一种基于试验性机动操作的两阶段船舶路径规划方法

《Ocean Engineering》：A two-stage ship path planning method based on trial maneuvers

船舶近岸路径规划方法研究 提出基于试航模拟的两阶段路径规划方法，全局规划整合海洋环境数值模型与改进Dijkstra算法优化航时，局部规划采用COLREGs合规的试航策略结合船舶运动模型进行碰撞规避，实现动态约束下的安全路径生成与实时更新。

　　在当今的全球航运体系中，船舶路径规划作为实现完全自主航行的核心技术，正受到越来越多的关注。随着国际贸易的持续增长，海上交通密度不断上升，导致碰撞事故的发生率也相应提高。根据研究数据，超过75%的海上碰撞事故是由人为操作失误造成的。因此，发展智能化和自主化的船舶技术，被视为减少人为错误、提升航行安全的重要手段。然而，要实现这些目标，必须构建可靠且高效的路径规划系统，这并非易事。自主航行系统需要在复杂的海洋环境中，根据周围交通状况和自然因素如风、洋流和波浪，合理应对各种情况。因此，路径规划功能的可靠性被认为是实现自主船舶的关键技术之一。

近海区域的路径规划尤为关键，因为这里海上交通密集，同时海洋环境条件也更为复杂。这些挑战加上船舶操作的限制，使得近海航行变得尤为困难。船舶能否规划出安全的路径，取决于其如何适应环境、避开障碍物。如果路径忽略了船舶的操作性能，可能会难以实际执行。因此，考虑船舶运动特性的路径规划方法成为研究的重点。尽管已有许多方法用于动态海洋环境中的路径规划，但每种方法都有其独特的优势和局限性，这些将在后续内容中详细讨论。

在考虑船舶操作性能的路径规划研究中，主要关注点包括船舶与障碍物之间的碰撞规避，以及近海区域或海上平台附近的路径规划。根据现有文献中如何将操作性能融入路径规划，本文将方法分为三类：基于操作参数的方法、基于路径平滑的方法，以及基于船舶运动模型模拟的方法。每种方法将在后续内容中进行详细分析。此外，由于海洋环境对路径规划有显著影响，本文还将探讨考虑环境因素的路径规划方法。

许多研究将船舶操作参数融入路径规划中。例如，He等人引入了动态A*算法，通过最小转弯半径来处理多船相遇情况。Babel和Zimmermann则基于转弯圈参数构建了操作感知网络，用于规划在水雷威胁水域中的路径。Jang和Kim使用了具有转弯直径约束的快速探索随机树（RRT），而Liu等人采用了具有转向角度限制的快速Marching方法（FMM）。然而，这些方法依赖于静态参数，这些参数基于船舶结构或转弯测试结果，忽略了在不同海况下操作性能的变化。这限制了它们在真实航行中的追踪可靠性。

一些研究采用两步策略进行船舶路径规划，即先生成初始路径，再通过平滑处理来提高操作性能。Li等人考虑了洋流的影响，并使用贝塞尔曲线优化路径以实现高效操作。Wang等人则利用Q学习生成初始路径，再使用贝塞尔曲线进行平滑处理，以提升路径的连续性。Song等人采用基于图的方法进行初始路径规划，并使用样条曲线进行路径平滑，以增强路径的可追踪性。同样，Gu等人和Wang等人结合了基于采样的路径规划与样条插值，以创建更平滑的轨迹。然而，在大多数方法中，平滑处理被视为一个后处理步骤，未能充分考虑动态操作约束。因此，最终的路径可能在复杂环境中缺乏可行性，并且高度依赖于初始路径的质量。

基于完整船舶运动模型的路径规划方法最初是在自动雷达绘图辅助（ARPA）系统中通过试航操作功能引入的。该功能通过模拟船舶对不同操作的响应来预测轨迹，旨在反映船舶运动特性并支持碰撞规避。然而，由于不同制造商在实现上的差异，船舶运动模拟通常采用简化假设，如忽略实际操作性能、海况和水深的影响，导致预测结果不一致且不够准确。因此，这些方法在真实航行中的可靠性仍然有限。

