基于規(guī)則的多船協(xié)調(diào)避碰決策算法及仿真驗(yàn)證

劉炯炯， 劉克中， 楊 星， 熊 勇， 袁志濤， 吳曉烈

(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院； b.智能交通系統(tǒng)研究中心; c.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶智能航行在航海上的應(yīng)用已成為海上智能交通的重要研究領(lǐng)域。[1]自動(dòng)駕駛技術(shù)是船舶智能航行的核心內(nèi)容，而船舶避碰決策研究又是自動(dòng)駕駛技術(shù)的重要組成部分。[2]

在船舶避碰決策研究中，多船會(huì)遇局面下的避碰決策為難點(diǎn)問題之一。[3]針對(duì)多船避碰決策研究，大部分研究?jī)H考慮“本船”進(jìn)行避讓操作，假設(shè)“來船”保向保速或已知運(yùn)動(dòng)軌跡，利用遺傳算法[4]、速度障礙[5]和粒子群優(yōu)化算法[6]等制訂船舶避碰方案；部分研究為每艘船舶規(guī)劃航行路徑，船舶只有依照生成的路徑航行才能安全通過[7]，與實(shí)際海上船舶避碰決策存在較大差異。船舶分布式避碰決策過程更符合海上實(shí)際避讓，船舶根據(jù)實(shí)時(shí)會(huì)遇場(chǎng)景做出避讓操作，并取得一定的研究成果。LI等[8]提出一種分布式協(xié)調(diào)策略，基于船舶軌跡預(yù)測(cè)評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn)，通過優(yōu)化策略找到最有效的避碰策略，避讓中需進(jìn)行多次協(xié)調(diào)通信，但未考慮《國(guó)際海上避碰規(guī)則》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGs)；KIM等[9-10]采用分布隨機(jī)搜索算法(Distributed Stochastic Search Algorithm,DSSA)減少通信次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，研究中未融入COLREGs；ZHANG等[11]和張金奮[12]依據(jù)COLREGs建立讓路船和直航船的避讓行動(dòng)模型并將其應(yīng)用于多船避讓中，但采取的避讓行動(dòng)主要依據(jù)兩船避讓，未考慮船舶避讓對(duì)附近其他來船的影響。

由于COLREGs僅適用于兩船會(huì)遇場(chǎng)景，無法直接應(yīng)用到多船避碰中?，F(xiàn)有的多船避碰研究主要是將COLREGs融入到避讓效果評(píng)價(jià)函數(shù)中[13]和基于避讓重點(diǎn)船[3,14-15]確定避讓行動(dòng)。將COLREGs融入到評(píng)價(jià)函數(shù)中，可能存在不完全遵守COLREGs的情況；基于重點(diǎn)船舶避讓，由于本船周圍存在多艘來船，可能會(huì)因采取避讓行動(dòng)而形成新的碰撞危險(xiǎn)或更緊迫的碰撞危險(xiǎn)局面。

針對(duì)多船會(huì)遇情景，船舶需同時(shí)避讓多艘來船，避讓各船的行動(dòng)由于不一致，會(huì)產(chǎn)生避讓沖突。為保證船舶安全航行，減少避讓沖突對(duì)避讓決策的影響，首先根據(jù)最近會(huì)遇距離(Distance to Closest Point of Approach，dCPA)和最近會(huì)遇時(shí)間(Time to Closest Point of Approach，tCPA)將來船分為安全航行船舶和存在碰撞危險(xiǎn)船舶；其次，在判斷避讓方向時(shí)，根據(jù)安全航行船舶和存在碰撞危險(xiǎn)船舶位置及相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，避免避讓行動(dòng)對(duì)安全船舶產(chǎn)生影響，形成新的碰撞危險(xiǎn)；在確定避讓幅度時(shí)，選擇與所有來船在盡可能遠(yuǎn)的距離處通過，避免形成更緊迫的碰撞危險(xiǎn)；同時(shí)，在避讓決策過程中充分考慮多船避讓下的協(xié)調(diào)性和合理性，從而構(gòu)建基于避讓沖突消解策略的多船避碰決策模型；最后，通過蒙特卡洛思想隨機(jī)生成大量船舶初始會(huì)遇場(chǎng)景，并基于分布式框架對(duì)避碰決策模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 船舶避讓沖突

