摘要
随着全球经贸的快速发展，海上货运行业的规模也在不断扩大，海上船舶密度急剧增加，导致船舶碰撞事故频发。而船舶碰撞事故多数情况是由于船舶驾驶员注意力不集中或驾驶水平不足引起的，船舶避碰辅助决策系统能够帮助驾驶人员完成避碰辅助驾驶。当前相关研究存在避碰场景覆盖不全面、避碰行为界定不清晰等问题，因此本文在全面构建船舶避碰知识库的基础上，设计了基于强化学习的船舶智能避碰算法，使船舶避碰辅助决策系统提供的决策信息更具有参考性和实用性。 首先，展开解释了船舶避碰数学建模的基本原理，包含船舶参考坐标系、船舶运动数学模型、船舶操纵数学模型和船舶避碰局面数学模型等，并根据理论知识完成了船舶避碰运动数学建模。对船舶会遇局面下的空间碰撞危险度和时间碰撞危险度进行定量分析，并给出了船舶碰撞危险度的判定方法。 其次，根据船舶避碰知识的来源不同，将收集到的船舶避碰领域知识进行归纳和整理，分成了海上避碰规则知识、船舶操纵性知识、避碰阶段划分知识、会遇局面划分知识、应急操船知识和航海经验知识几大类。然后使用框架知识表示法、过程知识表示法等知识工程方法来表达不同类型的船舶避碰知识，并在此基础上构建了船舶避碰领域知识库。 然后，在建立避碰局面数学模型后，针对船舶避碰关键要素进行定量分析，提出了一种基于强化学习的船舶智能避碰算法。以近端策略优化算法为基础，根据海上船舶避碰实际情况，分别设计了船舶避碰环境状态集、避碰行为动作集和避碰激励函数。并且在构建船舶避碰避碰知识库后，将船舶避碰规则嵌入在智能避碰算法中，使得船舶智能体能够按照海上避碰规则的约束做出合理的避让行为。在船舶对遇、交叉相遇和追越三种典型会遇场景中对船舶智能避碰算法进行仿真验证，结果表明经船舶智能避碰算法训练后的船舶仿真模型可以做出正确的避让行为，避让后两船的最近会遇距离指标大于安全会遇距离的要求，同时可以保证本船在避碰行为结束后正确转向，恢复到预设航线上。 最后，在Windows 10环境下，应用Qt 5.9.0开发工具完成对船舶避碰辅助决策系统的搭建，根据前几章的相关研究内容，实现了避碰辅助策信息提示功能、避碰知识库管理功能、碰撞危险度计算功能和船舶会遇态势判断功能。
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