2023年, 第49卷, 第4期　刊出日期：2023-12-27

  

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  基于自主船舶规范的控制权切换机制

  章文俊, 牟聪瑞, 杨雪, 周翔宇, 孟祥坤, 李连博, 白伟伟

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 1-12. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.001

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  分析各国船级社制定的自主船舶规范，从切换场景、控制权获取优先级、控制权接管方、切换流程四个维度对L2级自主船舶控制权切换机制展开研究。结果表明：切换场景可根据特点分为三种类型，不同类型的场景与控制权接管方存在一定的对应关系；控制权获取优先级的顺序为“在船船员最高，岸基操作员次之，自主系统最低”；不同控制权接管方之间的切换流程存在一定差异，但需要遵循共同的基本原则。研究结论可为相关方建立自主船舶控制权切换机制提供参考。
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  智能船舶航行风险评估研究现状与发展趋势

  张文君, 张英俊, 刘子豪

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 13-19. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.002

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  对智能船舶航行风险类别及来源进行汇总，介绍智能船舶航行风险评估研究的发展历程及目前的研究热点，并按研究方法对智能船舶航行风险评估的研究成果进行分类；提出智能船舶航行风险研究存在的问题，并从多角度、从方法到体系对智能船舶航行风险评估研究未来的发展趋势进行分析。本文可为智能船舶的风险评估、智能航行系统开发及推广应用等提供理论参考和实践支撑，提升智能航运新业态下的海上交通安全。
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  动态海冰状态下的极地船舶改进D* Lite路径规划方法

  肖娟娟, 张金奋, 吴达, 韩冰

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 20-27. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.003

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  为解决船舶在极地海域下的动态路径规划问题，提出一种结合极地运行限制风险评估系统（POLARIS）的改进D^* Lite动态路径规划算法。首先，引入POLARIS风险模型，通过分析栅格化的海冰密集度和海冰厚度数据，结合船舶类型，建立极地通航风险模型，构建具有通航风险指数的栅格环境地图，并对D^* Lite算法的代价函数进行重新构建；其次，通过扩展搜索邻域，使船舶转弯角度不局限于π/2或π/4的整数倍，提高路径平滑，缩短路径长度；最后，通过引入因安全系数膨胀不可通航区域附近栅格的通航指数，提高预规划和重规划航线远离固定障碍物概率。仿真实验表明，改进后的D^* Lite算法较传统算法不仅减少了15.49 % ~ 40.3 %的海冰风险数，而且减少了2.99 % ~ 5.32 %的路径长度和45.95 % ~ 60.98 %路径拐点数。
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  基于改进PPO算法的船舶自主避碰决策

  关巍, 崔哲闻, 罗文哲

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 28-36. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.004

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  为减少船舶避碰决策过程中因人为失误导致的海难事故，提出一种基于改进近端策略优化(PPO)算法的船舶自主避碰决策。在传统PPO算法广义优势估计基础上加入自适应基线调整，并且使用长短期记忆网络（LSTM）改进网络结构。船舶的航行信息和激光雷达矢量线被应用于神经网络的输入，航行制导、角度偏差以及《1972年避碰规则》均被纳入改进的奖励函数设计。两船和多船会遇场景仿真实验表明：本文提出的避碰决策可使船舶实现自主航行，并在避碰过程中符合《避碰规则》，为处理复杂局面下的船舶避碰决策提供了参考。
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  多特征融合的无人船视觉目标跟踪

  吴伟, 王宁, 王元元, 孙赫男

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 37-45. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.005

