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。      

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。      

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。     

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.      

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、     

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...     

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.      

试论船舶倒车与避让

船舶动态的控制是由操纵系统来完成的.尤其是船舶在海上航行中的避碰,全部是由车、舵的协同达到避让的目的.<国际海上避碰规则>规定:如须避免碰撞或须留更多时间来估计局面,船舶应当减速或停车或倒转推进器把船停住.     

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.      

基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法

为了解决船舶部分场景中仅靠变向避让效果差的问题，研究了多物标环境下符合避碰规则的船舶可变速自动避碰决策方法。基于船舶会遇四阶段理论和船舶领域模型量化船舶碰撞危险度，通过可变速MMG模型和模糊自适应PID航向控制方法推演船舶定、变速改向操纵过程。在此基础上，改进了基于操纵过程推演和速度障碍理论的动态可行操纵区间求解算法。以实船为仿真目标，进行了不同操纵方案下的对比实验和多物标场景下的仿真实验。将程序运行步长设置为1 s，结果表明:①预设他船位置（4 n mile，4 n mile），航向270，航速12 kn，本船位置（0 n mile，0 n mile），航向000，航速12 kn的交叉相遇态势下，变向变速避让和仅变向避让采取操纵行动的最晚时间点分别为711 s和643 s；②在物标较远的多物标环境下，本船O保向保速至663 s，与目标船T_A，T_C，T_D构成碰撞危险，采取目标航向、转速区间为[48°, 61°]、[75 r/min, 85 r/min] 中任意组合可让清所有物标。      

基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略研究

为实现车辆自主避撞,改善道路交通安全状况,提出一种基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略。为实时确定制动和换道时机,获取跟车状态下自车和前车车速、加速度、相对距离以及驾驶人制动反应时间计算制动安全距离和换道安全距离,并在此基础上分别引入制动危险系数B和换道危险系数S评估制动与换道风险,使得车辆发生追尾碰撞的危险程度和主动干预阈值更直观。根据车辆期望横向加速度和期望横向位移的变化特性,采用5次多项式法规划符合驾驶人换道避撞特性的避撞路径。为保证换道避撞过程中驾驶人的安全舒适,采用最大横向加速度约束换道避撞轨迹。为实现对换道避撞路径的线性跟踪控制,保证车辆的操纵稳定性和横摆稳定性,基于车辆稳态动力学模型建立前馈控制,结合线性反馈控制消除换道路径的位置和横摆角偏差,修正参考路径实现直车道场景追尾避撞控制。仿真和实车交叉验证试验表明：根据车辆期望横向加速度和期望横向位移建立的符合驾驶人换道避撞特性的五次多项式换道路径与驾驶人实际换道避撞路径基本吻合,结合碰撞时间和车间时距的制动避撞控制策略能够在保证车辆行驶安全舒适性的同时有效避免车辆追尾碰撞,减少交通事故的发生。     

智能汽车对无信号交叉口行人的避撞控制

针对智能汽车在无信号交叉口对横穿行人的避撞问题,研究了主动转向避撞控制策略.基于多层模型预测控制方法,采用分层控制策略设计局部规划层控制器与全局跟踪层控制器,在此基础上根据交叉口处汽车与行人的轨迹特征计算人车碰撞剩余时间,改进传统人工势场法构造避撞函数,规划出既能规避交叉口内存在碰撞风险的行人又能使偏差最小的局部避撞路...     

智能汽车自动紧急转向避撞的跟踪控制方法对比研究

为了提高智能汽车的主动安全性,提出3种不同的自动紧急转向避撞跟踪控制方法。首先建立汽车避撞简化模型,对制动、转向及两者相结合的3种不同避撞方式进行对比分析。其次,为深入研究汽车避撞过程中的实际响应,建立包含转向、制动及悬架3个子系统耦合特性的底盘18自由度统一动力学模型,并进行相关试验验证。随后构建智能汽车自动紧急转向避撞控制框架,对五次多项式参考路径和七次多项式参考路径的横摆角速度和横摆角加速度进行对比分析。接着以线性2自由度转向动力学模型为参考对象,对最优控制四轮转向、最优控制前轮转向、前馈与反馈控制相结合的前轮转向3种不同的跟踪控制系统分别进行设计。最后,以汽车底盘18自由度统一动力学模型为研究对象,对上述3种避撞控制系统进行仿真试验对比分析。研究结果表明：与制动避撞相比而言,转向避撞所需的纵向距离有较大降低,随着车速的增加和路面附着系数的越低,效果越明显;七次多项式参考路径比五次多项式参考路径的避撞过渡过程更为平缓,当实际车速与控制器所用车速不一致时,前者避撞性能表现更优;最优四轮转向控制系统在高、低2种不同附着路面都具有较好的避撞效果,最优前轮转向控制系统次之,而前馈与反馈相结合的前轮转向控制系统在低附着路面上则表现出严重的失稳。     

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...     

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。      

桥墩抗船撞击性能研究

桥梁在船舶碰撞时受到的动力载荷和响应是复杂的动力非线性问题。首先阐述了船桥碰撞常用的研究方法,同时简要介绍了数值模拟方法的基本原理。用非线性有限元程序LS-DANA对一艘5万t实船与桥梁的碰撞过程进行了仿真分析,研究了有、无防撞装置对桥梁冲击性能的影响,结果表明柔性防撞装置既能保护桥墩又保护了船的安全,计算结果为工程设计提供了有价值的数据。     

车路协同下基于冲突规避的匝道合流优化控制方法

匝道合流区是城市快速路冲突频发区,研究匝道合流控制方法对于提高道路的通行安全具有重要意义。文中基于冲突规避原则提出了CVIS环境下的匝道合流控制方法。考虑车辆特性和行驶的约束,以合流区冲突最小为目标,优化行车过程。经仿真验证,该方法能有效避免冲突并提高车辆行驶的舒适性,为匝道合流区的冲突管理提供控制方法。     

G1501 跨泖港大桥主动防撞系统设计

G1501高速公路跨泖港大桥上跨平申线(上海段)航道。该航道是《上海市“十二五”内河高等级航道建设规划》中首批启动建设的航道,为黄浦江上游三大支流之一,目前航道等级Ⅴ改Ⅳ。改造过程中航道上桥梁被船撞风险高,通过对桥梁预防航道船舶碰撞预警系统工作模式与参数化技术、多源数据三维测量空间的平面转换算法与工程实现技术、基于多源数据融合的船舶通航异常行为的判别技术、桥梁预防航道船舶碰撞预警系统性能优化与工程测试技术等内容进行研究,突破基于多源数据融合的复杂背景下航道多目标检测/跟踪算法、基于多源数据融合的船舶-桥撞击态势预测等关键技术,泖港大桥采用主红外、可见光和激光测距三类传感器复合体制的航道桥梁主动防撞系统。从而实现全天候、全天时、全自动航道桥梁主动防撞监控及预警,其应用效果良好。