基于COLREGs规则自主导航和避碰规则.docx

1、基于COLREGs规则自主导航和避碰规则基于 COLREGs 规则自主导航和避碰规则L. P. Perera海洋技术和工程（ CENTEC ），里斯本技术大学为中心， 研究所高级技术师，里斯本，葡萄牙J. P. CarvalhoINESC-ID 技术研究所高级技术师，里斯本，葡萄牙里斯本大学C. Guedes Soares海洋技术和工程（ CENTEC ），里斯本技术大学为中心， 研究所高级技术师，里斯本，葡萄牙摘要：自主制导和导航（ AGN ）是未来的一个重要组成部分由于相关的航行成本的降低 和海上安全， 海洋导航。 此外智能化决策能力， 应该是未来的 AGN 系统集成的一部分， 以改善自主

2、远洋航行设施。本文重点方面的 AGN 系统概述在远洋航行的避碰。此外， 模糊逻辑为基础的案例研究根据国际海事组织 （IMO ）的国际公约的制定过程海上避碰（ COLREGs ）条例已说明。1引言1.1 自主导向及导航“自动转向当被正确使用时是最有价值的发明。 但当他自己管理自己的时候， 一旦 放松警惕会导致灾难。它在海上的安全完全取决于人并且它们会造成超乎想象的问题”该声明由Cairns法院参照1964年9月英国货轮“Trentbank在地中海超越葡萄牙油 轮“福戈”（克罗夫特和 Lameijer 的（ 2001 ）的事故制定的。裁决不仅表明 AGN 系统在海洋导航的重要性，同时也警示人们进一

3、步的发展它的能力和要求。自动驾驶系统是自主制导和导航系统的基础单元， 他们的应用应经成为近几十年船 舶设计师的梦想。在设计下一代的海洋 AGN 系统时，计算机技术的发展，卫星通信系 统， 电子设备， 包括高科技的传感器和执行器， 这些已经将这个梦想变成一个可能的现 实。AGN 系统的第一步，即应用控制程序的基础，是建立在 Sperry 发明了第一台自动 操舵机的基础上。 他的工作建立在他把一个经验丰富的舵手的行动制定成为一个单输入 单输出系统（ SISO ）。同样， Minorski 的研究工作也为 ANG 系统的做出了关键的贡献。他最初的工作是 对自动化船舶转向系统一个二阶的船舶动态模型的理

4、论分析。试验于 1923 年在新墨西哥州 Minorski 与美国海军的合作下进行并于 1 930年公布（贝内特， 1984年）。因此，这两个由 Sperry 和 Minorski 完成的工作被视为是对在海上航行时经验丰富 的舵手 （Roberts 等 （2003）行为的非线性的复制。 从他们的时代到现在， 大量的研究工作 已经完成，并且大量有关 AGN 系统的船舶动力学，导航路径的新一代控制其应用，减少环境干扰，避碰条件等方面的文献已经发布。Fossen（ 1990）总结了多用途制导，导航和控制（ GNC）的功能。其重点不仅仅是过程保持，过程变化的模拟演示 （传统的自动驾驶系统） 同时还集成

5、数字数据 （数字图表和天气数据），动态位置，和自动对接系统。Collision AvoidanceCon rm I Sv：Marini? es&elCondiitiomsFillersSensorsAuinn0mou5h and NavigationSeiiMir Nuisir图1:自主导向和导航系统。AGN系统最近有关设计，分析，控制的发展也由 Ohtsu（ 1999）总结，并且 AGN系统的几个海洋应用也得到了系统的研究， （Moreira等，（2007）; Healeyand Lienard,（1993）; Do and Pan, （2006）也对此作了实验。在未来为了减少远航的费用，提