1.1 船舶避讓沖突定義

船舶會(huì)遇具有一定的隨機(jī)性和不確定性，特別是多船會(huì)遇場(chǎng)景，船舶周圍存在多艘來船，船舶航向、航速、方位和距離等參數(shù)稍有不同，根據(jù)COLREGs制訂的避讓方案存在較大差異。在多船會(huì)遇場(chǎng)景下，“讓路船”針對(duì)存在碰撞危險(xiǎn)的來船采取避讓行動(dòng)之后，對(duì)附近其他航行船舶造成更緊迫的碰撞危險(xiǎn)或形成新的碰撞危險(xiǎn)，即由于會(huì)遇船舶位置和航行參數(shù)的隨機(jī)性，“讓路船”針對(duì)不同的會(huì)遇船舶采取的避讓行動(dòng)不一致，從而產(chǎn)生船舶避讓沖突。

假設(shè)在一定距離范圍內(nèi)有n(n>2)艘船舶會(huì)遇，對(duì)于會(huì)遇船舶i(i∈N)，為避讓與其存在碰撞危險(xiǎn)的船舶j(j∈N，且j≠i)，采取避讓行動(dòng)δij·δcij，但在采取避讓行動(dòng)之后與另一艘船舶k(k∈N，且k≠i；k≠j)造成新的碰撞危險(xiǎn)或更緊迫的碰撞危險(xiǎn)。δij為船舶i避讓船舶j的避讓方向，左轉(zhuǎn)為-，右轉(zhuǎn)為+；δcij為船舶i避讓船舶j的避讓幅度。

1.2 船舶避讓沖突場(chǎng)景介紹

近距離多船避讓場(chǎng)景見圖1，其中:初始時(shí)刻船舶1與船舶2和船舶4存在碰撞危險(xiǎn)，與船舶3可在安全距離內(nèi)通過。船舶4首先向右轉(zhuǎn)向避讓船舶1，船舶1為避讓船舶2向右轉(zhuǎn)向，并與船舶3在近距離內(nèi)產(chǎn)生新的碰撞危險(xiǎn)。在近距離內(nèi)船舶1與船舶3采取最有效的避讓行動(dòng)進(jìn)行避讓；由于兩船在近距離內(nèi)同時(shí)避讓，造成局面更為復(fù)雜多變。雖采取避讓行動(dòng)，但局面有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致船舶間距離減小。船舶初始會(huì)遇參數(shù)和避碰方案見表1。

圖1 近距離多船避讓場(chǎng)景

表1 船舶初始會(huì)遇參數(shù)和避碰方案

2 基于避讓沖突消解策略的協(xié)調(diào)避碰決策

由于多船避讓沖突帶來的影響主要為：與附近安全航行的船舶形成新的碰撞危險(xiǎn)；與存在碰撞危險(xiǎn)船舶的危險(xiǎn)程度進(jìn)一步加深。為減少多船避讓中存在的避讓沖突對(duì)避讓的影響，分別考慮安全航行船舶和碰撞危險(xiǎn)船舶。對(duì)于安全航行船舶，在判斷避讓方向時(shí)，避免轉(zhuǎn)向與其形成新的碰撞危險(xiǎn)；對(duì)于存在碰撞危險(xiǎn)船舶，在選擇避讓幅度時(shí)，避免危險(xiǎn)進(jìn)一步增強(qiáng)?；诖?，形成多船會(huì)遇避讓沖突消解策略，構(gòu)建多船避碰決策模型。

2.1 碰撞危險(xiǎn)判斷和會(huì)遇階段劃分

2.1.1碰撞危險(xiǎn)判斷

由于安全航行船舶和存在碰撞危險(xiǎn)船舶需在方案制訂的不同階段進(jìn)行考慮，首先應(yīng)對(duì)船舶是否存在碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

