遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的無(wú)人船自主避障方法綜述

2019-09-28 07:55:36王建華鄭翔馬偉剛魏鵬

無(wú)人機(jī) 2019年8期

王建華，鄭翔，馬偉剛，魏鵬

1. 上海海事大學(xué)，上海市浦東新區(qū) 201306

2. 上海臨港海洋高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，上海市浦東新區(qū) 201306

隨著無(wú)人船行業(yè)發(fā)展應(yīng)用，出現(xiàn)了無(wú)人船和人工駕駛船舶混合航行的新情況，無(wú)人船遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的問(wèn)題逐漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際海事組織于1972年制定了國(guó)際海上避碰規(guī)則公約（COLREGS-International Regulations for Preventing Collision At Sea,1972），雖然目前的法律條文對(duì)無(wú)人船在自主避障時(shí)是否應(yīng)該遵守該規(guī)則沒(méi)有明確的規(guī)定，但國(guó)際上一些領(lǐng)先的無(wú)人船研究機(jī)構(gòu)已對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，本文介紹目前文獻(xiàn)中的一些典型方法。

國(guó)際海上避碰規(guī)則主要條文

在無(wú)人船自主避障的研究文獻(xiàn)中，涉及的國(guó)際海上避碰規(guī)則主要包括如下幾條：

第七條碰撞危險(xiǎn)

(1)每一船都應(yīng)使用適合當(dāng)時(shí)環(huán)境和情況的一切可用手段判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)，如有任何懷疑，則應(yīng)認(rèn)為存在這種危險(xiǎn)。(2)在判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，考慮的因素中應(yīng)包括下列各點(diǎn)：1)如果來(lái)船的羅經(jīng)方位沒(méi)有明顯的變化，則應(yīng)認(rèn)為存在這種危險(xiǎn)；2)即使有明顯的方位變化，有時(shí)也可能存在這種危險(xiǎn)，特別是在駛近一艘很大的船或拖帶船組時(shí)，或是在近距離駛近他船時(shí)。

第八條避免碰撞的行動(dòng)

(1)為避免碰撞所采取的任何行動(dòng)必須遵循本章各條規(guī)定，如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可，應(yīng)是積極的，應(yīng)及早地進(jìn)行和充分注意運(yùn)用良好的船藝。(2)為避免碰撞而作的航向和（或）航速的任何改變，如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可，應(yīng)大得足以使他船用視覺(jué)或雷達(dá)觀測(cè)時(shí)容易察覺(jué)到；應(yīng)避免對(duì)航向和（或）航速作一連串的小改變。(3)如有足夠的水域，則單用轉(zhuǎn)向可能是避免緊迫局面的最有效行動(dòng)，只要這種行動(dòng)是及時(shí)的、大幅度的并且不致造成另一緊迫局面。(4)為避免與他船碰撞而采取的行動(dòng)，應(yīng)能導(dǎo)致在安全的距離駛過(guò)。應(yīng)細(xì)心查核避讓行動(dòng)的有效性，直到最后駛過(guò)讓清他船為止。(5)如需為避免碰撞或須留有更多時(shí)間來(lái)估計(jì)局面，船舶應(yīng)當(dāng)減速或者停止或倒轉(zhuǎn)推進(jìn)器把船停住。(6)(a)根據(jù)本規(guī)則任何規(guī)定，要求不得妨礙另一船通行或安全通行的船舶應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境的需要及早地采取行動(dòng)以留出足夠的水域供他船安全通行。(b)如果在接近他船致有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，被要求不得妨礙另一船通行或安全通行的船舶并不解除這一責(zé)任，且當(dāng)采取行動(dòng)時(shí)，應(yīng)充分考慮到本章各條可能要求的行動(dòng)。(c)當(dāng)兩船相互接近致碰撞危險(xiǎn)時(shí)，其通行不得被妨礙的船舶仍有完全遵守本章各條規(guī)定的責(zé)任。

第十三條追越局面

(1)任何船舶在追越任何他船時(shí)，均應(yīng)給被追越船讓路。(2)一船正從他船正橫后大于 22.5°的某一方向趕上他船時(shí)，即該船對(duì)其所追越的船所處位置，在夜間只能看見(jiàn)被追越船的尾燈而不能看見(jiàn)它的任一舷燈時(shí)，應(yīng)認(rèn)為是在追越中。(3)當(dāng)一船對(duì)其是否在追越他船有任何懷疑時(shí)，該船應(yīng)假定是在追越，并應(yīng)采取相應(yīng)行動(dòng)。(4)隨后兩船間方位的任何改變，都不應(yīng)把追越船作為本規(guī)則條款含義中所指的交叉相遇船，或者免除其讓開(kāi)被追越船的責(zé)任，直到最后駛過(guò)讓清為止。

第十四條對(duì)遇局面

(1)當(dāng)兩艘機(jī)動(dòng)船在相反的或接近相反的航向上相遇致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí)，各應(yīng)向右轉(zhuǎn)向，從而各從他船的左舷駛過(guò)。(2)當(dāng)一船看見(jiàn)他船在正前方或接近正前方，在夜間能看見(jiàn)他船的前后桅燈成一直線或接近一直線和（或）兩盞舷燈；在白天能看到他船的上述相應(yīng)形態(tài)時(shí)，則應(yīng)認(rèn)為存在這樣的局面。(3)當(dāng)一船對(duì)是否存在這樣局面有任何懷疑時(shí)，該船應(yīng)假定確實(shí)存在這種局面，并應(yīng)采取相應(yīng)的行動(dòng)。

