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致力于开发用于集团运输和全球海上交通管制的智能导航支持系统

摘要：计算机导航是自主智能工程系统分支中的一项新兴技术。它目的在于增强海上安全和保障，并提高船舶运输和全球海上交通管制的可靠性。最近标准化自动识别系统（AIS)充分利用了基于GPS的船舶实时定位和定时信息。AIS的使用正在稳步增长，以满足商船和渔业的需求。然而，在开放水域中发生的船舶事故和危险事故的数量仍未大幅减少。本文收集的工作是通过利用AIS的全部潜力来建立预防海洋事故的积极手段。具体来说，本文描述了一个AIS综合导航支持系统的发展，该系统是由一个适合于捕获远洋舶群导航动态的物理模型建立的，增强了一定程度的智能。 该系统的设想是为集团航运提供充分的决策支持，特别是在通道通过和港口入港等限制区域的关键机动过程中。本研究的基础和实验结果，包括对东京乌拉加航道模拟交通的分析。

1. 介绍

导航技术是自主智能系统的一个分支，它的重要性正在稳步上升，并得到了政府、资助机构和行业的认可。开发有效的工具，以协助商船在航道上安全航行，对全球贸易至关重要。最大限度地降低海上遇险风险，不仅是为船舶企业带来直接的商业利益，也是对海洋资源和全球环境的长期保护。本论文的研究目的是建立一个自主智能系统，以协助群体船舶在公海航行。具体来说，本文介绍了一个正在进行的研究工作的进展，该研究使用了一个根据所谓的船舶集群行为模型设计的系统来评估基于分组的船舶的交通安全。 提出的模型的核心是捕获远洋船舶的整体航行行为和干扰的影响，这些船舶像运输船队一样共享同一航线，即使它们之间不交换航行决策。

航行计划在许多情况下，船舶分配和航线选择是通过跨多家船公司收集信息的联合方式进行的，这样就可以在全球两个或多个地区之间实现持续的物质流动。因此，若干船只必须像商业航空公司那样共用相同或类似的航行路线。危险的天气状况和特定地区的海盗和偷渡活动也可能影响海上交通，因为可供改道的选择有限。船舶分组可能是隐式的和非永久性的。例如大量的船舶需要在同一时间在同一地点通过狭窄的水道、港湾口等限制区域，形成短命群体。 同样，那些操纵拥挤的港口进出的人也经常遇到其他人。当时的环境和条件也迫使许多船只聚集在一个有限的区域，并在一个有限的航线上航行，往往使他们的航行极其困难。

本研究的一个主要动机是确定一个物理系统的计算模型，该模型适用于捕获基于组(或松散集群)的远洋船舶航行的动力学。本研究的目的是了解关键区域船舶聚集物的可操作性，并从高水平的角度对这些区域的交通安全进行评估。针对船舶群体行为问题的分析在大多数海上交通分析中都是有限的。传统的方法是基于层次约简，将复杂的海洋系统分解成各个部分和子组件，自下而上地重构船舶的操作和航行行为。我们研究的目标是通过扩展众所周知的分布式行为模型方法，克服这种传统分析方法的缺点。

最近国际海事组织授权全球使用自动识别系统，以便通过岸基站和其他船只在世界各地跟踪船只，从而帮助提高海上安全(SOLAS第五章，条例19)。这一新兴技术有望通过让船员了解每一艘装备有AIS系统的船舶，如船名、航向和速度、船级、呼号、注册号等，来确保可靠的船舶对船操作。AIS正成为电脑化航海的关键技术元素，其应用正稳步增长，以满足商船及渔业的需要。然而，事故和危险事件的数量还没有显著减少。 最近的研究广泛涵盖了由于人为错误在其使用中造成的漏洞，并总结了提高AIS可靠性的几个关键因素。AIS作为船舶防撞航行辅助设备的可靠性至关重要。海事主管当局对AIS数据的准确性和质量进行适当的监督、监督和执行，将提高其在所有航行作业中的效力。本论文的工作是建立一种前瞻性的方法，利用AIS的全部潜力来预防海洋事故。我们描述了AIS综合导航支持系统的发展，该系统在一定程度上增强了智能，特别是在航道通过和港口入港等限制区域的关键机动时为群体航运提供决策支持。