在t時(shí)刻，對(duì)于船舶i(i∈N)，在6 n mile范圍內(nèi)存在任意船舶j(j∈N，且j≠i)，同時(shí)滿足式(1)和式(2)，則認(rèn)為船舶i與船舶j存在碰撞危險(xiǎn)。

dCPAij(t)

(1)

tCPAij(t)>0

(2)

式(1)和式(2)中：dCPAij(t)和tCPAij(t)分別為t時(shí)刻船舶i與船舶j的最近會(huì)遇距離和最近會(huì)遇時(shí)間；SDA的大小應(yīng)與船舶航行水域的環(huán)境條件、交通繁忙程度和航行船舶尺度等因素有關(guān)。

目前，關(guān)于SDA的研究主要在數(shù)學(xué)模型確定和船舶領(lǐng)域。李麗娜等[16]依據(jù)船長(zhǎng)、專家和駕駛員對(duì)COLREGs的理解以及操船經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合平面解析幾何知識(shí)和運(yùn)動(dòng)學(xué)，基于雷達(dá)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)構(gòu)建安全會(huì)遇距離數(shù)學(xué)模型。FU等[17]將船舶領(lǐng)域定義為絕大多數(shù)船舶避免進(jìn)入另一船周圍的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船舶領(lǐng)域的研究不斷深入，研究中開闊水域多為正圓形或離心率較小的橢圓形。

本文研究的水域主要考慮為開闊水域，相對(duì)于繁忙水域，船舶航行密度相對(duì)較小。綜合SDA數(shù)學(xué)模型和開闊水域船舶領(lǐng)域中的正圓形確定研究中應(yīng)用的SDA。研究中兩船會(huì)遇SDA設(shè)為2.0 n mile；三船會(huì)遇SDA設(shè)為1.5 n mile；四船會(huì)遇SDA設(shè)為1.2 n mile。

根據(jù)式(1)和式(2)，在t時(shí)刻，可將船舶i(i∈N)6 n mile范圍內(nèi)的任意船舶j(j∈N，且j≠i)分為安全航行船舶(safe_ship)和存在碰撞危險(xiǎn)船舶(risk_ship)2類。

(1) safe_ship：對(duì)于任意船舶m(m∈N),有dim(t)<6 n mile,dCPAim(t)≥SDA或tCPAim(t)≤0。

(2) risk_ship：對(duì)于任意船舶k(k∈N),有dik(t)<6 n mile,dCPAik(t)0。

2.1.2會(huì)遇階段劃分

船舶在不同會(huì)遇階段避讓行動(dòng)有所不同，對(duì)船舶會(huì)遇階段進(jìn)行劃分很有必要。因此，根據(jù)船舶間距離對(duì)會(huì)遇階段進(jìn)行劃分。

船舶會(huì)遇階段可分為自由行動(dòng)階段、碰撞危險(xiǎn)階段、緊迫局面階段和緊迫危險(xiǎn)階段等4個(gè)階段，但會(huì)遇階段的劃分取決于多方面因素。[13]自由行動(dòng)階段船舶距離較遠(yuǎn)，尚不考慮COLREGs的應(yīng)用；碰撞危險(xiǎn)階段一般在3～6 n mile；對(duì)于緊迫局面階段和緊迫危險(xiǎn)階段沒有明確的定量化描述，根據(jù)航海界普遍認(rèn)可的定義[18]以及船舶應(yīng)保持不小于SDA安全通過，綜合考慮本文針對(duì)開闊水域研究多船避讓問題，船舶尺度、航行速度和操作性等，分別將3.5 n mile、2.5 n mile和SDA作為定量劃分界限。

在t時(shí)刻，對(duì)于任意船舶i和j(i、j∈N)，根據(jù)距離dij(t)對(duì)會(huì)遇階段Staij(t)進(jìn)行劃分。

(1) 3.5 n mile

(2) 2.5 n mile

(3)SDA

2.2 基于避讓沖突消解策略的避碰方案

船舶避讓方案由避讓時(shí)機(jī)、避讓方向、避讓幅度和恢復(fù)原航向時(shí)機(jī)組成。由于避讓行動(dòng)要求“極早地”以及本研究為實(shí)時(shí)避碰決策，避讓時(shí)機(jī)的選取不作考慮；同時(shí),恢復(fù)原航向是在保證安全的前提下,減少船舶航程損失和燃油消耗。因此，為消解船舶避讓沖突，應(yīng)針對(duì)避讓方向和避讓幅度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1避讓方向確定