第十五條交叉相遇局面

當(dāng)兩艘機(jī)動(dòng)船交叉相遇致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí)，有他船在本船右舷的船舶應(yīng)給他船讓路，如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可，還應(yīng)避免橫越他船的前方。

第十六條讓路船的行動(dòng)

須給他船讓路的船舶，應(yīng)盡可能及早地采取大幅度的行動(dòng)，寬裕地讓清他船。

第十七條直航船的行動(dòng)

(1)(a)兩船中的一船應(yīng)給另一船讓路時(shí)，另一船應(yīng)保持航向和航速。(b)然而，當(dāng)保持航向和航速的船一經(jīng)發(fā)覺(jué)規(guī)定的讓路船顯然沒(méi)有遵照本規(guī)則條款采取適當(dāng)行動(dòng)時(shí)，該船即可獨(dú)自采取操縱行動(dòng)，以避免碰撞。(2)當(dāng)規(guī)定保持航向和航速的船，發(fā)覺(jué)本船不論由于何種原因逼近到單憑讓路船的行動(dòng)不能避免碰撞時(shí)，也應(yīng)采取最有助于避碰的行動(dòng)。(3)在交叉相遇局面下，機(jī)動(dòng)船按照本條 1 款第二項(xiàng)采取行動(dòng)以避免與另一艘機(jī)動(dòng)船碰撞時(shí)，如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可，不應(yīng)對(duì)在本船左舷的船采取向左轉(zhuǎn)向。(4)本條并不解除讓路船的讓路義務(wù)。

主要方法

基于速度障礙的方法

基于速度障礙（VO）的方法由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Yoshiaki Kuwata等學(xué)者在2014年1月的IEEE海洋工程期刊上發(fā)表，具有較高的計(jì)算效率，進(jìn)行了充分的水面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（1） COLREGS速度障礙約束

上節(jié)介紹的速度障礙V0是理想的情況，假設(shè)本船和他船的速度均不變。如果考慮速度變化等不確定因素，碰撞錐將擴(kuò)大。如圖11所示，紅線內(nèi)灰色區(qū)域是無(wú)人船A相對(duì)于來(lái)船B在理想情況下的碰撞錐，稱為硬約束；黃色區(qū)域是考慮不確定因素時(shí)碰撞錐的變化，稱為軟約束，以提供一個(gè)安全緩沖區(qū)。包括黃色區(qū)域的碰撞錐稱為最壞情況下的碰撞錐，或最壞情況下的速度障礙（WVO）。

由于碰撞錐已包含無(wú)人船應(yīng)該從來(lái)船哪一側(cè)通過(guò)的信息，因此，可將COLREGS規(guī)則看作速度空間中的一組約束。如圖11所示的可行速度空間可分為三個(gè)區(qū)域：如果無(wú)人船選擇區(qū)域V3中的速度，它將離開(kāi)障礙物，不會(huì)發(fā)生碰撞；如果無(wú)人船選擇區(qū)域V1中的速度，它將從來(lái)船的右側(cè)通過(guò)，在無(wú)人船追越他船、對(duì)遇和來(lái)船在右側(cè)的交叉相遇局面，不可選擇區(qū)域V1中的速度；如果無(wú)人船選擇區(qū)域V2中的速度，它將從來(lái)船的左側(cè)通過(guò)。

（2）規(guī)則選擇

6.利用多種德育載體，拓寬德育教育渠道。一是加強(qiáng)德育網(wǎng)站建設(shè)，創(chuàng)建和豐富學(xué)校德育網(wǎng)站，利用網(wǎng)站對(duì)學(xué)生進(jìn)行德育教育和網(wǎng)絡(luò)道德教育。二是樹(shù)立榜樣和典型，發(fā)揮模范作用。三是加強(qiáng)社團(tuán)建設(shè)，豐富學(xué)生校園文化生活，拓寬德育教育渠道。

規(guī)則選擇器首先針對(duì)無(wú)人船和周?chē)鷣?lái)船的當(dāng)前位置和速度計(jì)算最近會(huì)遇點(diǎn)（CPA），根據(jù)如圖12所示的幾何約束，評(píng)估是否有適用的COLREGS規(guī)則，只將COLREGS規(guī)則用于相關(guān)的來(lái)船，避免在每個(gè)時(shí)刻對(duì)每一艏來(lái)船的大量計(jì)算，因此提高了效率。

圖11 考慮COLREGS的速度障礙

如果發(fā)現(xiàn)碰撞局面出現(xiàn)，規(guī)則選擇器需確認(rèn)適用的規(guī)則，考慮四種情況：追越、對(duì)遇、從左側(cè)交叉相遇和從右側(cè)交叉相遇。由于環(huán)境感知的誤差，如果在每個(gè)時(shí)刻都作出全新的決策，那么會(huì)導(dǎo)致COLREGS規(guī)則的頻繁切換。為避免這種情況出現(xiàn)，在系統(tǒng)中引入滯后環(huán)節(jié)，并降低改變規(guī)則的頻率。一旦某一COLREGS規(guī)則被起用，它將持續(xù)一段最小的時(shí)間間隔，讓他船看到無(wú)人船的明顯意圖，這也是COLREGS規(guī)則的要求。選擇的最小時(shí)間間隔應(yīng)大于無(wú)人船的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)。

