一种船舶跟驰模型的构建方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种船舶跟驰模型的构建方法及应用，包括以下步骤：获取后船在物理场中的航行动力和航行阻力，进而获得驾驶员的未满足操纵欲望，所述航行阻力与驾驶员行驶的实际速度和理性速度有关；基于船舶的运行机理，后船在缓慢停船情况下产生停船冲程、前船在急刹停船情况下产生倒船冲程，根据停船冲程和到船冲程构建理想船首间距公式；当后船靠近前船时，根据理想船首间距和实际船首间距的差值，得到距离作用力；根据未满足操纵欲望和距离作用力获得船舶跟驰模型。与现有技术相比，本发明专利技术从微观角度对船舶受力进行分析，可以准确高效地模拟船舶跟驰情况。模拟船舶跟驰情况。模拟船舶跟驰情况。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶跟驰模型的构建方法及应用


[0001]本专利技术属于传播交通控制
，涉及一种船舶跟驰模型的构建方法及应用。

技术介绍

[0002]随着水路货运量，港口吞吐量及航道里程的不断增加，也引发了航道拥堵，航道通行效率降低，海上交通事故频发等问题，使得对航道内交通态势的分析与判断能力提出了更高的要求。为了能够有效地描述水上交通的交通流特性，解释宏观的交通流现象，计算航道的通过能力，目前采用构建船舶的跟驰模型来指导船舶的行驶。
[0003]现有技术中的海上跟驰模型普遍以车辆跟驰模型为基础，通过修改模型的数据将其应用于水上交通，但是没有充分地考虑船舶运行的机理以及海上交通的环境特性，所以无法准确高效地描述海上交通现象，解决交通问题。另一方面，由于船舶在航道中受交通管制的影响，船舶没有达到最佳的行驶速度，导致航道的通过能力较低，基于实际AIS数据绘制的交通流散点图中也可以看出，如图1所示，处于最佳速度、最大通行能力以及阻塞部分的数据无法绘制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于场论的船舶跟驰模型，以克服现有海上跟驰模型无法准确高效地描述海上交通现象的问题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种船舶跟驰模型的构建方法，包括以下步骤：
[0007]获取后船在物理场中的航行动力和航行阻力，进而获得驾驶员的未满足操纵欲望；
[0008]基于船舶的运行机理，后船在缓慢停船情况下产生停船冲程、前船在急刹停船情况下产生倒船冲程，根据停船冲程和到船冲程构建理想船首间距公式；
[0009]当后船靠近前船时，根据理想船首间距和实际船首间距的差值，得到距离作用力；
[0010]根据未满足操纵欲望和距离作用力获得船舶跟驰模型。
[0011]进一步地，所述的船舶跟驰模型的表达式为：
[0012][0013]式中，F
i
为船舶在物理场中所受合力，G
i
‑
R
i
为驾驶员的未满足操纵欲望，G
i
为航行动力，R
i
为航行阻力，为距离作用力，i表示后船，j表示前船。
[0014]进一步地，所述的驾驶员未满足的操纵欲望包括以下情况：
[0015]当船舶处于静止状态或者减速状态，G
i
‑
R
i
为正值，驾驶员的操纵欲望不满足；
[0016]当船舶处于加速状态，G
i
‑
R
i
逐渐减小，驾驶员的操纵欲望逐渐满足，直至G
i
‑
R
i
＝0，此时，驾驶员的操纵欲望得到满足。
[0017]进一步地，所述的航行动力的计算公式为：
[0018]G
i
＝m
i
A
i
[0019]式中G
i
为航行动力，m
i
为船舶的质量，A
i
为船舶在航道中行驶的最大加速度，i表示后船。
[0020]进一步地，所述的航行阻力的计算公式为：
[0021][0022]式中R
i
为航行阻力，表示船舶的实际行驶速度，v
i
表示船舶的理想行驶速度，i表示后船。
[0023]进一步地，所述的理想船首间距公式为：
[0024][0025]其中，γ是货种安全系数，S2为后船在缓慢停船情况下产生的停车冲程，S1为前船在急刹停船情况下产生的倒车冲程，S
t
为后船在反应时间内航行的距离，L
j
为有效船长，i表示后船，j表示前船。
[0026]进一步地，所述的后船在反应时间内航行的距离S
t
的计算公式为：
[0027]S
t
＝V2τ
[0028]其中，S
t
代表后船在反应时间内航行的距离，τ表示后船的反应时间。
[0029]进一步地，所述的有效船长的计算公式为：
[0030]L
j
