成山角分道通航制水域航行风险辨识与操纵决策方法

针对成山角分道通航制水域船舶航行风险高的问题，对数字化仿真环境、风险辨识、避碰机理和操纵决策开展研究。通过解构成山角水域的构成要素，建立静态交通环境的数学模型，结合船舶动态信息，构成动静结合的数字化仿真环境；基于时间、空间双维度的碰撞危险度模型和本船船位信息，提出碰撞等航行风险的辨识方法；考虑《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求，归纳成山角水域不同会遇局面下的避让原则和方法，结合避碰机理求取最小改向幅度；运用时序滚动和反馈补偿方法，提出能自适应目标船机动特征的操纵决策模型。模拟成山角水域船舶会遇场景，开展多目标船场景下的仿真实验，结果表明:①在自建坐标系的会遇场景中（目标船:坐标位置（44 600 m，62 300 m），航向210°，航速12 n mile/h；本船:坐标位置（41 200 m，38 000 m），航向000°，航速12 n mile/h），基于成山角水域船舶行为的船位推算方法可提前1 168 s识别到碰撞危险；②在随机生成的多目标船模拟环境下，本船在245，617，2 005，2 405 s分别采取右转17°、复航、右转11°、复航操作，可让清所有目标船，满足船舶在该水域航行时操纵决策的需求。综上，提出的方法在成山角水域可更早识别到碰撞危险并进行操纵决策，为船舶在类似分道通航制水域中智能航行的实现提供理论基础。      

基于双延迟深度确定性策略梯度的船舶自主避碰方法

为满足智能船舶自主航行的发展需求,解决基于强化学习的船舶避碰决策方法存在的学习效率低、泛化能力弱以及复杂会遇场景下鲁棒性差等问题,针对船舶避碰决策信息的高维性和动作的连续性等特点,考虑决策的合理性和实时性,研究了基于双延迟深度确定性策略梯度（TD3）的船舶自主避碰方法。根据船舶间相对运动信息与碰撞危险信息,从全局角度构建具有连续多时刻目标船信息的状态空间;依据船舶操纵性设计连续决策动作空间;综合考虑目标导向、航向保持、碰撞危险、《1972年国际海上避碰规则》（COLREGs）和良好船艺等因素,设计船舶运动的奖励函数;基于TD3算法,根据状态空间结构,结合长短期记忆（LSTM）网络和一维卷积网络,利用Actor-Critic结构设计船舶自主避碰网络模型,利用双价值网络学习、目标策略平滑以及策略网络延迟更新等方式稳定网络训练,利用跳帧以及批量大小和迭代更新次数动态增大等方式加速网络训练;为解决模型泛化能力弱的问题,提出基于TD3的船舶随机会遇场景训练流程,实现自主避碰模型应用的多场景迁移。运用训练得到的船舶自主避碰模型进行仿真验证,并与改进人工势场（APF）算法进行比较,结果表明:所提方法学习效率高,收敛快速平稳;训练得到的自主避碰模型在2船和多船会遇场景下均能使船舶在安全距离上驶过,并且在复杂会遇场景中比改进APF算法避碰成功率高,避让2~4艘目标船时成功率高达99.233%,5~7艘目标船时成功率97.600%,8~10艘目标船时成功率94.166%;所提方法能有效应对来船的不协调行动,避碰实时性高,决策安全合理,航向变化快速平稳、震荡少、避碰路径光滑,比改进APF方法性能更强。      

智能船舶船岸协同实验关键技术研究

为解决智能船舶实船实验困难、成本高和航行风险大等问题,选取封闭水域建立智能船舶船岸协同模拟系统.通过分析系统的功能需求,设计了系统整体架构及功能模型,研究了智能船舶船岸协同实验实现的关键技术,并在智能船舶运动建模中加入风力干扰,提升了船舶运动模型的精确度.利用船岸协同实验系统,在实验水域中进行了智能船舶操纵性实验、静态障碍物避碰实验以及路径跟踪实验.实验结果表明,运动模型仿真结果减少近50%误差,回转实验中在有风和无风2种条件下几乎无旋回速度和船速的改变,实际航行轨迹与参考轨迹的偏差也在0.2~1 m以内,满足智能船舶实验需求,为智能船舶的航行验证提供了基础实验平台.      