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  针对海面光照变化、水花遮挡、水面倒影等耦合作用引起的无人船视觉目标跟踪漂移问题，提出一种基于多特征融合的尺度自适应相关滤波跟踪算法。通过多特征融合，增强了水面目标特征表达，避免了目标跟踪漂移。为减少环境干扰对跟踪目标外观描述的影响，设计尺度自适应跟踪滤波器，提升目标跟踪鲁棒性能。采用本文算法对多个代表性海上视频数据集进行验证，并与典型目标跟踪算法进行比较。结果表明，相较于基于单一CN特征的跟踪算法，本文算法的平均重叠率提升23.63%、平均中心误差减少53.79个像素点。；本文算法适用于处理由于海面环境剧烈变化、目标尺度变化导致的跟踪漂移问题，可为无人船作业自主性提供重要智能感知技术支持。
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  基于虚拟艇引导的无人艇轨迹跟踪模型预测控制

  陈宏宇, 谭飞, 董早鹏

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 46-56. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.006

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  针对无人艇在跟踪任务前期因位置偏差过大及约束存在而导致模型预测控制器（MPC）震荡问题，提出一种由虚拟无人艇引导的MPC控制策略，引用虚拟过渡轨迹代替实际无人艇的目标轨迹，并设计转换条件决定无人艇在执行过程中何时退出该虚拟引导策略。为解决MPC稳定性问题，基于准无限模型预测控制理论，在MPC设计中添加终端惩罚函数，通过构造Lyapunov函数，证明了本文方法在有限时域内的稳定性。引入非线性干扰观测器对复杂海洋环境中的干扰进行观测，利用控制器对其进行补偿。圆形、正弦和直线三种工况的仿真实验验证了本文方法的有效性及准确性，可实现水面无人艇在复杂海洋环境下的轨迹跟踪控制。
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  自主水下航行器事件触发自适应神经渐近深度跟踪控制

  唐思星, 邓英杰, 赵运利

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 57-64. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.007

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  针对自主水下航行器(AUVs)在未知模型动力学和环境干扰作用下的高精度深度跟踪控制问题，设计一种事件触发自适应神经渐近跟踪控制器，采用径向基神经网络(RBF NNs)逼近模型中的非线性不确定项,将积分有界函数融入控制律和自适应律中，以实现跟踪误差的渐近收敛；采用最小学习参数(MLPs)技术压缩神经网络权重，构造单参数自适应律；在控制器至执行器通道上应用事件触发机制，构造变量式事件触发条件，避免“Zeno”现象；应用径向基函数的不等式关系，解决“代数环”问题;采用Laypunov直接法和Barbalat引理对闭环系统的稳定性进行分析，证明跟踪误差的渐近收敛。仿真试验验证本文控制策略可实现高精度深度跟踪。
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  基于多传感器融合SLAM的无人船靠泊技术

  贾薇, 王宁, 张富宇, 张雪峰, 李洁龙, 吴浩峻, 孙赫男

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 65-75. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.008

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  面向港口区域无人船自主靠泊应用需求，从提高无人船环境感知精度与定位能力角度，提出一种基于多传感器融合同时定位与地图构建（SLAM）的无人船自主靠泊技术。对可航行区域动态变化导致的卫星地图时效性差、环境表征不完备问题，提出水上-水下一体化精准感知方案以获取可通行信息。对卫星定位偏差大、姿态信息获取难的问题，利用无人船实时感知的深度信息与先验点云地图匹配，获取精准的位姿信息。考虑到靠泊时对船舶特定姿态的需求，建立船舶运动模型和避碰模型，通过船舶操纵试验获取无人船运动性能参数，并将其作为Reeds-Shepp优化曲线的约束条件，消除轨迹上的尖锐拐点。根据真实数据构建无人船、传感器及港口环境模型，并进行自主航行靠泊仿真实验。结果表明，本文提出的多传感器融合SLAM的无人船自主靠泊技术可精准完成港口靠泊任务。
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  考虑闸室面积利用率的三峡船闸调度方法

  李珍尧, 赵尊荣, 叶子良, 吴兵

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 76-87. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.009