许多研究将试航操作的概念扩展到规划碰撞规避路径中。Du等人提出了轨迹单元（TUs）的概念，即在不同操作策略下通过模拟模型生成的短而固定的船舶运动。这些轨迹单元被存储在轨迹库（TL）中，并结合使用以形成动态可行的路径，从而反映实际的船舶操作。类似的方法也被Huang等人和Yang等人采用。然而，这些方法通常局限于固定条件，未能考虑环境因素的变化，因此在实际应用中效果有限。

Benedict等人开发了一种轨迹预测工具，用于可视化船舶在航行中的运动。Wang等人开发了一种基于船舶运动模型的近距离碰撞规避系统。Han等人则利用船舶数学模型和人工势场生成靠泊和碰撞规避路径。Chen等人采用Nomoto模型和Q学习，在操作限制下实现碰撞规避。尽管这些方法考虑了船舶运动特性，但大多数假设理想条件。在实际航行中，风、洋流和波浪等非稳态因素会引入复杂且耦合的扰动，这些扰动难以用离散轨迹单元进行建模。即使采用先进的控制策略，也可能难以有效补偿这些扰动，特别是在恶劣海况下。

一些路径规划方法专注于环境影响。Song等人提出了一种改进的A*算法，用于处理洋流引起的漂移，并优化燃油消耗和航行时间。Pan等人则将风、波浪、洋流和潮汐等因素纳入路径规划，以提高安全性。然而，一些研究仍然忽略了船舶运动特性，这限制了它们在复杂环境中的性能。Maslov等人进一步强调了实时适应的重要性，他们引入了一个操作安全工具箱，利用传感器反馈调整控制策略。尽管该工具箱在靠近平台或风场等局部任务中有效，但由于需要密集的传感器数据，它在长距离规划中并不适用，因为在这些区域中高分辨率的环境数据往往难以获得。

相比之下，天气航线规划更注重海洋动力学，以优化速度和燃油消耗。然而，这些研究主要集中在大范围的开阔海域航行，操作性能限制较少。此外，所使用的环境数据集（如ERA5、HYCOM）通常具有较低的空间和时间分辨率，这使得它们难以用于近海区域的路径规划，因为近海区域受到复杂的地形和快速变化的海洋环境的影响。

本文的研究动机来源于对现有船舶路径规划方法局限性的理解，特别是在近海区域。首先，环境数据的分辨率有限。在近海区域，获取高分辨率的环境数据仍然存在困难。虽然大型海洋动力学数据集如ERA5常用于天气航线规划，但其低空间和时间分辨率限制了其在近海区域的应用。船载传感器可以提供实时的局部数据，但缺乏广泛的覆盖能力。因此，高精度、高分辨率的海洋动力学数据对于预测船舶运动和提高路径质量至关重要。

其次，环境假设过于理想化。一些路径规划方法假设平静水域条件，或忽略风、波浪和洋流对船舶运动的影响。然而，这些环境因素会显著改变船舶的操作性能。因此，在规划阶段整合现实的操作约束，有助于规划出更安全、更可靠的路径。

最后，试航操作策略不够完善。基于试航操作的碰撞规避方法通常模拟所有轨迹，并在固定操作策略下生成碰撞规避路径。然而，这种方法往往缺乏与实际经验的整合，也未能充分考虑国际海上避碰规则（COLREGs）。有效的路径规划需要一个符合现实操作的试航策略，以确保安全性和可靠性。

综上所述，近海区域的全球路径规划面临的主要挑战是难以提供高质量的海洋动力学数据。这种限制影响了近海路径规划的可靠性，并使得在真实海况下模拟船舶运动变得困难。为了解决这一问题，本文提出了一种结合海洋环境动力学和符合COLREGs的碰撞规避操作的两阶段路径规划方法。在全局规划阶段，采用高精度的海洋环境数值模型来模拟近海区域的环境条件，从而提供详细的风、波浪和洋流数据。随后，开发了一个基于改进Dijkstra算法的全局路径规划方法，以最小化航行时间，并考虑周围环境的影响。接着，利用Douglas-Peucker算法提取关键航点，以支持船舶的追踪。该全局路径作为出发前的初步计划，但在航行过程中会根据实时的海洋环境变化和船舶当前位置进行动态更新。