為求出最優(yōu)速度矢量，在包含速度v和航向θ的決策空間構(gòu)建離散網(wǎng)格，給定速度障礙V0和COLREGS規(guī)則約束后，代價(jià)函數(shù)為：。其中，為參考速度，WT為碰撞時(shí)間的權(quán)重，Wv為速度偏離的權(quán)重。

（3）水面試驗(yàn)

COLREGS算法集成在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自主系統(tǒng)“機(jī)器人智能體指揮和傳感控制體系（CARACaS）”中，該系統(tǒng)可通過(guò)慣導(dǎo)感知無(wú)人船的狀態(tài)，通過(guò)雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)系統(tǒng)和地圖服務(wù)器感知周?chē)h(huán)境。

試驗(yàn)采用如圖13（a）所示無(wú)人戰(zhàn)斗艇，其自主航行由CARACaS控制，該艇曾完成了港口巡邏、目標(biāo)跟蹤和靜態(tài)障礙物避讓的示范演示。周?chē)鶃?lái)船只采用一艏如圖13（b）所示的12m交通艇和兩艏如圖13（c）所示的7m剛性充氣艇。試驗(yàn)中無(wú)人船的目標(biāo)航點(diǎn)在前方1000m處，航速為8kn，算法中的參數(shù)通過(guò)仿真和初始水面試驗(yàn)來(lái)整定。

如圖14所示為對(duì)遇和交叉相遇局面的試驗(yàn)結(jié)果。首先無(wú)人船駛向目標(biāo)航點(diǎn)；圖14（a）中，無(wú)人船檢測(cè)到遠(yuǎn)方有一艏7m剛性充氣艇，估計(jì)其速度很低，僅將其當(dāng)靜止障礙物，無(wú)需COLREGS規(guī)則約束；隨著7m剛性充氣艇接近，無(wú)人船識(shí)別為對(duì)遇局面，COLREGS約束鼓勵(lì)向右機(jī)動(dòng)避讓，如圖14（b）所示；圖14（c）中，無(wú)人船檢測(cè)到另一艏7m剛性充氣艇從前方接近，識(shí)別兩艏充氣艇都為對(duì)于局面，繼續(xù)向右機(jī)動(dòng)；當(dāng)無(wú)人船繞過(guò)兩艏充氣艇時(shí)， 12m充氣艇從右側(cè)接近，識(shí)別為交叉相遇局面，如圖14（d）所示，對(duì)遇和來(lái)船在右側(cè)的COLREGS規(guī)則均要求無(wú)人船向右機(jī)動(dòng)；圖14（e）中，無(wú)人船成功避讓來(lái)船，繼續(xù)駛向目標(biāo)航點(diǎn)。

圖12 選擇COLREGS規(guī)則的幾何約束

圖13 水面試驗(yàn)用船

圖14 水面試驗(yàn)結(jié)果

基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化

國(guó)際海上避碰規(guī)則（COLREGS）是指導(dǎo)船舶駕駛員的文件，不能直接輸入無(wú)人船的控制系統(tǒng)。在擁擠的水域，有時(shí)COLREGS的多條規(guī)則可能同時(shí)有效，也可能有多種不同的機(jī)動(dòng)選擇可滿足規(guī)則要求，人工駕駛可靈活處理這些規(guī)則沖突，但給無(wú)人船自主控制系統(tǒng)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，麻省理工學(xué)院海洋工程中心和牛津大學(xué)工程科學(xué)系的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)Michael R.Benjamin、Paul M. Newman等學(xué)者于2006年的機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議（ICRA2006）上發(fā)表了一種基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化方法，將COLREGS的規(guī)則轉(zhuǎn)化為行為，目前已得到較多的應(yīng)用。

（1）基于行為的控制

基于行為的控制最早于1985年由麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的R. Brooks博士提出，隨后廣泛應(yīng)用于室內(nèi)機(jī)器人、野外機(jī)器人、太空機(jī)器人和海洋機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)是：獨(dú)立模塊便于研發(fā)，不需要單個(gè)復(fù)雜的世界模型，對(duì)于在動(dòng)態(tài)環(huán)境中具有由事件觸發(fā)的行為的快速反應(yīng)機(jī)器人尤具潛力，所以適于遵守COLREGS的無(wú)人水面艇避碰這樣的復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用。

圖15 傳統(tǒng)控制與基于行為的控制

如圖15所示是傳統(tǒng)控制與基于行為的控制比較，左圖的傳統(tǒng)控制是感知—規(guī)劃—?jiǎng)幼鞯幕芈?，其中的?guī)劃或者決策基于單一的世界模型；在右圖基于行為的系統(tǒng)中，無(wú)人船的控制是一組相互獨(dú)立的模塊共同工作，選擇出一個(gè)適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，即執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)，一般用向量表達(dá)。動(dòng)作空間是所有可能動(dòng)作的集合，例如無(wú)人船可能的航向θ和速度v 組合。

（2）基本行為的目標(biāo)函數(shù)

在多目標(biāo)優(yōu)化方法中，為每種行為定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，遵守COLREGS的無(wú)人水面艇基本行為包括：

圖16 航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)

1）航點(diǎn)行為：航點(diǎn)通常用一組坐標(biāo)(xi，yi)表示，無(wú)人船的當(dāng)前位置(x，y)由GPS獲取，根據(jù)被選動(dòng)作〈θ，v，t〉完成后無(wú)人船與下一航點(diǎn)的距離，建立選擇航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)。如圖16所示為不同被選動(dòng)作時(shí)航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)值，顏色越深，被選動(dòng)作的可能性越大。