本期导读

由于水上航运密度越来越大、航道越来越复杂,船舶避碰的智能化研究逐渐受到了水上交通安全研究领域的重点关注,对航运安全具有重要意义。在分析总结国内外基于专家系统、模糊控制、神经网络,以及人工势场这4种重要的智能避碰系统研究成果的基础上,从避碰模型和避碰信息2个方面探讨了船舶智能避碰面临的关键问题,阐述了动态描述的避碰模型和基于权重的避碰信息划分方式。对船舶智能避碰系统的发展趋势进行了展望,分析了立体化船舶领域和避碰模型在线辨识等研究趋势。      

智能船舶的研究现状可视化分析与发展趋势

为了更好地把握智能船舶研究领域的前沿问题及发展现状, 针对智能船舶领域相关主题, 基于中国知网(CNKI)和Web of Science数据库中2010-2020年的文献检索结果, 运用知识图谱从计量统计的角度从时间、作者、机构以及关键词4个方面系统地呈现了智能船舶领域发展的趋势、前沿和热点。在此基础上, 从智能船舶的态势感知、智能避碰、智能控制、网络通信和法律规则研究5个研究方向分析了智能船舶研究趋势和热点问题, 并提出了智能船舶人机共融及决策技术研究、编队航行风险研究以及传统/智能船舶混行风险评价研究这3个重点研究方向。研究结果表明, 从2015年开始, 智能船舶相关研究文章快速增长, 增长幅度在每年14篇以上, 平均增长率达58%; 国内智能船舶主要研究机构包括武汉理工大学、大连海事大学、上海交通大学等, 国外主要研究机构包括挪威科技大学和代尔夫特理工大学; 智能船舶领域的研究热点包括态势感知、智能避碰、智能控制、网络通信安全和法律安全。      

海事安全研究发展动态 ——第13届船舶导航与海上运输安全国际会议综述

海事安全是水上交通运输中重要的研究方向之一.第13届船舶导航与海上运输安全国际会议(TransNav 2019)在波兰格丁尼亚召开,会议的主要目标是寻找海上航行、船舶导航、物流与能源、基础设施、海洋环境、航海保障以及航海经济方面的主要问题和解决方案.以海事安全为主题,对此次会议的200篇论文进行梳理,从船舶航行安全、应急安全保障和防治船舶污染3个方面探讨当前海事安全研究的热点问题.在船舶航行安全方面,从水上交通风险评估、人为因素、船舶避碰和自主船舶航行安全4个角度详细论述了该领域的研究动态.并从水上交通风险评估、船舶避碰风险量化、多船会遇局面避碰算法和自主船舶风险评估等角度分析未来热点研究方向,对未来的研究重点提出建议.      

基于POA和COLREGS的无人艇路径重规划方法

避碰能力是无人艇(USVs)自主技术的核心体现.为了提高无人艇高速避碰过程的稳定性和安全性,在全局路径规划层和实时避碰层之间增加路径重规划层,实时调整航路对远距离障碍物进行提前规避.针对障碍信息不确定条件下的无人艇高速避碰问题,提出了基于障碍投影区(POA)和国际海上避碰规则(COLREGS)的路径重规划方法,解决障碍信息不确定性问题的同时兼顾航行规则约束.在POA区域2侧同时搜索安全可达路径,结合前次路径重规划结果,提出定量评价函数选择最优路径,保证无人艇航行稳定性.在仿真平台下,对比避碰策略变化次数和避碰安全距离2项指标,3层避碰框架(2.632次,162.3 m)明显优于2层避碰框架(7.239次,35.8 m).在实艇高速避碰实验中,设计对遇、交叉、超越等典型会遇场景,每种场景下避碰策略变化次数均控制在5次以内,避碰安全距离保证在100 m以上.实验结果表明,基于POA和COLREGS的路径重规划方法能够兼顾安全性和稳定性.      

自动紧急转向系统测试场景及试验设计研究

针对目前纵向避障技术在相对速度较高、路面附着条件差、与障碍物重叠率低等特定场景下制动距离过长的缺点，对纵向距离更小，避碰效能更高的车辆横向避碰典型测试场景及道路试验展开研究。通过分析梳理我国最大规模事故场景驾驶注意预测（DADA）数据集，并结合欧盟ECE-R79自动转向标准要求，得到自动紧急转向（AES）系统的典型测试场景，同时对道路试验进行设计，提出软硬件测试设计方案，可实现对典型测试场景下不同车速条件下的紧急转向试验监控，从而对AES系统进行有效测试评估。     

三峡库区溢油风险辨识与评价

随着三峡库区通航环境的改善,危险品船舶流量逐渐增大,增加了溢油事故的风险.文中基于三峡库区不同水位期不同水域的通航环境分析,通过建立三峡库区溢油风险评价指标体系,利用模糊层次分析法,采用定性与定量相结合的方法,分析出三峡库区各典型水域的溢油风险高低.     

《1972国际海上避碰规则》关键条款的智能仿真编程研究

从人工智能的角度对“1972年国际海上避碰规则”中涉及避碰的几个关键条款进行智能化仿真编程,以实现两机动船在开阔水域的自动避碰,并对交叉相遇局面进行了仿真,对仿真结果的分析验证了该程序的实用性。