6、高海上安 全，这方面势必变得越来越重要。图1是AGN系统的集成与防撞设施的主要功能框架图。 AGN系统包含四个部分，碰撞回避条件的单位（CAC），控制系统（CS）,过滤器和传感器。传感器单元包含了 可以测量船只导航航向和速度特点的传感器。 过滤器的制定是为了过滤噪声信号。 过滤器单元的输出会反馈到 CAC和CS系统。CS系统会通过传感器信号来控制整个船只的航行，CAC系统通过传感器信号来避碰。1.2避碰一个智能的决策系统是未来 AGN系统在海上导航工作中重要的组成部分。然而，传统远航都是通过人工的制导，75-96 %的事故都由于各种 各样的人为错位造成（Rothblum 等（2002） ; A

7、nt?o and Guedes Soares2008）。既然人为的错误判断和错误操作 造成了海洋中人员的伤亡和环境的破坏， 限制海航过程中人为的因素和使用一个智能的决策系统就可以减少海上意外事故的发生和人员环境的损失。 但是新一代AGN中的避碰系统还在未来的研究当中，这部分的智能 AGN系统称为E导航（eNAV （2008）在最近的文献术语中制定 AGN系统下需要避碰的船只称为“我船”，需要避开的船称为“目标船”。为了遵循国际海上避碰规则（COLREGs ）的公约，船只在右舷的有 高的优先级称为“不动”船，而左舷优先级较低的船称为“让路”船。这些要求已经制 定在避碰系统的工作中。Chauvin

8、 and Lardjane （2008）提出在远洋航行中制定相互运动的决策处理过程及战 略，包括避碰情况。量化描述轮船还有货轮 “让路”和“待命”指令的记录，以及汽车轮渡多弗尔海峡的数据也在该文中被提出。在最近的文献说明中，对于目标船只的位置和速度的检测是评估碰撞风险的两个重 要因素。Sato and Ishii （1998）提出结合雷达和红外成像探测目标船只作为避碰系统的一 个部分。同样工作中，通过遵循目标船只的运动过程和图片处理为基础建议的测量方式 呈现碰撞的风险。Kwik于1989年提出了基于运动学和船只的动态的两船碰撞的计算方法。 这种对船只避碰情况的分析说明了关于船只的速度， 旋转速

9、度和方向，并在相同工作下通过所需的距离。 Yavin 等在 1995 年考虑在一个狭窄的 Z 字形通道中两船避碰的情况并且计算 了与开环方向舵控制系统相关的数值微分方程的求解方法。 然而， 基于微分方程的动态解决方案在现实中可能面临实施的困难。一个安全的船舶轨迹的设计是避碰过程中十分重要的一个部分， 通常由基于机动理 论（ Sutulo 等， 2002）的数学模型来模拟。另外一种基于神经网络的方法也在 2003 年被 Moreira 和 Guedes Soares 提出。 Smierzchalski 和 Michalewicz 在 2000 年提出了船 舶安全避碰轨迹的进化算法，其中将轨迹的运

10、算时间与其他船舶操纵性算法进行了比 较，安全轨迹优化过程中的静态和动态限制也能显示。然而， 优化系统找到的解决方 案都是建立在假设之上， 因此， 最优的解决方案可能是不现实的并且可能不具有智能化 功能。举个例子，优化算法找到的最优解可以会与 COLREGs 的规则相冲突。1.3 COLREGs事实上在远航航行避碰的最优解决方案中， COLREGs 中的规则已经被忽略了。这 种对国际海事组织的规则的忽略， 可能造成远航航行中的冲突。 根据海上事故的报告数 据显示， 56 的主要的海上冲突是因为违反 COLREGS 规则和规例（ Statheros 等。（ 2008）。因此， 文献提出忽略了 CO

11、LREGs 规则的方法不应远洋航行中实行。 另一方 面，在远洋航行中根据 COLREGs 规则实行会存在一些实际问题。 在考虑道口的情况下， 船在图 4,5,6,7,中处于“让路”状态，在图 9,10,11,12 下处于“不动”状态。在实行 COLREGs 规则时是有速度限制的， 根据目标船与我船的高速或低速的比较来规定 “不动”船与“让 路”船。Xue 在 2009 年提出了避碰情况中排斥力的优化算法，通过一个斥力场使我船与障 碍保持距离。 但是这个方法可能会在障碍物与我船速度相比十分快速或者十分慢速时发 生碰撞情况。 此外， 障碍物的复杂方位可能造成不可避免的碰撞情况。 另一方面， 基于