2）避碰行為：基于被選動(dòng)作〈θ，v，t〉的最近會(huì)遇點(diǎn)距離DCPA，設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：內(nèi)距離和外距離。當(dāng)DCPA小于內(nèi)距離時(shí)，認(rèn)為發(fā)生碰撞；當(dāng)DCPA大于外距離時(shí)，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生碰撞；當(dāng)DCPA在內(nèi)外距離之間時(shí)，目標(biāo)函數(shù)線性變化。如圖17所示是障礙物速度為3m/s和5m/s兩種情況下的目標(biāo)函數(shù)值。

3） COLREGS行為：針對(duì)無(wú)人船，主要考慮對(duì)遇和交叉相遇兩種情況，目標(biāo)函數(shù)也基于被選動(dòng)作〈θ，v，t〉的最近會(huì)遇點(diǎn)距離DCPA。為滿足COLREGS要求，在對(duì)遇局面，將被選航向與當(dāng)前相對(duì)方位比較，獎(jiǎng)勵(lì)向右舷機(jī)動(dòng)，懲罰向左舷機(jī)動(dòng)，如圖18所示；在交叉相遇局面，避免在他船前面穿越，在目標(biāo)函數(shù)中，獎(jiǎng)勵(lì)在他船后面穿越，懲罰在他船前面穿越，如圖19所示。

（3）基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多目標(biāo)優(yōu)化方法由一組目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的權(quán)重組合成一個(gè)總的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)對(duì)總目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化來(lái)選擇最優(yōu)的被選動(dòng)作。在實(shí)際應(yīng)用中，需要求解速度能滿足無(wú)人船控制回路的要求，通常在1-20Hz。如圖20所示是多目標(biāo)優(yōu)化方法的水面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中無(wú)人船2（黃色）僅作航點(diǎn)跟蹤，不考慮避碰。

圖17 避碰行為的目標(biāo)函數(shù)

圖18 對(duì)遇局面的目標(biāo)函數(shù)

圖19 交叉相遇局面的目標(biāo)函數(shù)

基于風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化

在無(wú)人船遵守COLREG規(guī)則的避碰技術(shù)方面，英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)、勞斯萊斯和南安普頓索倫特大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)的學(xué)者于2017年的國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)盟會(huì)議（IFAC2017）上發(fā)表了另一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的方法。他們的路徑規(guī)劃系統(tǒng)分為離線的全局路徑規(guī)劃和在線的局部路徑規(guī)劃兩個(gè)模塊。當(dāng)給定目的位置后，全局路徑規(guī)劃模塊生成一系列航點(diǎn)，只有當(dāng)無(wú)人船在兩個(gè)航點(diǎn)之間檢測(cè)到障礙物時(shí)才啟動(dòng)局部路徑規(guī)劃模塊。一旦碰撞的危險(xiǎn)得到確認(rèn)，局部規(guī)劃模塊便生成一條從當(dāng)前位置到下一個(gè)航點(diǎn)的局部路徑，既避免碰撞，又滿足COLREG規(guī)則，還考慮了來(lái)船不遵守COLREG規(guī)則的情況。

（1）情景意識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為評(píng)估碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，他們采用最近會(huì)遇點(diǎn)方法。根據(jù)船型和工作環(huán)境，預(yù)先設(shè)置機(jī)動(dòng)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間tmax和最小安全距離dmin，將達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA和最近會(huì)遇距離DCPA與參數(shù)tmax和dmin進(jìn)行比較，如果0≤TCPA≤tmax且DCPA≤dmin，認(rèn)為存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，令risk=1。為判斷來(lái)船是否遵守COLREG規(guī)則，引入兩個(gè)附加參數(shù)tsafe和dsafe和標(biāo)志flag，讓tsafe≤tmax，dsafe≤dmin，如果0≤TCPA≤tsafe且DCPA≤dsafe，則認(rèn)為存在緊急碰撞風(fēng)險(xiǎn)，令risk=2。假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為k，如果risk(k-1)=1，且risk(k)=2，那么認(rèn)為來(lái)船未遵守COLREG規(guī)則，這時(shí)局部路徑規(guī)劃模塊生成一條緊急規(guī)避路徑。

（2）決策與規(guī)則選擇

一旦出現(xiàn)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，則需要確定遭遇的局面，即是對(duì)遇、交叉相遇或是追越。如圖21所示為COLREG規(guī)則的遭遇局面區(qū)域劃分，用于選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)則。給定來(lái)船相對(duì)于無(wú)人船的方位，將確定一個(gè)唯一的扇區(qū)，從而適用相應(yīng)的COLREG規(guī)則。如果確認(rèn)存在碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，而且作出直航的決策，那么無(wú)人船將保持航向；如果作出讓路的決策，那么模塊將規(guī)劃新的路徑，生成替代的航點(diǎn)。

