一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，本发明专利技术方法通过电子海图系统获得全局船舶实时航行信息，结合船舶编队岸基信息平台发布的船舶调度信息进行船舶编队队形控制与切换控制。在编队避障过程中或队形切换后，编队内的拓扑结构不再适用于此时的队形，从而发生网络连接中断，利用拓扑重构法对编队通信拓扑进行重构。通过船舶自动识别系统、全球定位系统等设备获得实时船舶航行安全动态。当编队内船与船间的距离或船与障碍物间的距离小于二者对应的安全距离时，触发避碰或避障人工势场，进行避碰与避障控制。本发明专利技术将拓扑重构与人工势场法结合，充分利用船舶编队全局动态和实时船端航行信息，实现了船舶智能避碰与切换控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法
本专利技术涉及信息技术与船舶编队分布式控制
，具体而言，尤其涉及一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法。
技术介绍
近年来，随着信息科学技术的迅速发展，信息化和数字化设备贯穿于我们的日常生活中。船舶自动化、智能化的时代也已经来临。为了克服单船作业能力低，容错性低等缺点，船舶智能编队受到广泛关注。随着研究的深入，船舶编队已经能在实际中应用。在理论走向实际的过程中面临诸多挑战，而其中最具有挑战性的是船舶切换控制问题。船舶切换控制可以提高编队在复杂环境下的生存能力。其中队形变换、避碰避障、网络连通性是船舶切换控制过程中不得不考虑的问题。在船舶具有一定感知能力的前提条件下，利用人工势场法来解决船舶的避碰避障问题。由于该方法具有步骤简单、计算量小等特点，能够较好的满足避碰、避障所需满足的实时性要求。采用对事件进行时间切片的方法保证切换控制保持队内一致切换的要求。最后利用拓扑重构方法来保障编队内的通信。编队避碰系统与切换控制系统独立存在，但两套系统工作的前提就是编队通信畅通且网络拓扑包含以领导者为源顶点的下行树。因此，拓扑重构机制对于船舶切换编队控制系统是十分必要的。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法。本专利技术将拓扑重构与人工势场法结合，充分利用船舶编队全局动态和实时船端航行信息，实现了船舶智能避碰与切换控制。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，包括如下步骤：S1、通过全局的电子海图或内河水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水的船舶特性，对不同船舶分别设定相应的船舶航行安全条件；S2、通过船舶编队岸基信息平台将海上作业任务发送至船舶编队，在船载信息处理平台上将船舶当前状态的信息作为依据对任务进行切片处理，并对不同片段中的任务需求进行船舶编队队形规划；S3、在执行每一个任务片段的过程中，通过船载智能感知平台对船舶的状态信息进行实时监测，当编队前进过程中遇到可能发生碰撞的情况时触发船舶避碰系统，利用人工势场法对外部环境进行虚拟势场构建，从而产生虚拟的势场力控制船舶避碰；S4、当编队需要进行必要的队形变换或拓扑切换时触发船舶编队切换控制系统；S5、当船舶编队避障过程中或者进行队形变换时，利用拓扑重构系统对编队的网络拓扑结构进行合理重构；保证编队正常通信的同时对编队内通信负载进行区域统计，最优化队内通信能量消耗。进一步地，所述的步骤S1具体为：S11、根据电子海图与AIS数据建立包含编队任务起点和终点的经纬坐标系；依据各个船舶航行安全条件，在海图中针对每条船划分出相应的可航行区域与不可航行区域；S12、根据所有船舶可航行区域，计算编队在不同地段或不同时间节点上预定队形的规模限制，同时，还需考虑每条船各自所能容许的最大可通信距离。进一步地，所述的步骤S2具体为：S21、假设一个作业任务过程可以描述为一个时间段：[tst,tend]，则可以将其划分为有限个连续但不重复的时间片段，划分如下：[te,te+1)，e＝1,...,r；[tr+1,tend]，其中，共r+1个片段，每个片段中与前一个片段中的编队属性有所差别(第一个片段除外)；S22、计算所有已划分的时间片段长度，每个片段的长度需大于编队切换时所需的最短队形成形时间，将不满足此条件的时间片段的编队动作略去，同时，略去的时间片段附加到该片段前一个片段的末端。