＝l
i
+s
m
[0031]式中，L
j
为有效船长，l
i
为船舶长度，s
m
为安全余量。
[0032]进一步地，所述的距离作用力的计算公式为：
[0033][0034]式中为船舶距离作用力，为船舶的侵入距离，s
ij
为船首间距，为理想船首间距，b为校准参数，i表示后船，j表示前船。
[0035]一种船舶跟驰的模拟方法，通过使用权利要求1～9中任一项所述的船舶跟驰模型的构建方法，建立船舶跟驰模型，将航行速度、密度和流量作为变量，得到交通流基本图，根据交通流基本图上峰值点，确定最佳航速、最佳密度和最佳通行能力，进而实现模拟船舶跟驰。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0037]1.本专利技术通过航行动力和航行阻力获得驾驶员的未满足操纵欲望，作为船舶航行时受到的吸引力，其中，航行阻力考虑了海上交通规则，根据船舶的运行机理，通过构建理想船首间距公式，当后船靠近前船时，根据理想船首间距和实际船首间距的差值，得到距离作用力，作为船舶航行时受到的排斥力，根据未满足操纵欲望和距离作用力构建船舶跟驰模型，与现有技术相比，本专利技术从微观角度对船舶所受的非接触力进行分析，可以准确地模拟船舶跟驰情况。
[0038]2.本专利技术通过未满足操纵欲望引入驾驶员的理想速度，所述理想速度作为主观意愿，可以通过采用调查问卷的方式获得，不受航道交通规则的影响，基于该模型，可以绘制
出完整的水上交通流基本图，进而获得最佳密度、最佳航速和最大通行能力，提高通航效率。
附图说明
[0039]图1为基于实际AIS数据绘制的交通流散点图，其中，(1a)：本专利技术速度与密度关系的交通流散点图；(1b)：本专利技术速度与流量关系的交通流散点图；(1c)：本专利技术流量与密度关系的交通流散点图；
[0040]图2为本专利技术船舶跟驰模型构建方法流程图；
[0041]图3为本专利技术船舶在物理场中的非接触力受力图；
[0042]图4为本专利技术船舶纵向物理场的示意图；
[0043]图5为本专利技术船舶理想船首间距；
[0044]图6为本专利技术交通流基本图；(6a)：本专利技术交通流速度和密度关系图；(6b)：本专利技术交通流速度和流量关系图；(6c)：本专利技术交通流密度和流量关系图。
具体实施方式
[0045]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0046]实施例1
[0047]本专利技术提出一种船舶跟驰模型的构建方法，首先，该模型考虑船舶在水上交通流中受到一种“重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶跟驰模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：获取后船在物理场中的航行动力和航行阻力，进而获得驾驶员的未满足操纵欲望；基于船舶的运行机理，后船在缓慢停船情况下产生停船冲程、前船在急刹停船情况下产生倒船冲程，根据停船冲程和到船冲程构建理想船首间距公式；当后船靠近前船时，根据理想船首间距和实际船首间距的差值，得到距离作用力；根据未满足操纵欲望和距离作用力获得船舶跟驰模型。2.根据权利要求1所述的一种船舶跟驰模型的构建方法，其特征在于，所述的船舶跟驰模型的表达式为：F
i
＝G
i
‑
R
i
‑
F
ij
式中，F
i
为船舶在物理场中所受合力，G
i
‑
R
i
为驾驶员的未满足操纵欲望，G
i
为航行动力，R
i
为航行阻力，F
ij
为距离作用力，i表示后船，j表示前船。3.根据权利要求2所述的一种船舶跟驰模型的构建方法，其特征在于，所述的驾驶员未满足的操纵欲望包括以下情况：当船舶处于静止状态或者减速状态，G
i
‑
R
i
为正值，驾驶员的操纵欲望不满足；当船舶处于加速状态，G
i
‑
R
i
逐渐减小，驾驶员的操纵欲望逐渐满足，直至G
i
‑
R
i
＝0，此时，驾驶员的操纵欲望得到满足。4.根据权利要求1或2所述的一种船舶跟驰模型的构建方法，其特征在于，所述的航行动力的计算公式为：G
i
＝m
i
A
i
式中G
i
为航行动力，m
i
为船舶的质量，A
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘轶华，李欣悦，庄思卿，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：