（3）路徑重新規(guī)劃

避碰路徑可通過(guò)生成一個(gè)或多個(gè)子航點(diǎn)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，優(yōu)先采用單個(gè)子航點(diǎn)，因?yàn)橛?jì)算效率高、實(shí)時(shí)性好。圖22表示路徑重新規(guī)劃過(guò)程，開(kāi)始時(shí)無(wú)人船跟蹤預(yù)定路徑AC，速度為v，航向?yàn)棣龋辉谖恢肁時(shí)檢測(cè)到與來(lái)船碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，于是模塊生成子航點(diǎn)B，無(wú)人船改變航向至θ'，沿著新路徑AB航行至B點(diǎn)，然后返回目的航點(diǎn)C。在重新規(guī)劃路徑時(shí)，需要同時(shí)考慮幾個(gè)不同的目標(biāo)：1）保證安全，無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn)；2）路徑平滑，避免航向突變；3）新路徑不應(yīng)偏離原路徑過(guò)多。這就成為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題（MOP）， COLREG規(guī)則為一組以不等式表達(dá)的約束，抉擇變量是航向和持續(xù)時(shí)間。他們采用粒子群優(yōu)化（PSO）算法進(jìn)行求解，粒子數(shù)量為50，遺傳代數(shù)為30～40，再增加，性能提高不大。

圖20 對(duì)遇局面的實(shí)際水面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖21 COLREG避碰局面區(qū)域劃分

如圖23所示是與多個(gè)障礙目標(biāo)相遇的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)人船避讓了三個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)A、B、C和一個(gè)靜止目標(biāo)D。左上圖的目標(biāo)B代表追越局面，右上圖的目標(biāo)A代表交叉相遇局面，左下圖的靜止障礙物D位于無(wú)人船的航線附近，如果僅進(jìn)行小的航向調(diào)整，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)C將構(gòu)成對(duì)遇的局面，于是無(wú)人船選擇了大的機(jī)動(dòng)，同時(shí)避開(kāi)了目標(biāo)D和C，右下圖為重新規(guī)劃的完整路徑。

如圖24所示為來(lái)船不遵守COLREG規(guī)則的情況，開(kāi)始時(shí)無(wú)人船檢測(cè)到與來(lái)船A碰撞的危險(xiǎn)，根據(jù)COLREG規(guī)則，來(lái)船A應(yīng)讓路，但連續(xù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)來(lái)船并未遵守COLREG規(guī)則，于是無(wú)人船重新規(guī)劃路徑，進(jìn)行緊急避讓。

基于虛擬力場(chǎng)的方法

圖22 路徑重新規(guī)劃示意圖

在遵守COLREGS的無(wú)人船避障方面，韓國(guó)也開(kāi)展了深入的研究工作，昌原國(guó)立大學(xué)控制與儀器工程系Joongseon Joh教授團(tuán)隊(duì)2004年6月在《控制、自動(dòng)化與系統(tǒng)》國(guó)際期刊上發(fā)表了基于虛擬力場(chǎng)的方法。為遵守COLREGS，他們對(duì)虛擬力場(chǎng)（VFFVirtual Force Field）方法進(jìn)行了改進(jìn)，并采用模糊推理實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤模式的選擇，進(jìn)行了各種會(huì)遇局面下的大量仿真實(shí)驗(yàn)。

（1）改進(jìn)的虛擬力場(chǎng)方法

虛擬力場(chǎng)（VFF ）是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航廣泛采用的方法，如圖25所示，目標(biāo)產(chǎn)生引力，而障礙物產(chǎn)生斥力。如圖26上圖為VFF的直接應(yīng)用，無(wú)人船受兩個(gè)力的作用，引力將無(wú)人船吸引到下一個(gè)航點(diǎn)，而斥力讓無(wú)人船離開(kāi)障礙物。顯然，直接應(yīng)用VFF不能讓無(wú)人船快速回歸到預(yù)定的路徑，更不便考慮COLREGS。為此，他們對(duì)VFF方法進(jìn)行了改進(jìn)。

圖23 多個(gè)障礙目標(biāo)情況下的避碰路徑

圖24 來(lái)船不遵守COLREG情況下的避碰

圖25 VFF示意圖

（2）模糊推理

無(wú)人船周?chē)乃蚩蓜澐譃槲ｋU(xiǎn)水域和安全水域，無(wú)人船在這兩個(gè)區(qū)域中的導(dǎo)航模式不同。無(wú)人船在危險(xiǎn)區(qū)域的逃離運(yùn)動(dòng)通過(guò)讓?duì)?0和β=1來(lái)實(shí)現(xiàn)；在安全區(qū)域，α和β的值通過(guò)模糊推理來(lái)確定。假設(shè)d為無(wú)人船偏離預(yù)定路徑的距離，劃分為近、中、遠(yuǎn)三個(gè)集合{N，M，F(xiàn)}， α和β劃分為小、中、大三個(gè)集合{S，M，B}，確定ψtk的推理規(guī)則如下：（1）如果d∈N，那么α∈β且β∈S；（2）如果 d∈M，那么α∈M且β∈M；（3）如果d∈F，那么α∈S且β∈B。

圖26 改進(jìn)的VFF示意圖

（3）仿真實(shí)驗(yàn)

他們基于長(zhǎng)1.4m，寬0.4m，排水量23kg的無(wú)人船模型，進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，如圖27為COLREGS三種典型情況下的結(jié)果，驗(yàn)證了這種方法可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物的避讓，而且滿足COLREGS要求。

基于專家系統(tǒng)的方法

韓國(guó)首爾大學(xué)船舶與海洋工程系學(xué)者Han-Jin Lee 和 Key Pyo Rhee 于2001年發(fā)表在《國(guó)際造船進(jìn)展》期刊上發(fā)表了一種基于專家系統(tǒng)和模糊推理的方法，他們通過(guò)模糊推理求得碰撞風(fēng)險(xiǎn)度，采用專家系統(tǒng)建立動(dòng)作空間，然后采用A＊搜索算法得到避碰動(dòng)作規(guī)劃。