进一步地，所述的步骤S3具体为：S31、建立随船坐标系：利用全球定位系统(GPS)、雷达、AIS船舶上的设备及传感器采集航道数据，将所有信息融合后，通过船载智能感知平台构建船舶附体坐标系；S32、通过智能感知平台对船舶即将靠近的他船及障碍物进行识别，通过船舶之间的距离建立船舶间斥力场：式中，i和j为本船与进入本船避碰势场的船舶名称，为避碰辅助函数，其中ζij为i和j两船间的距离，σ1为常数(通常取正实数)，χc为两船间最小安全距离，为避碰势场最小触发距离，Ψc(ζij)为以船j避碰势场函数；船舶i受到相邻j船的排斥力为j船避碰势场函数的负梯度，表示如下：式中，kc为避碰势场系数，▽为梯度求取符号，xij为船i与船j的位置误差；在船i的运行时，其受到的避碰势场排斥力合力表示为：式中，Ni为进入船i避碰势场的船舶名称集合；通过船i至障碍物边界的距离建立避障斥力场：式中，为避障辅助函数，其中ξik为船i与第k个障碍物最近边界点的距离，Θ1为常数(通常取正实数)，χo为船与障碍物边界间的最小安全距离，为避障势场最小触发距离，Ψo(ξik)是以离船最近的障碍物边界点为中心的避障势场函数；障碍物k对船i的避障势场排斥力大小为：式中，ko为避碰势场系数，▽为梯度求取符号，zik为船i与障碍物k的位置误差；船i受到的避障势场排斥力合力为：式中，p为船i所需避开的障碍物总数；船i所受避碰、避障势场力和力矩为：进一步地，所述的步骤S4具体为：S41、将编队在不同时间片段中的相对位置约束、速度约束、任务与调度信息顺序独立存放于切换控制系统中，以时间片段端点、事件结束标志作为综合片段间隔符；S42、切换控制器作用时只更改片段所存储的信息，在编队切换控制过程与船舶避碰机制相独立。进一步地，所述的步骤S5具体为：S51、在网络发生故障或队形发生大幅变换时，触发拓扑重构机制，根据图论相关知识将网络拓扑结构抽象为有向图；将网络拓扑级故障分为单节点不可达、不可达节点可构成连通子图和不可达节点不可构成连通子图三类，分别设计故障模型；通过网络中节点和链路的故障函数，计算节点发生故障的概率，从而定位故障；具体的：节点故障概率函数为：Fn(v,x,t)=1-e(-λ(a×v+b×x+c×t))式中，Fn为节点n发生故障的概率，v为节点n运动速度，x为节点n通信半径，t为节点n当前的正常运行时间，λ为正常数，λ、a、b、c在仿真中依据实际情况取值；链路平均故障概率函数为：αm,n=αm+αn式中，Fe为链路e发生故障的概率，vm、vn表示顶点m、n，R为顶点在时间t内的位移矢量，αm,n、αm、αn为中间变量，每个节点的时间间隙服从独立的等同均值为1/λn的指数分布，间隙内节点以均值为μn、方差为σn2的速率运动；库默尔函数为：S52、利用概率模型分别计算网络的节点和链路故障率，将概率较大的故障加入故障表；S53、通过故障诊断完成拓扑重构机制的触发之后，根据故障表信息更新网络邻接矩阵；首先触发失效节点，将其功率调大；若网络连通性没有恢复则增加至两跳，将该点所有邻节点功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、通过全局的电子海图或内河水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水的船舶特性，对不同船舶分别设定相应的船舶航行安全条件；/nS2、通过船舶编队岸基信息平台将海上作业任务发送至船舶编队，在船载信息处理平台上将船舶当前状态的信息作为依据对任务进行切片处理，并对不同片段中的任务需求进行船舶编队队形规划；/nS3、在执行每一个任务片段的过程中，通过船载智能感知平台对船舶的状态信息进行实时监测，当编队前进过程中遇到可能发生碰撞的情况时触发船舶避碰系统，利用人工势场法对外部环境进行虚拟势场构建，从而产生虚拟的势场力控制船舶避碰；/nS4、当编队需要进行必要的队形变换或拓扑切换时触发船舶编队切换控制系统；/nS5、当船舶编队避障过程中或者进行队形变换时，利用拓扑重构系统对编队的网络拓扑结构进行合理重构；保证编队正常通信的同时对编队内通信负载进行区域统计，最优化队内通信能量消耗。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过全局的电子海图或内河水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水的船舶特性，对不同船舶分别设定相应的船舶航行安全条件；
S2、通过船舶编队岸基信息平台将海上作业任务发送至船舶编队，在船载信息处理平台上将船舶当前状态的信息作为依据对任务进行切片处理，并对不同片段中的任务需求进行船舶编队队形规划；
S3、在执行每一个任务片段的过程中，通过船载智能感知平台对船舶的状态信息进行实时监测，当编队前进过程中遇到可能发生碰撞的情况时触发船舶避碰系统，利用人工势场法对外部环境进行虚拟势场构建，从而产生虚拟的势场力控制船舶避碰；
S4、当编队需要进行必要的队形变换或拓扑切换时触发船舶编队切换控制系统；
S5、当船舶编队避障过程中或者进行队形变换时，利用拓扑重构系统对编队的网络拓扑结构进行合理重构；保证编队正常通信的同时对编队内通信负载进行区域统计，最优化队内通信能量消耗。