12、斥力法找到的我船航行全球性的优化算法， 可能不能给地区航行时提供一个好的航行轨 迹的计算。此外， “让路”船与“不动”船的概念是根据 COLREGs 规则派生出来的， 但在排斥力优化算法中不考虑该规则，因此该方法可能不被接受。智能控制在避碰系统中实施可以分为自动机，混合动力系统， Petri 网，神经网络， 进化算法和模糊逻辑。 由于其智能学习的能力， 这些技术在机械研究中十分受欢迎。 软 件系统基于人工智能（ AI ）技术，模糊逻辑，专家系统和神经网络和他们两的组合（混 合专家系统） ，由 Statheros 等在 2008 年总结出他们在远洋航行避碰中的应用。Ito 等人在 1999 年用

13、遗传算法来搜索碰撞情况下海洋安全轨迹导航。 该方法通过训练船“Shioji-maru ”整合微分全球定位系统 （DGPRS ）和自动雷达标图（ARPA）。ARPA 系统数据可以被制定为一个随机预测，被设计为障碍可能存在的概率图，由 Zeng 等人在 2001 年根据马尔科夫过程模型碰撞前的情况提出的。 进一步， 基于分析几何与 凸集 理论制定出的一个递归算法， Hong 等在 1999 年提出无碰撞轨迹导航。 同样的， 基于遗 传算法，Che ng等在2006提出了船舶避碰的轨迹优化。Liu和Liu在2006年使用案例推理（CBR）来说明根据先前船舶碰撞情况记录的导 航数据来学习避碰。 此外，

14、 基于数据融合方法的碰撞危险评价体系被考虑并且评估风险 程度的模糊隶属函数也被提出。进一步，针对不同的智能防碰撞算法的碰撞条件也被 Yang 等在 2008 年在计算机平台模拟。 Zhuo and Hearn 在 2008 年提出了避碰情况下使 用自我学习模糊神经系统的一项研究。 该研究基于一个脱机训练计划并且该研究建立在 两船碰撞情况的基础上。 Sugeno型模糊推理系统（FIS）被建议用到避碰系统决策过程中。1.4 基础模糊逻辑系统基础模糊逻辑系统是根据人类思维模式制定的。 他能在决策过程中提供一个便于人 机友好的操作界面。因此，之前 Hendy 在 1995 年在一些决策系统的研究或者商

15、业应用 中已经提出。 Rommelfanger （ 1998 年）和 Ozen 等（ 2004 年）提出结合人类的行为和 决策过程中制定各种模糊函数。一个避碰情况中整合虚拟力场的模糊逻辑方法已经被 Lee 等人在 2004 年提出。但是这个模拟结果仅限于两艘船之间的避碰情况。远洋航行 中防撞的区间编程由 Benjamin 等人在 2006 年提出。 此外， 防撞行为遵照美国海岸警备 队避碰规则（ COLREGs 美国）。Benjamin 和 Curcio 在 2004 年远洋航行过程中提出的决策， 该决策是基于区间多目 标决策的编程模型决策算法。基于 IF-THEN 逻辑的计算算法由 Smea

16、ton and Coenen 在 1990 年对于不同的碰撞情况仿真条件下定义和测试。尽管很多与船舶避碰相关的技术 已经被提出，但这些技术通常忽略由国际海事组织（ IMO ）于 1972 年制定的海洋法。公约上这些规则和规定都是根据国际防止海上碰撞（ COLREGs ）规例（国际海事组织（ 1972 ）。本公约旨在更新和替换避碰规则 1960 年在同一时间通过的海上生命安全国际公约（国际海上人命安全公约） （ Cockcroft 和 Lameijer （ 2001）。在 COLREGs 规则中防撞的详细说明规章应如何解释和如何避免碰撞，已经由 Cockcroft 和 Lameijer 的（ 2