（1）碰撞風(fēng)險(xiǎn)度

碰撞風(fēng)險(xiǎn)度通過(guò)模糊推理求得，TCPA和DCPA作為輸入模糊變量，采用三角形隸屬度函數(shù)，推理規(guī)則如下表所示，構(gòu)成一個(gè)二維矩陣。碰撞風(fēng)險(xiǎn)度的取值為-1～1之間，負(fù)值表示TCPA為負(fù)。碰撞風(fēng)險(xiǎn)度的絕對(duì)值越大，表示碰撞的風(fēng)險(xiǎn)越高。當(dāng)有多艏來(lái)船時(shí)，給定環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)度為所有來(lái)船風(fēng)險(xiǎn)度的最大值。解模糊方法如下：

式中，αi為第i條規(guī)則條件部分的概率， CRi第i條規(guī)則結(jié)論部分的風(fēng)險(xiǎn)度取值。

（2）專家系統(tǒng)

動(dòng)作空間由本船能采用的航速和航向構(gòu)成，專家系統(tǒng)用于確定動(dòng)作空間，而不是動(dòng)作本身。專家系統(tǒng)采用NASA約翰遜航天中心設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)（CLIPS），根據(jù)COLREGS規(guī)則建立，主要包括主模塊、情景模塊和動(dòng)作模塊。主模塊控制專家系統(tǒng)與避碰系統(tǒng)中其它模塊的通訊，負(fù)責(zé)航行規(guī)則的執(zhí)行。情景模塊根據(jù)會(huì)遇局面對(duì)來(lái)船進(jìn)行分類，將來(lái)船標(biāo)記為讓路船或直航船。動(dòng)作模塊根據(jù)會(huì)遇局面和碰撞風(fēng)險(xiǎn)度，定義本船相對(duì)于危險(xiǎn)來(lái)船的動(dòng)作空間。盡管本船是直航船，但如果碰撞風(fēng)險(xiǎn)度高于預(yù)先設(shè)定的臨界值，也生成避讓來(lái)船的動(dòng)作空間。專家系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的關(guān)系如圖28所示，最終動(dòng)作空間是所有動(dòng)作空間的并集。

圖27 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 推理規(guī)則

避碰系統(tǒng)在專家系統(tǒng)提供的動(dòng)作空間中選擇最安全的動(dòng)作，方法如下：

1）如果有碰撞風(fēng)險(xiǎn)度小于0.6的動(dòng)作，選擇其中最接近規(guī)劃航向和速度的動(dòng)作；

2）如果沒(méi)有1）中的動(dòng)作，選擇風(fēng)險(xiǎn)度最小的動(dòng)作；

3）如果所有動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)度均為1，選擇DCPA最大者。

（3）仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，模擬了兩艏相同的油輪來(lái)船，長(zhǎng)320m，航速10kn。如圖29和30是交叉相遇局面的仿真結(jié)果，左圖是運(yùn)動(dòng)軌跡，右圖是風(fēng)險(xiǎn)度記錄。實(shí)心箭頭表示避碰動(dòng)作開(kāi)始的位置，空心箭頭表示避碰動(dòng)作結(jié)束的位置。在圖29中無(wú)人船是讓路船，專家系統(tǒng)給出右轉(zhuǎn)的動(dòng)作空間。在圖30中，無(wú)人船是直航船，但來(lái)船未遵守避碰規(guī)則，當(dāng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)度高于臨界值時(shí)開(kāi)始主動(dòng)采取避碰動(dòng)作。

圖31以對(duì)遇局面展示專家系統(tǒng)的作用，左圖是有專家系統(tǒng)的結(jié)果，右圖是無(wú)專家系統(tǒng)的結(jié)果?？梢?jiàn)，無(wú)專家系統(tǒng)時(shí)也能成功避碰，但軌跡和航向變化緩慢，未能向?qū)Ψ奖硎久黠@的動(dòng)作意圖，未遵守規(guī)則。

如圖32為與兩艏來(lái)船在受限水域?qū)τ龅木置?，其左、中、右圖分別是1000s、2000s和3000s時(shí)刻的軌跡?？梢?jiàn)，在避碰系統(tǒng)的作用下，三船順利完成避碰。由于動(dòng)作空間受水域限制，在避碰過(guò)程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)度較高，但未超出預(yù)定的臨界值。

基于模糊推理的方法

前述韓國(guó)學(xué)者采用模糊控制和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遵守COLREGs的無(wú)人船避碰，這些方法已在實(shí)際無(wú)人船上得到應(yīng)用，2018年10月在查爾斯頓舉行的OCEANS 2018 MTS/IEEE會(huì)議上Nam-sun Son 和 Sun-Young Kim等學(xué)者發(fā)表了韓國(guó)船舶與海洋工程研究院研發(fā)的無(wú)人船ARAGON II海面自主避碰試驗(yàn)情況。

圖28 避碰系統(tǒng)流程圖

圖31 對(duì)遇局面中有無(wú)專家系統(tǒng)的比較

（1）硬件配置

ARAGON是在韓國(guó)海洋與漁業(yè)部項(xiàng)目“用于海洋觀測(cè)與監(jiān)控的多任務(wù)智能無(wú)人水面艇研發(fā)”支持下于2011年開(kāi)始研發(fā)的系列無(wú)人船，其第二代ARAGON II 于2016年研制，采用滑行艇型，如圖33所示，長(zhǎng)8m，寬2.5m，單機(jī)單泵配置，主機(jī)功率400hp，最大航速40kn。

ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：障礙物識(shí)別、避碰算法和自動(dòng)駕駛。障礙物識(shí)別負(fù)責(zé)收集無(wú)人船的導(dǎo)航信息和障礙物信息，其中無(wú)人船導(dǎo)航信息通過(guò)GPS和慣導(dǎo)獲得，障礙物信息通過(guò)融合敵我識(shí)別系統(tǒng)(AIS)、雷達(dá)、激光雷達(dá)和光電系統(tǒng)等多元信息得到；避碰算法采用可變動(dòng)作空間搜索和基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)的模糊推理來(lái)估計(jì)最優(yōu)路徑；自動(dòng)駕駛負(fù)責(zé)跟蹤規(guī)劃的路徑。

（2）軟件算法

為考慮碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度的變化，他們?cè)O(shè)計(jì)了可變動(dòng)作空間搜索算法，如圖34所示。當(dāng)遇到障礙物時(shí)進(jìn)行動(dòng)作空間配置，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)模糊推理估計(jì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度，生成可變動(dòng)作空間，根據(jù)代價(jià)函數(shù)從備選的路徑中選取最優(yōu)路徑。該方法在ARAGON I上采用AIS進(jìn)行了海試驗(yàn)證。

（3）海試結(jié)果

在ARAGON I基礎(chǔ)上， ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)增加了雷達(dá)、激光雷達(dá)和光電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合。為評(píng)估其性能，他們?cè)诟教K楊灣進(jìn)行了實(shí)際海面試驗(yàn)，采用5艏交通船設(shè)計(jì)了復(fù)雜的會(huì)遇局面，包括對(duì)遇、左側(cè)交叉相遇、右側(cè)交叉相遇、第二次對(duì)遇和追越，如圖35所示，其中追越和第二次對(duì)遇的交通船為虛擬生成。無(wú)人船與交通船的航速均為10kn，避碰開(kāi)始時(shí)兩船之間的距離是500m。

圖36和圖37的上圖是試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)拍攝的場(chǎng)景照片，下圖是無(wú)人船和交通船的軌跡和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，黑線代表無(wú)人船，紅線代表通過(guò)信息融合得到的交通船軌跡數(shù)據(jù)，藍(lán)線代表追越和第二次對(duì)遇的虛擬交通船軌跡。

圖32 受限水域中的對(duì)遇局面

圖33 無(wú)人水面艇 ARAGON II

在追越局面（來(lái)船ID 111）和左側(cè)交叉相遇（來(lái)船ID 456）局面中，ARAGON II是直航船，保持航向不變。在右側(cè)交叉相遇局面（來(lái)船ID 123）中，無(wú)人船是讓路船，采取向右轉(zhuǎn)向的避碰動(dòng)作。

在追越和交叉相遇的局面結(jié)束后是兩次連續(xù)的對(duì)遇局面（來(lái)船ID 789和ID 222），來(lái)自傳感器融合的軌跡數(shù)據(jù)（ID9007）與AIS數(shù)據(jù)（ID789）類似。根據(jù)COLREGs規(guī)則，ARAGON II是讓路船，它采取了兩次向右轉(zhuǎn)向的避碰動(dòng)作。

試驗(yàn)表明：在5次會(huì)遇中，ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)均作出了直航或采取避碰動(dòng)作的正確決策，實(shí)現(xiàn)了遵守COLREGs規(guī)則的無(wú)人船自主避碰。

性能評(píng)估

前面介紹了遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的一些典型避障技術(shù)，那么如何評(píng)估無(wú)人船是否遵守COLREGs呢？為此，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室學(xué)者Kyle L. Woerner和 Michael R. Benjamin于2018年5月在日本神戶舉行的OCEANS 2018 MTS/IEEE 會(huì)議上發(fā)表了一種在有人駕駛和無(wú)人駕駛船舶協(xié)同工作時(shí)實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估遵守COLREGs性能的方法。

（1）會(huì)遇幾何

圖34 可變動(dòng)作空間搜索算法

圖35 避碰試驗(yàn)場(chǎng)景

會(huì)遇局面中的幾何關(guān)系如圖38所示，當(dāng)本船（O/S）與來(lái)船（Contact）間距離r小于檢測(cè)距離（Rdetect）的閾值時(shí)，認(rèn)為兩船進(jìn)入會(huì)遇局面。會(huì)遇時(shí)的完整幾何關(guān)系用來(lái)船相對(duì)航向α、方位β、距離r和速度v來(lái)表示。進(jìn)入會(huì)遇局面后，首先需要評(píng)估碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)計(jì)算CPA的三個(gè)值來(lái)確定：最近會(huì)遇距離rCPA，達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間tCPA，以及相對(duì)位姿ΘCPA。對(duì)最近會(huì)遇距離rCPA，設(shè)置4個(gè)可配置的閾值，根據(jù)重要性從小到大依次為：優(yōu)選距離Rpref、最小可接受距離Rmin、幾乎碰撞距離Rnm和碰撞距離Rcol。

（2）安全性

在無(wú)人船避碰文獻(xiàn)中，安全性通常用碰撞次數(shù)與會(huì)遇次數(shù)的比值來(lái)表示，但這與人工駕駛船舶在進(jìn)行避碰決策時(shí)的情況不一致，特別是在有多艏來(lái)船的復(fù)雜局面中。通過(guò)考慮避碰決策中的幾個(gè)重要變量，他們提出了一種采用安全性函數(shù)的量化方法，較之前僅考慮是否碰撞的方法更有意義。