在多船局面下，周圍可能存在安全航行船舶和多艘碰撞危險(xiǎn)船舶。目前，大多數(shù)研究中僅考慮碰撞危險(xiǎn)船，采取“避讓重點(diǎn)船”算法進(jìn)行避讓[15]，可能造成新的碰撞危險(xiǎn)。

根據(jù)COLREGs第8條，避讓采取的行動(dòng)要求不得妨礙另一艘船舶通行或安全通行的船舶。為避免因采取避讓行動(dòng)而使船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)線向靠近安全船舶方向變化，需對(duì)船舶避讓方向確定算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以i船為例，-1為左轉(zhuǎn)，0為保向保速，1為右轉(zhuǎn)，ms為遠(yuǎn)離安全航行船舶s避讓方向(如存在多艘，選取距離最近安全航行船舶)，求取方法見文獻(xiàn)[19]。δi(t)為t時(shí)刻i船避讓方向，δir(t)為t時(shí)刻i船僅考慮r船避讓方向。

(1)i船附近無碰撞危險(xiǎn)船舶，此時(shí)沒有碰撞危險(xiǎn)，無需避讓，δi(t)=0;

(2)i船附近均為碰撞危險(xiǎn)船舶，此時(shí)船舶i根據(jù)距離最近的危險(xiǎn)船r進(jìn)行避讓，δi(t)=δir(t);

(3)i船附近存在安全航行船舶和碰撞危險(xiǎn)船舶，當(dāng)存在多艘碰撞危險(xiǎn)船舶時(shí)，根據(jù)距離確定最近碰撞危險(xiǎn)船舶r和最近安全航行船舶s。

由COLREGs可知:除了對(duì)遇局面明確要求向右轉(zhuǎn)向，其他條款并未明確要求船舶避讓方向?；诓粦?yīng)妨礙另一艘船通行或安全通行的船舶，根據(jù)船舶r和船舶s與本船i船的不同會(huì)遇階段，本船i在t時(shí)刻避讓方向δi(t)確定算法如下：

Function determine avoidance direction()

Input:dir(t),Stair(t),δir(t),Sitir(t),RCir(t),RVCir(t),TCir(t) %輸入t時(shí)刻r船相對(duì)i船參數(shù)

Input:dis(t),Stais(t),ms%輸入t時(shí)刻s船相對(duì)i船參數(shù)

Input: SDA %輸入SDA

δi(t) ← NULL %t時(shí)刻i船避讓方向

1. ifSitir(t) is head-on situation then

2. ifdir(t)>dis(t) then

3. ifδir(t) ≠msthenδi(t) ← 0;

4. elseδi(t) ←δir(t);

5. end

6. elseδi(t) ←δir(t);

7. end %對(duì)遇局面下δir(t) = 1

8.elseifStair(t)=1&&Stais(t)=1 then

9. ifδir(t) =msthenδi(t) ←ms;

10. elseifdir(t)>dis(t) thenδi(t) ← 0;

11. elseδi(t) ←ms;

12. end

13.elseifStair(t)>1&&Stais(t)=1 thenδi(t) ←δir(t);

14.elseifStair(t)=1&&Stais(t)>1 then

15. ifδir(t) =msthenδi(t) ←ms;

16. elseifdir(t)>4.5 n mile thenδi(t) ←ms;

17. elseδi(t) ← 0;

18. end

19.elseifStair(t)>1&&Stais(t)>1 then

20. ifdir(t)>dis(t) thenδi(t) ←ms

21. elseifSitir(t) is overtaken

22. thenδi(t) ←δir(t);

23. elseif 0

24. elseδi(t) ← 1;

25. end

26.elseifdir(t)

27. if 0

28. if sin(RVCir(t)-TCir(t)+180°)≥0 thenδi(t) ← 1;