本论文的贡献有三点: 第一，我们收集了几个关键的发现，从我们多年来对船舶集群行为模型的研究，形成了一个物理模型，有效地捕捉和概念化了集团航运的动态，从而实现了公平 对船舶群的运动进行分析，建立海运流中交通段的宏观视野； 第二，我们讨论了更广泛地使用拟议模型的方法，例如，在本研究中使用可视模拟系统进行实验研究的方法，从工作中学到的经验，找出标称的模型参数集和我们的方法，以结合AIS的能力，更战略性地使用实时导航支持；第三，我们以日本最拥堵的海湾地区之一的东京乌拉加航道的安全评估为例，利用收集到的统计数据对开发的模型产生的模拟交通进行分析。 这项研究对于长期目标的意义在于它对在航运中使用正式安全评估的影响， 为了使我们的智能船舶集群模型适应未来的AIS。 尤其是，借助于自动雷达标绘和电子探测，船员们很可能能更准确和及时地了解附近一个舰艇群的成员和规模。因此，发展更先进的电脑化决策工具，以协助更多地使用AIS技术，这亦有助在公海进行大规模的海上交通评估和管理。

1. 群导航模型基础

我们对群体导航行为的建模受到了哲学和概念的启发以实现雷诺兹的开创性工作引入的分布式行为模型，该研究探索了一群模拟鸟类的聚集运动，其基础是单个模拟鸟类相对简单的行为之间的密集交互，而不是完全编写每只鸟的路径。在这种情况下，我们可以把鸟想象成船。然后，每艘船可以被实现为一个独立的行动者，根据它对动态环境的局部感知来导航，在这个动态环境中，模拟物理定律支配着它的运动。

二．1 集团航运

考虑一个开放的海洋环境，其中一组船只（V1, V2，hellip;， Vn）导航到相同的目的地。这些船只组成一个运输车队或作为一个整体通过一个共同的交通点。我们用欧几里得平面上的(x, y)坐标来表示一个成员船的位置，它代表一个海洋区域。按照惯例，平面y轴向上表示北方，Vi的移动方向是它的罗盘度,从北面(或0°)顺时针测量。Vi的使命是作为集团的一员，在航道上进行持续的安全、顺畅的航行操作，也就是说，为了避免与其他成员发生碰撞或近距离脱靶，保持她的速度和航线与其他成员相当，采取主动改变航向的措施，以避免与本集团以外的其他船只发生近距离接触的情况，并继续她的计划路线，而不偏离太多的推定护航编队。在大多数情况下,Vi需要在没有与周围其他船只直接交换信息的情况下做出决定。

假设Vi正以Sp(海里每小时)的速度向罗盘航向Co(度)移动。设C为一个组的几何中心，由组中血管的位置得到。我们考虑关于Vi下面四种类型的抽象力对基于组的移动进行建模（V1, V2, ..., Vn）:

Fg- 一个让Vi跟随它目的地的目标完成力

Fc- 一个防止Vi远离了C组的中心位置的收缩力

Fe- 一个避免Vi与集团内其他船只相撞的扩张力

Fv- 一个防止Vi与集团外最近的船只相撞的避免力

导航模型追求的是Fg，Fc,Fe和Fv均衡效果，这将反过来使船舶能够保持群体的形成，以及避免干扰其他在近距离的群体。该模型的运动动力学必须具备一定程度的智能和人工技能，使之能够吸收海员的一般实践，最终预测危险情况并避免海上遇险。

特别地，考虑一个从Fg，Fc，Fe和Fv向量组件合成的F，表示为（Fx，Fy）。设theta;为F的方向，可以从Fx和Fy的数值推导得到。当Vi位置在（Fx，Fy）时间是t时，Vi可以让它的位置到达（Xt Sp sintheta;Delta;t,yt Spcostheta;Delta;t)在时间基于F合成的t Delta;t。这一计算结果是所提出的群体导航模型在群体航运决策和安全评估中所实现的。

二．2 描述航行方法和船舶行为

为了确定每个力的大小，我们使用一系列的s形函数来强调或弱化它的力量，以响应到定义目标的距离，如到位置C的距离和到最近船只的距离。众所周知，S函数表现出稳定的行为和平滑的阈值范围的输入信号。设Wg、Wc、We和Wv分别为相对于Vi的Fg、Fc、Fe和Fv量值。同样，让L集体表示到Vi的直接目标点的距离，到中心C的距离，到成员船只的距离，到最近的非成员船只的距离。然后，各力(Fg、Fc、Fe和 Fv)的大小由L表示和表示的附加参数

参数a决定w对L的响应能力(将a放大退化为阶跃函数)，参数b决定了L对w结果的有效范围(b=L当w=0.5)。Wg、Wc、We和Wv分别对应Fg、Fc、Fe和Fv的大小。

例如,Wc是用b集作为到C的首选距离，比如最初的车队，a=（1/b）4。对于We，设b为组内Vi对其他成员(包括Vi自己本身)之间距离的算术平均值，也就是说，Lj是Vi和Vj之间的距离时，则

