多船协同环境下船舶交通流建模及仿真研究

Vessel Traffic Systems Simulation can describe and re-appear the running patterns of vessel traffic flow, which are the importation tools and laboratory facilities for planning, management and control of vessel traffic systems. It was changed by the increasing of traffic volume, ship’s type and form, navigation course and the beam of the channel, such as the temporal and spatial distribution of traffic flow. All these changes put forward new challenge to the existing vessel traffic simulation theory and technology. Aiming at the problems existing in the study, the project will perform further researches on the key problems of vessel traffic system simulation, such as vessel movement and behavior model, traffic flow model and simulation realization. Research work include: (1) Navigational environment analyzing and building, focus on analyzing the types and content of environmental information and its influence mechanism on ships behavior rules and traffic flow characteristics. (2) Traffic flow model research focus on ship domain model and following model based on cellular automata. (3) Research on the ship behavior model under the interaction and cooperation of multi-vessels based on Multi-Agent System from theoretical analysis and experimental analysis. (4) Research on the method of traffic simulation realization， the theory of high level architecture is applied to integrate three simulation part including simulation environment model, traffic flow simulation model and communication simulation model.

船舶交通系统仿真是再现船舶交通运行规律，进行船舶交通系统规划、管理和控制优化的重要实验手段和工具。随着船舶交通量的日益增多、船种和船型构成的改变、航线增多、航道拓宽，这些都改变了交通流场的分布和交通流的运行方式，对已有船舶交通仿真理论与技术提出了全新的挑战。针对已有研究中存在的问题，本项目对船舶交通系统仿真中的船舶交通流模型建模、多船协同船舶行为模型及仿真实现关键问题进行深入研究。具体包括：（1）环境解析及构建，重点分析通航环境信息种类和内容对船舶行为规则和交通流特性的影响机制；（2）船舶交通流模型研究，重点研究船舶领域模型和基于元胞自动机的船舶跟驰模型；（3）多船协同船舶行为模型研究，从理论分析和实验分析两个角度，应用多智能体技术对多船协同船舶行为模型进行研究；（4）船舶交通流仿真实现，应用高层体系结构理论将交通流模型、仿真环境及通讯仿真进行有机整合。

船舶交通系统仿真是再现船舶交通运行规律，进行船舶交通系统规划、管理和控制优化的重要实验手段和工具。随着船舶交通量的日益增多、船种和船型构成的改变、航线增多、航道拓宽，这些都改变了交通流场的分布和交通流的运行方式，对已有船舶交通仿真理论与技术提出了全新的挑战。针对已有研究中存在的问题，本项目对船舶交通系统仿真中的涉及到的关键问题进行了研究，主要研究成果包括：（1）对基础航道环境进行解析和离散化处理，建立一种包含航道几何信息和逻辑信息的单向航道离散化模型，几何信息离散模型根据单位时间内船舶运动的位移和船舶并行时两船间的平均安全距离来确定离散后元胞的空间长度和宽度；逻辑信息关联模型，在分析船舶行为特征后，通过建立逻辑元胞和空间元胞间的逻辑映射关系来解决船舶航向变化问题。所建立的航道离散化方法有效的解决了船舶航行行为不受限、自由度高、航行方向与航道方向不一致时的航道环境仿真实现问题。（2）对仿真中的核心交通流模型进行研究，主要包括船舶领域模型和船舶跟驰模型。通过AIS数据提出船舶会遇信息，应用模糊理论研究船舶领域模型；通过分析船舶实际的航行行为，找到相邻跟随行驶的前后两船之间的行为特性及规律，包括船舶间距和船舶速度的变化规律、后船根据前船速度和船间距而进行反应的特性。（3）船舶航行风险分析及避碰时机和幅度研究，根据船舶间运动参数确定不同会遇态势下船舶的碰撞风险级别，根据风险等级采取相应的避碰行动和避碰幅度。（4）演化规则确定，根据船舶领域模型、前后两船船间距离与采取减速避碰行为时机和幅度之间的关系，结合船舶换道行为特性和跟驰行为特性，确定船舶仿真中减速、加速、换道和更新等一系列演化规则。项目研究成果可以为船舶交通仿真软件的开发提供有效的理论与分析方法支持。