数(User Defined Function,UDF)等对双发航行体齐射出水过程展开数值模拟研究,建立了三维双发航行体齐射出水数值模型。研究了典型工况下航行体齐射出水过程各个阶段的云图与受力特性,进一步分析了发射速度与航行体所受阻力的关系,得到了如下结论：1)当发射间距在一定范围内,整个发射阶段中航行体之间会产生明显的流动干扰现象,对航行体的受力特性产生较大的影响;2)航行体在出筒阶段所受力矩最大, 易发生偏转,从而影响水下发射的安全性;3)不同发射速度下,双发航行体所受最大阻力均发生在出筒阶段, 且航行体所受阻力与发射速度二次方成正比。     

"远望"号规避0704号超强台风天气过程分析

2007年7月上旬,“远望”号测量船在太平洋中部作业航行时,受到西北太平洋2007年04号Manyi超强台风过程的严重影响,由于预报准确及时,船舶航行计划进行适时调整,保证了远望号海上航行安全。在这次避台过程中,仅仅13日和14日两天,在我船航行的关岛附近洋面,就有2只船舶因台风大风而沉没。本文对这次台风过程进行了详细的气象分析。本文并提出WAVE WATCHⅢ海浪预报对台风的早期预报有较好的参考作用。     

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。     

电子海图与海事雷达

电子海图和海事雷达是航海的重要助航设备。为提高船舶在航行中的避碰能力,文章提出了电子海图图像与雷达信号的叠加方法。雷达的模拟视频信号、方位信号和触发脉冲,通过数模转换,利用极坐标与直角坐标变换模型和图像匹配,可以在电子海图底图上实时显示雷达捕获到的目标,以提高对船舶周围环境的监控能力。