17、001）提出。进一步，不仅在海中自主导航的复杂已由 Benjamin 和 Curcio 的在 2004 年讨论，在地面自主导航的复杂也由 Benjamin 和 Curcio 的在 2004 年已讨论。 讨论了法律框架， 法规和规章。 在同样的工作中， 强调了在一组给定的规则 和法规中避碰的重要性。2COLREGS 规则及规定COLREGs （国际海事组织（ 1972 年）包括 38 规则已被分为 A 部分（一般） ，B 部分（转向和帆船） ，C 部分（号灯和号型） ，D 部分（声光报警信号） ，E 部（豁免）。 另外还有四个附件包含有关号灯和号型， 技术要求和自己的定位， 声响信号器具， 操作

18、 时渔船近距离额外的信号， 与国际遇险信号。 三种不同情况涉及碰撞的危险远洋航行已 确认在最近的文献 （Smeaton and Coenen（ 1990）, Overtaking （见图 3 和图 8） ; Head-on （见图2）, Crossing （参见图4至7及9至12）和这些碰撞方面的规则和规例条件已 经由 COLREGs 强调。Figure 2: Head-onU xFigure 4: CrossingFigure 6: Parallel-crossingFigure 3: OvertakeFigure 5: CrossingFigure 7: CrossingFigure 8:

19、 Overtake! IFigure 9: CrossingFigure ) t: CrossingLJ xFigure 12: Crossing海上碰撞可以定义为接近两个或两个以上的固定或者移动的固体障碍或者船只组成的动态事件。因此，按照 COLREGs所示地维护船只和其他障碍之间的安全距离也是海上安全的重要因素。船只之间的安全距离在超越情况时已经在 说明了。（见图3和图8）。COLREGs 规则第 13 (a) (IMO (1972)“ ，任何船只超越任何其他船只被超越船保持让路” 。因此，两艘船有责任在相遇追越时保持安全距离。 进一步， 迎面情况的过程中的变化（见图2）已由COLREGs

20、指定第13条（a）（国际海事组织（1972年）。“当两个动力驱动船只在相互碰面或近相互航行时， 增加了碰撞风险。 船只应改变 她的航道，向右舷行驶以便从对面船只的左舷通过” 。正如 COLREGs 要求， 船只应及早采取行动以避免穿越的情况发生， 导致发生右舷 碰撞的危险， 向必须提前从左旋方向通过。 横穿情况进一步制定了 COLREGs 并根据第 15条“当两个动力驱动的船只穿越， 为避免碰撞的危险， 如果某船只的右舷有另外一艘 船，该船应保持自己的航向，如果情况运行，应其避免交叉穿越他船只”由 COLREGs 指明，船只从右舷在导航中具有较高的优先级和船只从左舷的较低优 先级。这个概念先前

21、被定义为“让路”船和“不动”船。然而，考虑碰撞的条件， “让路”的船只没有采取任何适当的行动以避免碰撞， 如下图按COLREGs规则第17（ b）（国际海事组织（ 1972年），“不动”船只已被迫采取适当行动来避免相撞的情况，“从任何原因， 该船必须保持自己的航向和速度， 发现自己如此接近以至于碰撞在 一艘船让路时无法回避，另一艘船也应采取这样的行动来最好的紧急措施以避免碰撞”然而， 在这种关键碰撞情况下的我船决策应该精心制定。 因为这种情况下的避碰还 另外取决于 “不动” 船的操纵性能的特点。 此外， 这种情况下， 由于没有足够距离减速， 可能会导致不动船的紧急刹车。 COLREGs 规则

22、6（国际海事组织（ 1972 年）建议降 低船速，为了保证足够的安全距离。船只在任何时候都应该保持自己的航速以至于它能采取正确的及时的行动以避免碰撞，并停在当时的情况下合适的距离。 为保证安全航速，应该考虑以下因素转弯.因此，特别因素应该被考虑整合并且速度的控制可能不能响应所需的要求的变化。 决策的形成过程中应该尊重“刹车距离”和“转弯弧度”的进一步的信息。船只过程的 变化和 /或远洋航行速度的变化，必须制定来为了避免碰撞情况。无论是特定路线或速 度变化的可控性已经在 COLREGs第8条（b）（国际海事组织（1972）中突出显示：在当时个别情况下，任何过程和 /或速度以避免碰撞的变化应对别的