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  三峡船闸现行调度模式中采取“船舶先到先过闸”策略，此策略下闸室利用率偏低，为提高三峡闸室利用率和通航效率，提出结合改进蚁群算法和剩余矩形填充算法的三峡船闸调度优化算法。以船舶平均待闸时间和平均闸室面积利用率为目标函数建立三峡船闸调度模型。为求解此模型，在考虑三峡船闸通航规则和船舶属性基础上引入船舶权重，确定船舶入闸序列；通过最优闸室排档的信息素更新策略、自适应选择与动态调整相结合的路径转移策略，提高船闸调度优化算法的全局寻优能力，并在每次寻优过程中采用剩余矩形填充算法完成闸室内船舶排布，避免算法陷入局部最优。以三峡南线船闸为例，使用船舶过闸实际数据对本文方法进行验证，并与人工编排、CPLEX求解结果进行比较。结果表明，本文方法的船舶平均待闸时间相较于人工编排与CPLEX求解结果分别降低了10.26%和2.62%，平均闸室面积利用率分别提高了8.42%和7.31%。
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  基于扇形网格叠加计算的通航分道水域船舶领域

  高飞德, 曹宇皓, 张鹏, 王新建

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 88-94. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.010

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  为准确客观地揭示开阔水域通航分道附近船舶领域与船型和船舶尺度的关系，首先，提出一种基于船舶AIS 数据确定船舶领域边界的方法，即利用大量AIS数据计算船舶间的相对位置关系，并将不同时空船舶间的相对位置关系叠加，以此反映中心船周围他船的分布情况；其次，设计船舶领域分析集成平台，结合周围船舶分布情况，利用最小二乘法拟合领域边界，得出研究水域船舶领域；最后，以某分道通航水域为例，研究主要船型的船舶领域。结果表明：开阔水域通航分道处船舶领域近似椭圆型，与藤井船舶领域模型类似；船舶领域与船舶尺度和船型有关，随船舶尺度的增大而增大，同尺度货船领域小于油船领域，领域长轴较短轴随船长增加更明显。
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  小型救助艇液压互联悬架减振特性

  王稳超, 度红望, 王默, 熊伟

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 95-102. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.011

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  针对小型双体救助船波浪适应能力差导致救援效率低的问题，提出一种可用于船体减震的液压互联悬架。基于双缸液压互联原理进行悬架系统的仿真分析与验证，使用AMESim平台仿真分析悬架系统的减振特性与机理;基于双缸互联试验装置，针对不同幅值、不同频率的激励冲击完成互联减振试验。结果表明:液压互联悬架系统能够实现减振效果，该悬架系统垂向位移补偿能力约为45%。此外，系统加速度特性对低频冲击响应更加敏感。本文结果可为小型救助艇试验样机制作提供依据。
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  红外船舶检测的研究现状及展望

  王勇, 王柏容, 慕东东

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 103-115. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.012

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  总结各种传统检测算法和深度学习检测算法的特点，分析目前红外船舶检测应用的研究现状，整理了公开的红外船舶数据集。剖析红外船舶检测面临的挑战，提出未来发展趋势的展望，可为船舶智能感知领域的发展提供参考。
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  融合可切换空洞卷积的上下文信息增强船舶目标检测算法

  丘锐聪, 周海峰, 陈颖, 张兴杰, 黄金满, 翁卫征

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 116-125. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.013

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  针对内河环境下小型船舶目标检测精度较低，以及船舶目标检测易受近岸复杂背景信息影响的问题，基于YOLOv5s做出改进，提出SACAM-YOLOv5船舶目标检测算法。首先，引入上下文增强模块，利用空洞卷积特性，获取上下文信息，加强模型对小型船舶目标检测能力；其次，利用可切换空洞卷积特性，设计C3_SAC模块用于取代原主干网络中特定位置的C3模块，通过扩大主干网络提取特征图感受野，增强特征图所含信息，减少复杂背景影响，从而提升网络特征提取能力；最后，改进损失函数，引入NWD且与CIoU_Loss共同作为新的边界框损失计算函数，降低小目标检测中位置偏差影响，提升小型船舶目标检测性能。使用Seaships船舶数据集对上述改进方法进行验证，结果表明，本文SACAM-YOLOv5算法相较基准模型，在精度、召回率和mAP@0.5上分别提升2.2%，2.0%和2.7%，分别达到98.6%，98.1%和99.5%，满足船舶目标检测性能要求，具有一定的工程实际意义。
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  新冠肺炎疫情背景下中国港口冷链运行效率

