融合航道与分道通航制约束的COLREGs合规船舶路径规划框架

《Applied Materials Today》：A COLREGs-compliant route planning framework incorporating fairway and traffic separation scheme constraints

本研究针对复杂沿海环境中船舶路径规划对《国际海上避碰规则》(COLREGs)合规性需求，提出了一种集成航道和分道通航制(TSS)约束的系统方法。通过解析S-57电子海图(ENCs)构建环境模型，开发改进A*算法融合航道偏好因子、安全距离因子和路径平滑因子，结合Ramer-Douglas-Peucker(RDP)分段优化策略，生成符合COLREGs第9条(狭窄水道)和第10条(TSS)规定的优化路径。实验表明该方法能减少90.68%航点并保持规则合规性，为自主导航提供理论支撑。

　　

随着全球贸易90%以上货物通过海运完成，沿海水域船舶交通密度持续攀升，如何实现安全高效的船舶路径规划成为关键课题。国际海事组织通过推行分道通航制(TSS)和航道划分来规范航行秩序，但现有路径规划算法往往侧重最短路径或基础避障，未能充分融入《国际海上避碰规则》(COLREGs)的法定要求。这种规则合规性的缺失可能导致规划路径违反航行规章，增加碰撞风险和法律纠纷。特别是在狭窄水道和TSS区域，COLREGs第9条要求船舶尽量靠航道右侧航行，第10条明确规定须沿交通流方向行驶，这些具体条款在现有算法中缺乏结构化表征和语义嵌入。

为解决这一技术瓶颈，广东海洋大学团队在《Applied Materials Today》发表研究，提出了一种COLREGs合规的船舶路径规划创新框架。该研究通过三个关键技术突破构建完整解决方案：首先建立基于S-57电子海图(ENCs)的环境模型，将航道、TSS区域等地理空间参数转化为网格化导航环境；其次设计改进A*算法，创新性地将航道偏好因子、安全距离因子和路径平滑因子融入代价函数；最后采用分段优化策略，针对不同航行区域特性应用差异化Ramer-Douglas-Peucker(RDP)算法阈值，实现路径简化与规则遵守的平衡。

在环境建模方面，研究团队采用网格化方法将航行区域划分为均匀单元，通过GDAL库解析S-57标准电子海图数据并转换为ESRI Shapefile格式。每个网格单元赋予特定数值编码：陆地(0)、分隔带(32)、浅水区(64)、航道/TSS边界(128)和可航区域(255)。针对TSS区域，研究创新性地将双向航道沿中轴线划分为两个单向航段，分别赋予固定航向角，确保符合右舷航行规则。安全水深计算采用船舶吃水(T)与富余水深(UKC)相加的模型，其中UKC设置为吃水的20%。

改进A*算法的设计体现多目标优化思想。航道偏好因子通过计算船舶航向与规定航向夹角差Δθ，建立分段代价函数：当Δθ≤60°时降低代价鼓励沿航道航行，Δθ>90°时设置极大代价禁止逆流。安全距离因子采用指数型代价函数，当与障碍物距离d(n)小于安全半径R时显著增加代价。路径平滑因子通过计算连续航段转向角θ，使用(1-cosθ)项惩罚急转弯。新代价函数f(n)=g(p)+d(p,n)C_fairway(n)C_safe(n)C_turning(n)+h(n)实现多约束协同优化。

分段优化策略针对初始路径特征实施精细化处理。研究将路径划分为交通 lane段、航道段和自由航段三种类型，采用不同RDP阈值：自由航段600m，航道和TSS区域900m。通过分段连接操作确保轨迹连续性，避免偏离规定航道。在湛江湾(C1515732)的实验中，改进A*算法相比传统方法航点减少64.97%，转向点减少48.04%，路径长度仅增加0.12%却显著提升规则合规性。

琼州海峡(CN203315)实验验证分段优化效果。非分段优化虽减少91.53%航点，但出现偏离分隔带问题；分段优化在保持90.68%航点精简率的同时，确保路径严格遵循航道走向。跨区域航行实验(新海港至湛江港)显示，优化路径与AIS实际轨迹平均横向偏差仅59.25米，证明算法贴合实际航行实践。不同安全水深阈值(5m/20m)测试表明，方法能自适应调整可航区域，保持COLREGs合规性。

该研究通过COLREGs规则语义建模、多维代价函数设计和情境感知路径优化三重技术创新，建立了船舶自主导航新标准。集成PyQGIS和PyQt5的可视化系统实现从理论算法到工程应用的跨越，为智能航运发展提供重要技术支撑。未来研究方向包括提升大范围水域计算效率、细化航道分割模型以及融合动态避碰功能，进一步推动 autonomous navigation system(自主导航系统)的实际应用。