29. elseδi(t) ← -1;

30. end

31. elseif sin(RVCir(t)-TCir(t)+180°)<0 thenδi(t) ← 1;

32. elseδi(t) ← -1;

33. end

34.end

35.returnδi(t);

該算法中head on situation和overtaken分別為對(duì)遇局面和被追越局面；RCir(t)、TCir(t)和RVCir(t)分別為t時(shí)刻船舶r相對(duì)船舶i的相對(duì)方位、真方位和運(yùn)動(dòng)方向。

2.2.2避讓幅度的確定

確定t時(shí)刻避讓方向δi(t)之后，進(jìn)而需確定避讓幅度δci(t)。設(shè)置候選避讓幅度集為

ΔC={0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°}

(3)

由于決策模型以步長(zhǎng)Δt=5 s進(jìn)行滾動(dòng)更新，但因決策步長(zhǎng)5 s不能完成整個(gè)避讓幅度轉(zhuǎn)向，這里根據(jù)候選避讓幅度大小設(shè)置5 s內(nèi)的航向變化集

δc={0°，1°，2°，3°，3°，3°，3°}

(4)

當(dāng)本船周圍存在多艘碰撞危險(xiǎn)船舶，且無法通過一次轉(zhuǎn)向完成對(duì)所有船舶的安全避讓時(shí)，無論本船針對(duì)哪艘船舶制訂避讓方案，在執(zhí)行過程中都有可能與另一船舶的碰撞危險(xiǎn)增大。為避免因采取避讓行動(dòng)而對(duì)部分船舶造成更為緊迫的危險(xiǎn)局面，通過優(yōu)化船舶避讓幅度對(duì)避讓沖突進(jìn)行消解。避讓幅度選擇策略如下(以船舶i為例)：

(1) 盡可能讓清所有來船，即對(duì)于任意船舶j(j∈N)有

δci(t)={c|c∈ΔC，dCPAij,c(t)≥SDA}

(5)

式(5)中：dCPAij,c(t)為i船避讓角度C后與j船的dCPA值。

(2) 若無法讓清所有來船，盡可能讓清6 n mile以內(nèi)的來船，即對(duì)于任意船舶j(j∈N，dij(t)<6 n mile)，有

δci(t)={c|c∈ΔC，dCPAij,c(t)≥SDA}

(6)

(3) 若仍無法讓清6 n mile內(nèi)的來船，則選擇避讓?duì)后盡量能保證通過最大距離，避免更緊迫的碰撞危險(xiǎn)，即

δci(t)={c|c∈ΔC，max(min(dCPAij,c))}

(7)

根據(jù)避讓行動(dòng)應(yīng)大幅度的要求，讓路船避讓幅度應(yīng)不小于30°，即

∑δci(t)≥30°

(8)

2.2.3恢復(fù)原航向條件

在采取避讓行動(dòng)之后的一段時(shí)間，在保證船舶能在SDA通過的基礎(chǔ)上，為減小航跡偏移量、航程、避讓時(shí)間和燃油消耗，船舶應(yīng)恢復(fù)原航向?；謴?fù)原航向時(shí)刻條件(以船舶i為例)為

(1) 船舶i恢復(fù)航向之后與任意船舶j(j∈N)不存在碰撞危險(xiǎn)，即

dCPAij，b(t)≥SDA或{tCPAij,b(t)≤0且dij(t)>SDA}

(9)

式(9)中：dCPAij，b(t)和tCPAij，b(t)分別為i船恢復(fù)原航向之后與j船的dCPA和tCPA值。

(2) 對(duì)于任意船舶j(j∈N，j≠i)，距離船舶i均大于8 n mile。

3 避碰決策試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證避讓決策模型的普適性，依據(jù)蒙特卡洛思想隨機(jī)生成3艘船舶和4艘船舶初始會(huì)遇場(chǎng)景各3組，每組10 000次，驗(yàn)證避讓沖突消解策略的有效性。試驗(yàn)中船舶采取分布式?jīng)Q策避讓，即每艘船舶均根據(jù)所處場(chǎng)景，依據(jù)避碰決策模型獨(dú)立制訂避讓行動(dòng)，對(duì)模型的普適性進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)置4艘船舶會(huì)遇場(chǎng)景，對(duì)避讓中船舶避讓幅度、避讓時(shí)間和避讓軌跡進(jìn)行展示，并在4艘船會(huì)遇時(shí)設(shè)置船舶未根據(jù)決策進(jìn)行避讓和船舶根據(jù)避讓重點(diǎn)船舶進(jìn)行避讓，對(duì)模型的魯棒性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 會(huì)遇場(chǎng)景生成與參數(shù)設(shè)置

