一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法技术

一种基于合作博弈理论的船舶避碰决策方法。该发明专利技术步骤包括：获取与我船存在碰撞危险的目标船舶的基本信息；提出了我船与目标船碰撞危险度的计算方法；根据我船与目标船碰撞危险度提出船舶合作博弈下避碰行动集；根据船舶碰撞危险度算子以及行动集，结合船舶本身损耗、船舶油耗以及船舶碰撞风险系数三种因素提出了船舶在进行避碰博弈时的合作博弈算子，计算船舶避碰的收益函数；通过计算合作博弈收益函数判别船舶在海上进行避碰决策是否处于局部最优状态，以此建立补偿方法为船舶避碰提供优选方案，为保障航行安全、避免碰撞事故、减少生命和财产损失，同时为船舶在海上航行以及减少采取避碰措施时的不均等损耗具有重要的现实意义。实意义。实意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法


[0001]本专利技术属于船舶交通与船舶避碰决策
，涉及一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法。

技术介绍

[0002]随着船舶大型化、高速化发展以及数量的急剧增加，航行安全问题变得日趋严重。船舶避碰需要在短时间内综合分析各种信息，考虑多种因素的影响。而船舶在进行避碰操作时会对船舶设备产生损耗，在进行避碰操作时也会造成油量的损耗。而在海上进行避碰时几乎是非合作博弈，因此对于船舶的设备以及油量的损耗会有不合理的情况。基于以上因素，有必要深入研究船舶在进行避碰时的补偿方法，采取有效的合作博弈的方式减少船舶在进行避碰时不均等损耗，对船舶避碰系统进行研究，为保障航行安全、避免碰撞事故、减少生命和财产损失，同时为船舶在海上航行以及减少采取避碰措施时的不均等损耗具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法，提出了我船与目标船碰撞危险度的计算方法，根据我船与目标船碰撞危险度提出船舶合作博弈下避碰行动集结合船舶本身损耗、船舶油耗以及船舶碰撞风险度三种因素提出了船舶在进行避碰博弈时的合作博弈算子计算船舶避碰的收益函数。通过计算合作博弈收益函数判别船舶在海上进行避碰决策是否处于局部最优状态，并采取相应的补偿机制，为船舶避碰提供优选方案。
[0004]为了达成上述专利技术目的，本专利技术提出了一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法，包括以下步骤：
[0005]步骤S1:在目标船舶行驶过程中，利用船舶本身所携带安装的AIS、雷达等设备设备采集目标船舶的DCPA、TCPA、当前船速、当前航向等基本信息；
[0006]步骤S2：确定与我船所构成紧迫局面的目标船舶，根据所获取的船舶信息确定的目标船舶与我船的碰撞风险系数计算公式R。引入两船的最近会遇距离α
DCPA
、我船与目标船的最近会遇时间β
TCPA
、我船与目标船的间距γ以及两船的方位角δ
θ
四种因素，根据以下确定我船与目标船舶的碰撞风险系数。
[0007]首先，确定我船与目标船的最近会遇距离α
DCPA
，根据我船信息以及所获的目标船信息可得α
DCPA
为
[0008][0009]其中d1是我船所设定安全临界值，d2是为我船与目标船的安全通过距离。D为我船距离目标船舶的距离。
[0010]其次，确定我船与目标船的最近会遇时间β
TCPA
，根据我船信息以及所获的目标船
信息β
TCPA
为
[0011][0012]其中t1为我船注意到目标船的时间、t2为我船与目标船舶若不采取任何措施下的碰撞时间。
[0013]之后，确定我船与目标船的间距γ，根据我船信息以及所获的目标船信息可得γ为
[0014][0015]其中D1为我船与目标船的最晚避让距离，D2为来船可采取避让措施的距离。
[0016]再次，确定我船与目标船的间距γ根据所我船信息以及所获的目标船信息可得γ为
[0017][0018]其中D1为我船与目标船的最晚避让距离，D2为来船可采取避让措施的距离。
[0019]然后，确定我船与目标船的方位角δ，根据我船信息以及所获的目标船信息可得δ为
[0020][0021]其中θ为我船与目标船的相对方位角。
[0022]最后，根据上述步骤可以得出我船与目标船在采取避碰操作前的碰撞风险系数计算公式为
[0023][0024]x+y+z+n＝1
[0025]步骤S3：我船与目标船所得的碰撞风险系数计算公式提出我船与目标船之间的避碰行动集合U
[0026]步骤S4：在避碰操作进行时，考虑船舶本身进行避碰时的损耗、进行避碰时的油量损耗、以及船舶碰撞风险系数提出了在进行避碰博弈时的合作博弈算子计算船舶避碰的收益函数。
[0027]首先，设船舶避碰博弈联盟I＝{1,2,...,n}，船舶避碰博弈联盟I的任意避碰博弈子联盟S都对应一个实值函数U(S)，该函数表示避碰博弈联盟I内任意避碰博弈子联盟S的收益。若满足U(Φ)＝0,则称[I,U]为
多人合作对策，U(S)为对策的特征函数。协同联盟I内各成员所得收益的分配值被称作合作博弈值，记为