23、船只的目视或 雷达显示下足够明显，小的变化应该避免。因此，集成控制和速度变化当然应该在远洋航行的过程中实施以避免碰撞的情况发 生。基于自己的船可能不会响应所需的航道或速度的变化这一事实同样的特殊措施应考 虑整合航道和速度控制。3避碰方法3.1.障碍的识别在远洋航行中移动和静止的障碍可以被一些仪器和系统比如眼睛 /摄像头，雷达 /雷达自动标图仪（ARPA）和自动识别系统（AIS ）。APRA系统提供周围障碍的承载和范 围的准确信息， AIS 能够给出所有船舶结构数据的信息，位置，航向和速度。 AIS 模拟 器和海上交通模拟器一些实验平台上实现安全船舶轨迹设计（ Hasegawa （2009） 。

24、3.2.导航信息的收集其他船只航行的信息被分类为静态， 动态以及和航程相关的信息 （ Imazu （ 2006） ） 。 静态信息由海上移动服务标识（ MMSI ），呼叫标志和名称， IMO 编号，长度梁，船舶 类型和位置和通信天线的位置等组成。 动态信息可分为船只位置， 位置时间标记， 对地 过程，对地速度，前进方向，航行状态和转弯速度。最后，航程相关信息可以扩展到船 舶草案， 货物种类， 目的地和路线计划。 导航信息的集合在远洋航行的避碰决策中是一 个重要的组成部分，并且在自动识别系统（ AIS ）的合作下可以实现。3.3.导航信息的分析为了导航信息， 收集到的障碍和其他船只信息应考虑进一

25、步分析。 然而， 不断地小 心的观察， 收集和分析航行的信息应在在小的经常的间隔中做取得碰撞情况的预警。 进一步在远洋航行中，复杂的碰撞情况与上述情况相结合可以发现和分析每一种碰撞情 况。关于那个远洋航行的整体决定对各种情况有帮助作用。3.4.碰撞风险的评估导航信息的分析， 将有助于评估碰撞的危险。 碰撞的风险评估应该是在实时的连续 的通过导航系统完成以确保本船的安全。 如文献所示， 碰撞风险检测的数学分析可分为 两类（ Imazu （2006） ）：最近点逼近方法（ CPA - 2D 法）预测危险地区方法 “（PAD - 3D 法）。 CPA 法由我船到目标船的最短距离来做碰撞分析评估的计算

26、方法组成。这种方法 可以预测随着自己船的区域。 然而， 这种方法是不够的评估碰撞的危险， 因为它没有考 虑到的目标船只的大小，航线和速度。 Kwik 在 1989 年提出 CPA 法就两船只碰撞情况下进行广泛的研究。 PAD 法包括对本船做出一个船只可能轨迹倒置的锥体的模型和目 标船轨迹一个倒置圆柱的模型， 两个对象的交叉区域作为危险区。 目标船只的大小， 航 向和速度，可以被纳入航行轨迹的几何对象。3.5.航线的选择远洋航行的避碰决策建立在对船只航线，速度，两船之间的距离，两船最近点法（ RDCPA ），DPCA 时间，临近船只和其他环境条件。在开放海域的每只船避碰可分为 三个过程：1.5.