隨機(jī)生成特定數(shù)量(3～4艘)船舶會(huì)遇場(chǎng)景，包含船舶位置(x，y)、航向c和速度v。各參數(shù)取值范圍和分布見表2。

表2 初始參數(shù)取值范圍和分布

隨機(jī)生成的會(huì)遇場(chǎng)景中存在部分場(chǎng)景并不存在碰撞危險(xiǎn)的情況，為更好地驗(yàn)證避讓沖突消解策略的有效性，對(duì)生成的會(huì)遇場(chǎng)景進(jìn)行篩選。篩選原則如下：

1) 為避免船舶會(huì)遇剛開始進(jìn)入緊迫局面，甚至緊迫危險(xiǎn)局面，兩兩船舶間的初始距離應(yīng)不小于6 n mile。

2) 所有船舶應(yīng)相互靠近，即任意2艘船舶tCPA>0。

3) 船舶間存在碰撞危險(xiǎn)，即至少存在2艘船舶dCPA<0.8SDA，同時(shí)任意2艘船舶的dCPA不大于設(shè)置SDA的2倍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

分別對(duì)3艘船舶和4艘船舶會(huì)遇進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組隨機(jī)生成符合篩選原則的會(huì)遇場(chǎng)景有10 000次，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表3可知：在三船會(huì)遇局面下,最近距離大于SDA平均占比99.83%，大于0.95SDA平均占比99.95%，任意兩船最近點(diǎn)距離為1.30 n mile；在四船會(huì)遇局面下,99.51%能在SDA及以上距離通過，99.68%能在0.95SDA及以上距離通過，任意兩船最近點(diǎn)距離為0.92 n mile。隨著船舶數(shù)量的增加，船舶會(huì)遇局面越來越復(fù)雜，最近點(diǎn)距離大于SDA的占比略有減小，但仍為99.51%，證明避碰決策模型具有較好的普適性。

3.2.2船舶避讓試驗(yàn)展示

對(duì)船舶避讓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示，其中避讓方案中避讓時(shí)機(jī)和復(fù)航時(shí)機(jī)為試驗(yàn)時(shí)間，單位為s，避讓幅度單位為(°)。

3.2.2.1 存在避讓沖突場(chǎng)景的四船會(huì)遇

初始船舶位置、航向和航速與避碰方案如表1所示，在采取船舶避讓沖突消解策略之后，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡和兩船距離隨時(shí)間變化曲線分別見圖2和圖3。

圖2 船舶避讓過程

圖3 任意兩船距離隨時(shí)間變化曲線

由圖2和圖3可知：在采取船舶避讓沖突消解策略之后，通過每艘船舶調(diào)用避讓算法，船舶間能在安全距離內(nèi)通過；與圖1對(duì)比，說明船舶沖突消解策略和避碰決策能較好地解決多船避讓沖突問題。

3.2.2.2 對(duì)遇、交叉和追越局面共存的四船會(huì)遇

針對(duì)交叉局面、對(duì)遇局面和追越局面共存情況設(shè)置多船會(huì)遇場(chǎng)景，初始船舶參數(shù)和避碰方案見表4，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡和任意兩船距離隨時(shí)間的變化曲線分別見圖4和圖5。

表4 初始船舶參數(shù)與避碰方案

圖4 船舶避讓過程

圖5 任意兩船距離隨時(shí)間變化曲線

3.2.2.3 協(xié)調(diào)行動(dòng)下的四船會(huì)遇

隨機(jī)生成四船會(huì)遇場(chǎng)景，初始船舶參數(shù)和避碰方案見表5，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡和任意兩船距離隨時(shí)間變化曲線分別見圖6和圖7。