[0028][0029][0030]φ(u)＝φ1(u)+φ2(u)+
···
+φ
n
(u)＝U(1∪2∪
···
∪n)。
[0031]其中:|s|为避碰博弈子联盟S中成员的个数﹔S为避碰博弈联盟I中包含成员i的所有避碰博弈子联盟；ω(|s|)为成员i的权重系数；为避碰博弈子联盟S中除去成员i后可取得的收益；为成员i在避碰博弈子联盟S中的边际贡献；φ
i
(u)为成员i的收益，φ(u)为避碰博弈大联盟(相对于避碰博弈子联盟)的总收益。
[0032]然后，在考虑以下3个因素对提出了对应的补偿算子:
[0033]1)船舶本身的进行避碰时的损耗V。为简化分析,将船舶避碰时的损耗简单看成损耗数值。设船舶损耗i对船舶合作博弈避碰的进行避碰时的损耗投入为V
i
(i＝1,2,
···
,n)，则船舶避碰合作博弈联盟中单个船舶进行避碰时的损耗占总损耗的比重为V
i
/∑V
i
；。这里引入船舶损耗补偿因子h，由此船舶i的船舶损耗补偿变量为
[0034][0035]当V
i
/∑V
i
＞1/n时,可看做船舶i采取较多的避碰操作损耗投入,应得到一定补偿﹔反之﹐采取较少的避碰操作损耗投入应补偿其他船舶，采取相对较多的避碰操作。
[0036]2)船舶在进行避碰时的油量损耗P。船舶i的油量损耗占联盟总体油量损耗的份额为P
i
/∑P
i
；，其中引入船舶油量损耗因子k，则船舶i油量损耗变量为
[0037][0038]因为合作博弈算子是按照船舶采取最少的避碰操作的期望分配利益。所以,当P
i
/∑P
i
＞1/n时,可以看做船舶i对避碰博弈联盟做出较大的避碰操作时的油量消耗﹐应给予补偿；反之,该船舶会因油量损耗过少而采取更多的避碰操作。
[0039]3)船舶在进行避碰操作时的碰撞风险系数R。假设在进行船舶避碰博弈过程中，船舶i的碰撞风险系数为R
i
＝(i＝1,2
···
,n)。设∑R
i
＝1，则其中﹐表示合作船舶承担的碰撞风险与理想情况(即碰撞风险无差异)下风险的差值。这
里引入船舶碰撞风险修正因子j，则船舶i的船舶碰撞风险修正变量为
[0040][0041]因为船舶在海上进行避碰操作具有高风险性,所以避碰博弈联盟中承担较大碰撞风险的船舶应从避碰博弈联盟总收益中取得一定的风险补偿，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法，其特征包含以下步骤：步骤S1：当目标船舶在行驶过程中，利用船舶配备的AIS、雷达等设备采集目标船舶的DCPA、TCPA、当前船速、当前航向等基本信息；步骤S2：根据所获取船舶信息判别我船与在航行中目标船舶是否处于紧迫局面，利用确定的目标船信息提出我船与目标船的碰撞风险系数计算公式；步骤S3：提出我船与两船之间的避碰行动集合U；步骤S4：在避碰操作进行时，考虑船舶本身的进行避碰时的损耗、进行避碰时的油量损耗、以及船舶的碰撞风险系数提出了在进行避碰博弈时的合作博弈算子计算船舶避碰的收益函数，以达成局部最优的避碰操作决策。2.根据权利要求1所述的一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法，其特征在于，步骤S2中，确定与我船所构成紧迫局面的目标船舶，根据所获取的船舶信息确定的目标船舶与我船的碰撞风险系数计算公式R；引入两船的最近会遇距离α
DCPA
、我船与目标船的最近会遇时间β
TCPA
、我船与目标船的间距γ以及两船的方位角δ
θ
四种因素，根据以下五个步骤以确定我船与目标船舶的碰撞风险系数；步骤一：确定我船与目标船的最近会遇距离α
DCPA
，根据我船信息以及所获的目标船信息可得α
DCPA
为其中d1是我船所设定安全临界值，d2是为我船与目标船的安全通过距离；D为我船距离目标船舶的距离；步骤二：确定我船与目标船的最近会遇时间β
TCPA
，根据我船信息以及所获的目标船信息β
TCPA
为其中t1为我船注意到目标船的时间、t2为我船与目标船舶若不采取任何措施下的碰撞时间步骤三：确定我船与目标船的间距γ，根据我船信息以及所获的目标船信息可得γ为其中D1为我船与目标船的最晚避让距离，D2为来船可采取避让措施的距离；步骤四：确定我船与目标船的方位角δ，根据我船信息以及所获的目标船信息可得δ为其中θ为我船与目标船的相对方位角；步骤五：根据上述步骤可以得出我船与目标船在采取避碰操作前的碰撞风险系数计算公式为
3.根据权利要求1、2所述的一种基于合作博弈的船舶避碰决策补偿方法，其特征在于，步骤S4中步骤如下，步骤一：设船舶避碰博弈联盟I＝{1,2,...,n}，船舶避碰博弈联盟I的任意避碰博弈子联盟S都对应一个实值函数U(S)，该函数表示避碰博弈联盟I内任意避碰博弈子联盟S的收益；若满足则称[I,U]为多人合作对策，U(S)为对策的特征函数；协同联盟I内各成员所得收益的分配值被称作合作博弈值，记为弈值，记为φ(u)＝φ1(u)+φ2(u)+
···
+φ
n
(u)＝U(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，张方伟，黎明杰，崔阳，尹传忠，孔凡一，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：