27、1.当两艘船是在非碰撞危险范围， 双方船只必须采取适当的选 项行动，以避免发生碰撞的情况 ;1.5.2.当两艘船在碰撞危险范围， “让路 ”的船只应按照 COLREGs 规则和规例采取适当的行动实现安全传递距离和 “不动 ”船 应保持航线和速度 ;1.5.3.当两艘船是在危急的碰撞风险范围， “让路 ”的船只不采取适 当行动以实现安全通过距离按照 COLREGs 规则， “站在 ” 船应采取适当的行动，以避免碰撞的情况。3.6. 导航决定的执行情况最后一步， 船只航行的决定应该在碰撞的风险评估的基础上进行制定， 自有船只的 行动是和目标船舶的行动以及 COLREGS 规则和规章制度的约束来完成

28、的。预期自有 船只和目标船只行动的碰撞躲避可以分为两类制定： 指引航线变化 和速度变化。 然而， 行动的初期应该制定目标船舶的范围和范围变化的速度。 而如果行动目标船舶不明确或 是行动不明确，声音信号应该按照建议使用 COLREGS 。在一种碰撞的情况下， 当目标船舶提前或正好在自有船只的船首， 并且目标船只在 船尾或恰好离安全距离在 1/4 处超过了自有船舶， 这时指引航线的改变比速度改变更有 效。但在另一种碰撞情况下，当目标船舶接近自有船的正横处或接近正横处， ，改变速 度比改变航线更高效，但改变指引航线也可能达到同样效果。在传统导航系统中， 船舶电力驱动一般更偏向于指引航线的改变， 因船

29、桥上引擎的 可控性有困难， 并会延迟， 除非引擎处于待机模式。 然而， 这些问题用集速度和航线控 制于一体的 AGN 系统可以解决。4个案研究：基于模糊逻辑控制这部分聚焦于一个基于模糊逻辑的决定。使（ DM ）系统对船舶实施导航，通过避免碰撞情况来持续改进船舶安全， 也是 perera 研究的例证。 经验丰富的舵手在海洋的导 航行为可以用一个基于模糊逻辑的决策进行模拟。这是这个提议的主要优势。4.1 碰 撞条件的形成图 13 提出了在海洋导航系统的两种和自有船只雷达类似的碰撞情况。自有船只开始于点0,目标船只位于点 A。自己和目标船只速度和航线用 Vo, Va, yo, ya来表示。相对速度为

30、（Va，0），航线为（Y，o）的目标船只就可以根据轴承值预计自有船只的 范围时间段。目标船只的相对轨迹可以根据由相对速度衍生出来的 Va， 0 和相对航线ya，o进行估计。所有角度被测量的角度形成了正 Y轴。当然，这是在假定所有船只是国际海事组织分类认证的功率驱动的船只的情况下。图13:在海洋航行相对碰撞现状此外，在图13,自己的船海洋域名分为三个圆截面半径 RVD, Rb和RA。半径Ra为近似距离目标船只识别。 这个距离可以定义为我船作为 “让路”情况并应采取适当的行动以避免碰撞。距离 Rb代表近似本船作为“不动”船但是应该采取行动避免碰撞的 距离。以避免目标船缺乏适当的行动目标。距离 RV

31、D进一步表示船只域。考虑近似距离这项研究是 RVD为1nm， 6NM 的Rb和RalONM。我船的碰撞区域分为I到VHI八个区域。这里假定目标船在这八个目标船只区域， 防撞区域根据这些船只区域来制定。以图 13为代表，目标船处于位置 II，在目标船位置已被分在相对船舶的八个不同方向的路线( II-A II-H )。4.2模糊化和去模糊化基于DM系统模糊逻辑整体设计过程可分为以下六个步骤。输入模糊隶属鉴定功能(FMFs)。输出FMFs鉴定。FMF的每个输入和输出建立。构建If-Then模糊规则操作整个系统。模糊规则强度分配采取的行动。 规则及模糊化组合输出。421 模糊集合和隶属函数模糊集由模糊隶属函数定义（FMF），即从一个给定的通用单位到另一个通用单位的映射关系。然而，它在概念上不同于概率的基本概念（ Pedrycz Gomide （2007）。模糊变量通常由基于模糊规则推理条款的特殊模糊隶属函数定义。 在语言方面的输入（碰撞距离，碰撞地区，相对碰撞角和相对速度的比率）和输出（速度和航道改变的船）被 定义为这一分析。Mamda ni type IF is an d/or is Lin guistic Te