圖36 追越和交叉相遇局面的避碰

安全性函數(shù)S=S（rCPA，ΘCPA）包含CPA的距離rCPA和姿態(tài)Θ（αCPA，βCPA），可分解為基于距離的安全性函數(shù)Sr和基于姿態(tài)的安全性函數(shù)SΘ，即S=S（Sr，SΘ），根據(jù)需要，可只考慮距離或者姿態(tài)。對(duì)于圖38中黃色區(qū)域的會(huì)遇，Rmin＞rCPA＞Rnm，這是不安全的會(huì)遇，應(yīng)采取緊急機(jī)動(dòng)，密切注意，提高后續(xù)過(guò)程的安全性。橙色區(qū)域是突破幾乎碰撞距離Rnm的會(huì)遇，只有僥幸脫險(xiǎn)的可能。在中間紅色區(qū)域的會(huì)遇，認(rèn)為實(shí)際碰撞發(fā)生。安全性函數(shù)根據(jù)不同的安全等級(jí)閾值，將CPA距離映射為安全性得分。圖38僅表示安全距離的劃分，但也可將姿態(tài)Θ映射為安全性得分，并進(jìn)行二者的組合。

圖37 對(duì)遇局面的避碰

（3）規(guī)則評(píng)估

COLREGs規(guī)則評(píng)估軟件用于中立的第三方觀測(cè)者，建立了規(guī)則評(píng)估庫(kù)，為中立打分提供基礎(chǔ)。規(guī)則評(píng)估庫(kù)的功能包括：1）辨識(shí)會(huì)遇局面中兩船的幾何關(guān)系；2）辨識(shí)每船需遵守的COLREGs規(guī)則；3）對(duì)每船遵守規(guī)則的動(dòng)作進(jìn)行量化打分。規(guī)則評(píng)估庫(kù)既用于實(shí)時(shí)運(yùn)行的軟件，也用于事后分析的軟件，這樣保證評(píng)估結(jié)果的一致性。規(guī)則評(píng)估庫(kù)也可讓用戶設(shè)置一些配置參數(shù)。

圖38 會(huì)遇局面中的幾何關(guān)系示意圖

（4）軟件框架

圖39 評(píng)估軟件框架

評(píng)估軟件的總體框架如圖3 9所示，其中兩個(gè)關(guān)鍵模塊是實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估uFldProtocolEval和安全懲罰實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊收到低于閾值的得分后，懲罰模塊對(duì)船v2發(fā)出懲罰通知。中圖為交叉相遇局面，根據(jù)COLREGs的15和16條規(guī)定，只需要讓路船v1進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng)，但v1并未遵守規(guī)則，當(dāng)從實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊收到低于閾值的得分后，懲罰模塊對(duì)船v1發(fā)出了懲罰通知。右圖是更復(fù)雜的場(chǎng)景，五船呈星型匯聚，隨著實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊的輸出結(jié)果，懲罰陸續(xù)發(fā)出，如圖41中岸端界面截圖所示。

圖40 模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將上述方法應(yīng)用到Aquaticus無(wú)人船和人工駕駛船的混合比賽中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無(wú)人船忠實(shí)遵守COLREGs規(guī)則，而人工駕駛員會(huì)利用這一點(diǎn)引誘無(wú)人船避uFldSafetyPenalty。實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊負(fù)責(zé)會(huì)遇局面安全性和規(guī)則符合性的評(píng)估，輸出違規(guī)報(bào)告；當(dāng)避碰過(guò)程出現(xiàn)違規(guī)情況，需要進(jìn)行懲罰時(shí)，安全懲罰模塊通知違規(guī)船，并在面向任務(wù)的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行廣播。軟件的岸端界面顯示兩種類型的信息：1）被評(píng)估規(guī)則的狀態(tài)，懲罰閾值和違規(guī)懲罰的類型；2）違規(guī)船的具體信息，包括是否有正在評(píng)估的懲罰、現(xiàn)有懲罰到期時(shí)間、任務(wù)期間該船被懲罰的次數(shù)等。

（5）試驗(yàn)結(jié)果

他們首先在仿真環(huán)境中進(jìn)行了無(wú)人船和人工駕駛船的交互場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)，如圖40所示。左圖為對(duì)遇局面，兩船均需按照COLREGs的14條進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng)，但只有船v1正確執(zhí)行，當(dāng)從讓，從而影響無(wú)人船實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，達(dá)到人駕船獲勝的目的，體現(xiàn)了人工駕駛的優(yōu)勢(shì)。

圖41 岸端軟件顯示界面

結(jié)束語(yǔ)

在遵守COLREGs的無(wú)人船自主避障技術(shù)方面，美國(guó)、英國(guó)和韓國(guó)的學(xué)者開(kāi)展了深入的研究工作，已達(dá)到實(shí)船應(yīng)用的程度。目前主要技術(shù)途徑有：速度障礙法、最近會(huì)遇點(diǎn)計(jì)算、基于行為的控制、多目標(biāo)優(yōu)化、虛擬力場(chǎng)、模糊推理和專家系統(tǒng)。最近出現(xiàn)的無(wú)人船遵守COLREGs實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估方法將進(jìn)一步促進(jìn)這方面技術(shù)的發(fā)展。 ■

遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的無(wú)人船自主避障方法綜述

國(guó)際海上避碰規(guī)則主要條文

相關(guān)概念與問(wèn)題描述

主要方法

性能評(píng)估

結(jié)束語(yǔ)