  马千里, 刘敏, 杜木子

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 126-134. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.014

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  为科学评价新冠肺炎疫情对中国港口冷链运行效率的影响，基于数据包络分析(DEA)，同时考虑评价指标数据的差异性和指标间关系，将变异系数法和相关系数法与DEA模型结合，得到改进的DEA模型。以新冠肺炎疫情对中国港口冷链运行造成的影响为例，使用改进的DEA模型和空间自相关模型进行分析。结果表明：新冠肺炎疫情期间，中国沿海重要港口的冷链运行效率整体呈现先下降后上升的特点，除连云港港外，其余港口冷链运行效率均在新冠肺炎疫情的传导爆发期降到最低;疫情发生前后，莫兰指数散点图中的各个港口位于第二、四象限，尽管大连港、宁波-舟山港以及广州港在新冠肺炎疫情的冲击增长期冷链业务量上升明显，但港口冷链业务竞争格局并未出现显著变化；中国政府迅速采取的防控措施对港口外贸冷链业务产生了一些影响，尤其是大连港和上海港受到的影响频次和程度较大，但从长远角度看，强有力的管控措施对于控制港区疫情传播风险、维护港口长期运行稳定及保障贸易活动的正常进行具有重要意义。
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  基于相关分析的对接接头缺口应力集中系数不确定性研究

  甄春博, 刘宇臣, 田子安, 邢世柱, 刘社文

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 135-140. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.015

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  针对对接接头焊缝形状变化引起的缺口应力集中系数不确定性问题，基于参数化有限元分析和相关性分析进行研究。焊缝几何形状的不确定性由引入控制点的几何变化进行模拟，并基于仿真实验生成的大量测试数据样本计算控制点间的相关性，通过蒙特卡洛模拟获得大量随机焊缝数据。在缺口应力法基础上，使用ANSYS进行参数化建模，建立引入焊缝形状不确定性的对接接头有限元模型，对对接接头焊趾处的缺口应力集中系数进行研究，得到不同缺陷等级下的分布规律，总结了焊缝形状不确定性对缺口应力集中系数的影响。在此基础上，基于得到的大量实验数据建立焊缝几何参数的一阶响应面模型。结果表明：缺口应力集中系数与焊趾倾角及焊缝高度呈正相关，与焊缝宽度呈负相关，其中，焊趾倾角的影响最大，焊缝高度的影响最小。
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  基于Speex和深度编码的移动水声语音通信

  孙冬雪, 李森, 梁俊燕, 杜洋, 秦正昌

  大连海事大学学报. 2023, 49(4): 141-150. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2023.04.016

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  为实现收发节点相对运动下的语音信息交互，提出一种基于Speex和深度编码的移动水声语音通信算法。针对水下信道带宽有限、语音传输低效以及数据丢失问题，采用Speex算法，对语音信息进行压缩，提升语音信息传输效率和质量。针对水声信道中时变多途干扰和相位跳变问题，采用深度编码策略，在比特级，采用低复杂度的卷积编码，对信息比特进行编码以获得冗余编码比特，用以对抗时变多途干扰；在符号级，采用基于相位差的编码,令两个相邻符号的相位差作为传输符号，从而消除相位跳跃的影响。Speex算法实现了8.53倍的压缩率，有效节省了信道带宽；深度编码有效解决了多途干扰和相位跳变问题，在相同信噪比下使误码率大大降低。在胶州湾使用实际水声通信机（Seatrix Modem）对本文算法在通信距离5.5 km、收发器之间相对运动速度0.5 m/s、通信带宽4 kHz进行试验，结果表明了本文算法的有效性。