船舶智能避碰策略测试方法与指标研究

智能避碰策略是实现智能航行的关键技术,其设计缺陷会导致巨大的安全风险、环境风险及经济损失.为获取对智能避碰策略系统有效的测试评价方法,研究并得出测试评价指标体系,以在开阔水域的2艘船舶为研究对象,基于《国际海上避碰规则》研究并量化船船之间的典型关系、行动准则等关键概念,通过解算船舶态势关系得出影响船舶避碰行为的要素,并进行仿真验证.进而以此为基础分析对智能避碰策略可行的测试评价方法,得出构建系统化、量化及典型化测试场景的原则及方法,依托典型测试场景提出测评指标体系的构建原则,为研究构建多船在开阔水域智能避碰测评方法和测评指标体系提供基础.      

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C/S模式的“船舶避碰行为调查”系统设计

海上避碰实践很大程度上受到人的决策行为的影响,在传统船舶避碰行为调查方法的基础上,基于VC＋＋软件平台,采用C/S网络模式,结合虚拟现实技术开发了避碰行为调查系统。与传统发送纸质问卷的调查方法相比,该系统提高了调查的时效性和准确性。     

对影响安全航速因素的分析与探讨

1 对安全航速的理解 1972年<国际海上避碰规则>第六条规定,每一船舶在任何时候均应以安全航速行驶,以便能采取适当而又有效的避让行动,并能在适合当时环境和情况的距离内把船停住.<中华人民共和国内河避碰规则>第七条第一款也明确规定,船舶任何时候均应以安全航速行驶,以便能够采取有效的避让行动,防止碰撞.     

基于最优控制的静水面多船避碰控制研究

多船避碰在船舶的导航与控制领域是一个非常困难的问题,传统的几何避碰方法较难处理这类问题。文中采用最优控制方法,从船舶的运动方程出发,由避碰的实现过程设计目标函数,采用广义梯度方法求解。仿真实验结果显示,在静水面情况下,该方法能得到较好的避碰效果。     

基于避碰规则自动驾驶船舶路径优化的研究进展

在人工智能与大数据背景下, 自动驾驶船舶因其安全、高效的优势吸引了国内外学者的广泛关注。但其避碰相关法律条例与避碰路径规划发展并不均衡。自动驾驶船舶概念在规范条例中仍十分模糊, 传统的路径优化与算法存在一定的偏差, 只局限于全局规划或局部规划无法有效的保障船舶行驶安全性。基于避碰规则梳理了自动驾驶船舶的相关规范, 分析了最新的自动驾驶船舶路径优化研究成果, 阐述了当下自动驾驶船舶路径规划的模型, 包括智能算法.规划目标与约束条件等。针对当下仍存在的自动驾驶船舶避碰问题, 应从定义、监管、责任划分等方面完善自动驾驶船舶法律法规体系, 改良传统避碰路径规划算法容易陷入局部最优解﹑求解过程缓慢等缺陷, 展望了自动驾驶船舶的进一步发展趋势。      

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。      

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。      

本期导读

正在人工智能与大数据背景下,自动驾驶船舶因其安全、高效的优势吸引了国内外学者的广泛关注。但其避碰相关法律条例与避碰路径规划发展并不均衡。自动驾驶船舶概念在规范条例中仍十分模糊,传统的路径优化与算法存在一定的偏差,只局限于全局规划或局部规划无法有效的保障船舶行驶安全性。基于避碰规则梳理了自动驾驶船舶的相关规范,分析了最新的自动驾驶船舶路径优化研究成果,阐述了当下自动驾驶船舶路径规划的模型,包括智能算法、规划目标与约束条件等。针对当下仍存在的自动驾驶船舶避碰问题,应从定义、监管、     

对"最佳船速"的探讨

船舶速度在航运交通管理中是一个非常重要的参数.<1972避碰规则>第六条规定:"每一船舶在任何时候均应以安全航速行驶,以便能采取适当而有效的避碰行动,并能在适合当时环境和情况的距离以内把船停住."但如何选择一个合适的速度对所有船长和驾驶员来说都是一个非常重要的难题.     

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.      

健全我国内河干、支流交汇水域船舶航行会让避碰法律制度研究

1992年实施的《中华人民共和国内河避碰规则》（以下简称《91内规》）关于船舶在干、支流交汇水域航行、会让和避碰方面的规定，虽然比1979年《内河避碰规则》有较大的进步和完善，但由于全国内河干、支流航道纵横交织的地方特殊性和全国性法律的原则性及统一性，由一部统一的《91内规》去明确具体地规范全国各处的干、支流次汇水域船舶航行避让关系，也是不客观和不现实的。经过对《91内规》10年的适用实践，笔者认为现在很有必要对内河“干、支流交汇水域”的规定加以补充，使其进一步完善，规范船舶的航行和避让运行，避免或减少船舶在该水域发生水上交通事故。     

《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。     

超大型船舶的制动性探讨

船舶的停车制动是船舶操纵与避碰的一种重要手段。船舶紧急制动成功与否,取决于主机的正确操纵。船舶制动性的好坏直接关系到船舶的安全。文中介绍了各种船舶制动方法,对超大型船舶的制动特性进行分析,并对拖船倒车制动法进行了探讨。     

基于电子海图矢量数据建模的无人船路径规划

栅格地图在自主船路径规划领域应用广泛.为解决栅格地图在表示多种类型障碍物共存的复杂环境时所存在精度不高及路径可靠性不足的问题,提出一种基于电子海图矢量数据——点、线、面要素建立精确环境势场的方法,可用于描述不同类型障碍物及狭窄水域.在此基础上,改进了基于静态环境势场及动态环境引力和斥力的混合路径规划算法,并结合M ariner典型船型及比例微分控制,进行了多船多障碍动态环境和狭窄水域静态环境的仿真测试.试验结果表明,该算法实现了《国际海上避碰规则》约束下的船舶实时自主避碰,并兼顾多种形状和类型的障碍物.建模方法简单实用,具有与电子海图显示与信息系统相结合的潜力.      

浅谈川江航道特点对船舶避让的影响

根据川江航道水流特点和船舶会让具体情况，结合《内河避碰规则》，着重分析阐述川江现有航道对船舶避让的影响，并简要介绍三峡大坝建成蓄水后对川江航道和船舶会让的影响。     

智能网联环境下的交通信息与安全——第4届交通信息与安全国际学术会议综述

交通信息是交通运输发展的基础,交通安全是交通运输的重要目标,智能网联环境下的交通信息与安全越来越受到学术界的重视.第4届交通信息与安全国际学术会议(ICTIS 2017)在此背景下隆重召开.围绕交通信息与交通安全的核心内容,分别从道路、水路的信息与安全角度出发,研讨了水路信息多元化应用、海上事故分析与船舶避碰、道路基础设施信息交互、公共交通优化等热点问题,展示了最新的研究成果.综述了会议报告的热点,分析了交通安全趋势以及存在的问题,并指出新能源动力船舶系统安全与防控、多种类多模式交通流动态预测、无人船开发与应用、道路安全建模等是交通安全与信息未来的研究方向.      

基于ATM交换的多媒体通信平台在避碰中的应用

文章首先阐述了基于ＡＴＭ多媒体通信平台的概念、硬件与软件平台、数据模型、编码标准以及通信协议，然后提出该通信平台在船舶避碰中的应用。     

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。      

对一种特殊"追越"局面的讨论

分析当一船于他船右正横后22.5°附近接近他船所构造的会遇局面.指出<国际海上避碰规则>相关内容的缺陷以及海员理解和做法中存在的问题.阐明正确处理这种会遇局面的方法.