同样，令theta;g、theta;c、theta;e和theta;v分别为Fg、Fc、Fe和Fv在Vi上的方向。从定义可以明显看出，theta;g是 Co，theta;c是指向中心C的方向，theta;v是指向在组外发现的最近的船的方向。对于theta;e，模型给出了Vi对Vj的展开力的x、y分量的算术平均值的方向，像这样

在（3）中，已知Vi和Vj之间的距离Lj, theta;ej是到Vj pi;(弧度)的方向，Wej是(2)中a和b表示的s型曲线的响应。

综合这些力量的过程需要作出若干调整，以符合《国际条例公约》(碰撞条例或COLREGs, 1972年)。《分道通航制》提供了一项航行原则，以确定安全航速和在分道通航制内或附近作业的船舶的航行情况。具体地说，群体导航模型合并了适用于船舶的相互注视的一般转向规则，也就是说,当Vi看到一艘在距离Vi最近的距离内但不属于Vi的组的船只：

·正面的状况:当Vi正在与(几乎)非成员国船只的航线上相遇，为了避免碰撞风险时，Vi(对面船只也是如此)把船的航向改为右舷十度（i.e.theta;v=Co 10°），使他们彼此都从对方的左舷经过。

·超车情况:当Vi超越非成员船时，其中Vi与另一艘船从其船尾梁方向超过22.5°时被视为超车，Vi把航向转为左舷十度（i.e.theta;v=Co-10°），这样Vi会远离被追船的航道，从被追船的左舷通过;另一方面如果vi在被超越,Vi应维持她的航向不变（i.e.Wv=0）。

·交叉相遇情况：当Vi和非成员船通过且有碰撞风险时，另一艘船只在Vi的右舷，Vi应该转变航向为theta;v以避免在另一船舶前面通过;另一方面，如果对方在左舷，Vi应维持她的航向不变（i.e.Wv=0）。

COLREGs的观点是:如果在适当的时候改变航向，而且不会导致另一种冲突情况，那么改变航向可能是避免冲突的最有效的行动。因此，为了体现这一原则，组模型保持不变Wg Wv=1.0这允许一个船队去追求它的目标，除非它遇到一个与其他船队很近的情况，并且需要一个渐进的改变。(2)中a、b、L的值决定了这些行动的有效性。

二．3 在有限范围内的集体航行

当若干船舶在狭窄水道、港口等限制水域相遇和通过时，经常发生事故。面临的挑战是在限制水域和行政区域进行关键机动时，解决集团船舶的安全问题。为了实现这个目标，该群体模型结合了以下两种力量来支持船舶操纵决策，特别是遇到困难情况，例如航道通过和入港，根据精确的地理信息以及为这些邻近地区从官方海图上收集的规定的标记位置(数字栅格格式):

·Fo- 一种用于防止Vi与附近发现的静态对象发生碰撞的物体避碰力。

·Fs- 一种让Vi远离Vi需要通过的地界的分离力。

假设在一般情况下船队转向航道（宽度Lp)通过一个路标(WP)如图3所示。有一个静态对象(或地区)阻碍了Vi的行动,物体在她的左角theta;p(角度）和从Co量出的直角之间(i.e. 物体被发现在Co–theta;p和Co theta;s之间）。从图表中获得的静态对象的空间拓扑、方向和数值数据可以很容易地近似为Lox和Loy的最小边界矩形集合，如图所示。

假设Vi正在移动到WP，则将Fo设置为theta;p和theta;s较小，再加 上一个过量的值（例如5°），以使Vi安全地绕过对象。 另一方面，Fs抵制在Co 90°处发现的对象的边界，因此Vi可以通过水路和港口入口等受限交通路径时确保距离。

如图3所示，将Fs的方向设置为更靠近Vi的路径边界，以使Vi可 以远离该边界。根据与物体和边界的距离，从S形曲线分别设 置Fo和Fs的大小（即wo和ws）。也可以用相同的方式将区域内 锚点处的船只集合捕获为静态对象。

总而言之，下一组方程式定义了迄今为止讨论的基于物理 动力学的群导航模型。

参数mg，mc，me，mv，mo和ms是线性权重，而wc，we，wv ，wo和ws 是来自S型曲线的值。表1显示了用于我们的性能实验和区域 流量评估的参数值[18-20]。

二．4 加强船舶运动方程

公式（5）给出了Vi的罗盘路线，公式（6）给出了Vi的瞄准点， 但是Vi无法立即向新方向移动以求出计算点。相反，由于船舶 速度，旋转性能和可操纵性所固有的动量效应，她将漂移。 这种偏离极大地影响了集体运输的行为[6]。如图4所示，当Vi 通过操纵舵（大多数情况下为5 – 15°）改变航向时，Vi开始移动进入弧形路径并稳定到目标路线。结果，到达的位置偏离了模型给出的位置

表1.名义参数设定