在局部路径规划阶段，重点是航行过程中近距离的船舶相遇情况。首先，开发了一个考虑环境扰动的船舶运动模型，以预测在不同操作策略下的船舶未来位置。然后，提出了一种符合COLREGs的预定义试航操作策略，并构建了一个碰撞风险评估模型，以评估该策略下的每个候选操作，从而识别最安全的碰撞规避路径。

本文的主要贡献包括以下几点：首先，应用海洋数值模型，以弥补近海区域数据的不足，从而在复杂环境中实现更精确的船舶运动模拟。其次，开发了一种基于改进Dijkstra算法的全局路径规划方法，以最小化航行时间，并整合真实的环境因素，如风、波浪、洋流和潮汐，以提升航行安全性和经济性。第三，引入了一种用于单船相遇的预定义试航操作策略，以实现局部的碰撞规避路径规划，利用试航模拟评估并选择安全的避碰操作。

为了更好地理解本文的研究方法，本文将分章节进行介绍。第二部分将介绍船舶运动模型和海洋环境数值模型。第三部分将详细阐述本文提出的全局路径和局部路径规划方法。第四部分将分析五个典型案例，包括船舶与静态障碍物的相遇，以及交叉、对头和超越等情况。第五部分将讨论参数选择和计算效率的问题。第六部分将总结本文的研究成果。

在第二部分中，本文介绍了船舶运动模型和海洋环境数值模型。所采用的数值模拟方法包括两个主要组成部分：船舶运动模型和海洋环境数值模型。海洋动力学环境模拟主要用于生成足够的环境数据，以支持后续的路径规划。环境数据通过数值模型和再分析数据集的结合获得。例如，Simulating Waves Nearshore（SWAN）和

在第三部分中，本文详细阐述了提出的全局路径和局部路径规划方法。这些方法建立在第二部分中介绍的船舶运动模型和海洋环境数值模型的基础之上。在全局路径规划阶段，船舶速度的估计基于实际海况下的环境力。通过改进的Dijkstra算法，规划出航行时间最短的全局路径。随后，利用Douglas-Peucker算法提取关键航点，以支持船舶的追踪。该全局路径作为出发前的初步计划，但在航行过程中会根据实时的海洋环境变化和船舶当前位置进行动态更新。

在局部路径规划阶段，重点是航行过程中近距离的船舶相遇情况。首先，开发了一个考虑环境扰动的船舶运动模型，以预测在不同操作策略下的船舶未来位置。然后，提出了一种符合COLREGs的预定义试航操作策略，并构建了一个碰撞风险评估模型，以评估该策略下的每个候选操作，从而识别最安全的碰撞规避路径。

本文的研究方法通过整合海洋环境数据和船舶运动模型，解决了现有路径规划方法的不足。在全局规划阶段，利用高精度的海洋环境数值模型模拟近海区域的环境条件，提供详细的风、波浪和洋流数据。这有助于更准确地预测船舶的运动轨迹，并确保路径的可行性。在局部规划阶段，通过考虑实际操作约束和COLREGs，提出了一种符合现实操作的试航策略，以实现更安全、更可靠的路径规划。

此外，本文还讨论了参数选择和计算效率的问题。所提出的方法依赖于多个参数的组合，其中参数的选择基于前人研究的建议和专家经验。为了进一步分析参数选择对决策的影响，有必要讨论不同参数值对决策过程的影响。碰撞风险评估模型中的权重参数和轨迹规划中的缩放因子是本文方法中的关键参数。在这一部分中，将探讨不同参数值对路径规划结果的影响，并分析如何在保证路径质量的同时提高计算效率。

最后，本文总结了研究的主要成果。船舶在动态海洋环境中受到风、波浪和洋流的影响，这些因素会改变船舶的速度和操作性能。为了提高航行安全性，本文提出了一种基于船舶试航操作模拟的两阶段路径规划方法。在全局规划阶段，采用高精度的海洋环境数值模型模拟近海区域的环境条件，从而提供详细的风、波浪和洋流数据。在局部规划阶段，通过考虑实际操作约束和COLREGs，提出了一种符合现实操作的试航策略，以实现更安全、更可靠的路径规划。这些方法的提出，为船舶在复杂海洋环境中的自主航行提供了重要的技术支持和理论依据。