3.2.2.4 不協(xié)調(diào)行動(dòng)下四船會(huì)遇

針對(duì)第3.2.2.1節(jié)存在避讓沖突場(chǎng)景的四船會(huì)遇，將船舶1設(shè)置為根據(jù)避讓重點(diǎn)船舶算法進(jìn)行避讓，船舶初始參數(shù)與避碰方案見表6，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡和任意兩船距離隨時(shí)間的變化曲線分別見圖8和圖9。由圖2和圖8可知：船舶1避讓方向相反，但均能保證在安全距離內(nèi)通過，證明避讓決策算法能在他船采取不協(xié)調(diào)行動(dòng)時(shí)，具備一定的應(yīng)變能力。

表5 初始船舶參數(shù)與避碰方案

圖6 船舶避讓過程

圖7 任意兩船距離隨時(shí)間變化曲線

表6 初始船舶參數(shù)與避碰方案

圖8 船舶避讓過程

圖9 任意兩船距離隨時(shí)間變化曲線

3.2.2.5 船舶避讓效果分析

由圖2、圖4、圖6和圖8可知:正常情況下船舶均能在偏航一定距離之后恢復(fù)原航向，運(yùn)動(dòng)軌跡較為平滑。由圖3、圖5、圖7和圖9可知：船舶間距離不小于安全會(huì)遇距離，距離變化均勻，符合良好船藝要求。

由存在避讓沖突場(chǎng)景的四船會(huì)遇場(chǎng)景試驗(yàn)可知，船舶避碰決策模型能在存在避讓沖突的情況下保證船舶安全；由對(duì)遇、交叉和追越局面共存的四船會(huì)遇場(chǎng)景試驗(yàn)結(jié)果可知，決策模型能處理多局面共存情況下的船舶會(huì)遇場(chǎng)景；同時(shí),由協(xié)調(diào)行動(dòng)和不協(xié)調(diào)行動(dòng)下的四船會(huì)遇場(chǎng)景可知，模型能在周圍船舶采取協(xié)調(diào)和不協(xié)調(diào)行動(dòng)下安全避讓。

4 結(jié)束語

多船會(huì)遇局面具有一定的隨機(jī)性和不確定性，因此在避讓不同船舶時(shí)需采取不同的避讓行動(dòng)。由于避讓行動(dòng)不一致，會(huì)產(chǎn)生避讓沖突。本文在避免影響安全航行船舶的基礎(chǔ)上，避免船舶避讓產(chǎn)生新的碰撞危險(xiǎn)或更緊迫的碰撞危險(xiǎn)，構(gòu)建避讓沖突消減策略下的避碰決策模型。分別針對(duì)3艘船舶和4艘船舶進(jìn)行隨機(jī)避碰測(cè)試，驗(yàn)證決策模型的普適性。由多船會(huì)遇避讓過程和任意兩船距離的變化情況可知：船舶運(yùn)動(dòng)軌跡平滑，船舶間距離變化均勻，能適應(yīng)周圍船舶動(dòng)態(tài)變化和存在部分不協(xié)調(diào)行動(dòng)的會(huì)遇情景，具有較好的避讓效果。研究中存在一定的假設(shè)和局限性，如尚未針對(duì)不同船舶尺度和不同船舶的操縱性進(jìn)行分析，沒有考慮來船數(shù)據(jù)更新時(shí)的延時(shí)和錯(cuò)誤，且研究水域僅為開闊水域等。為實(shí)現(xiàn)船舶智能航行，還需進(jìn)行更深層次的研究，如在海上實(shí)際航行時(shí)，受風(fēng)、浪、流的作用，船舶航向和航速均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并非定值，如何在參數(shù)波動(dòng)下制訂安全避讓方案仍需進(jìn)一步研究。目前，由于僅針對(duì)部分船舶采取避讓重點(diǎn)船算法下的不協(xié)調(diào)行動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，在下一步研究中，需對(duì)模型進(jìn)行更充分的驗(yàn)證。