2.根据权利要求1所述的基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：
S11、根据电子海图与AIS数据建立包含编队任务起点和终点的经纬坐标系；依据各个船舶航行安全条件，在海图中针对每条船划分出相应的可航行区域与不可航行区域；
S12、根据所有船舶可航行区域，计算编队在不同地段或不同时间节点上预定队形的规模限制，同时，还需考虑每条船各自所能容许的最大可通信距离。


3.根据权利要求1或2所述的基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：
S21、假设一个作业任务过程可以描述为一个时间段：[tst,tend]，则可以将其划分为有限个连续但不重复的时间片段，划分如下：
[te,te+1)，e＝1,...,r；[tr+1,tend]，
其中，共r+1个片段，每个片段中与前一个片段中的编队属性有所差别(第一个片段除外)；
S22、计算所有已划分的时间片段长度，每个片段的长度需大于编队切换时所需的最短队形成形时间，将不满足此条件的时间片段的编队动作略去，同时，略去的时间片段附加到该片段前一个片段的末端。


4.根据权利要求1所述的基于拓扑重构的船舶编队切换控制方法，其特征在于，所述的步骤S3具体为：
S31、建立随船坐标系：
利用全球定位系统(GPS)、雷达、AIS船舶上的设备及传感器采集航道数据，将所有信息融合后，通过船载智能感知平台构建船舶附体坐标系；
S32、通过智能感知平台对船舶即将靠近的他船及障碍物进行识别，通过船舶之间的距离建立船舶间斥力场：









式中，i和j为本船与进入本船避碰势场的船舶名称，为避碰辅助函数，其中ζij为i和j两船间的距离，σ1为常数(通常取正实数)，χc为两船间最小安全距离，为避碰势场最小触发距离，Ψc(ζij)为以船j避碰势场函数；
船舶i受到相邻j船的排斥力为j船避碰势场函数的负梯度，表示如下：



式中，kc为避碰势场系数，▽为梯度求取符号，xij为船i与船j的位置误差；
在船i的运行时，其受到的避碰势场排斥力合力表示为：



式中，Ni为进入船i避碰势场的船舶名称集合；
通过船i至障碍物边界的距离建立避障斥力场：

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁山，杨顺，时权，单麒赫，陈俊龙，肖杨，左毅，武越，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21