基于模型预测控制的自主船舶受限水域COLREGs合规避碰研究

为解决自主船舶在受限水域中动态避碰与规则合规性问题，研究人员将COLREGs规则融入模型预测控制(MPC)框架，通过16类场景分类和实验验证，实现了静态/动态障碍物的安全避碰。该研究为高密度水域自主航行提供了可量化安全距离的优化方案。

　　

在日益拥挤的内河航道中，自主船舶面临动态避碰与规则遵守的双重挑战。传统方法采用保守的船舶领域(Ship Domain)模型，难以适应狭窄水域的空间限制；同时，国际海上避碰规则(COLREGs)的模糊条款导致算法设计缺乏量化标准。针对这些问题，中国奖学金基金资助的研究团队在比利时弗兰德斯水利研究所与根特大学的拖曳水池中，通过结合模型预测控制(MPC)与COLREGs规则，开发出能同时处理静态障碍物和动态船舶的避碰系统，相关成果发表于《Ocean Engineering》。

研究采用三项关键技术：1) 基于4×4矩阵的16类场景分类法，通过主船(Own Ship)与目标船(Target Ship)的相对方位角(Relative Bearing)双重判定确保COLREGs合规性；2) 在MPC目标函数中嵌入安全距离约束D_j,i，通过预测步长N_p实时计算船舶领域冲突风险；3) 利用拖曳水池开展物理-虚拟混合障碍实验，验证不同速度组合下的超车(Overtaking)与会遇(Meeting)场景。

Problem formulation
通过建立含四类约束的MPC优化方程，将避碰转化为带安全距离D_j,i的轨迹优化问题，其中C4约束确保各预测步长与障碍物保持最小间隔。

Overview of COLREGs
创新性地将COLREGs规则13-15条细化为16种场景，如S01(主船右舷追越)与S09(主船左舷被追越)，通过双重相对方位判定消除角色互换时的识别矛盾。

Experimental setup
在长88米、宽7米的拖曳水池中，采用实尺度10%的船模测试静态障碍物避碰，证明纵向/横向安全距离参数可动态调节以适应不同航道条件。

Simulation tests
补充测试了S12-S14等交叉场景，显示MPC能在DCPA(最近会遇距离)小于安全阈值时自动触发转向控制，且转向幅度与TCPA(到达CPA时间)呈负相关。

Conclusion
该研究首次将COLREGs规则完全编码进MPC框架，实验证实其可节省15%的避碰操作空间。动态障碍测试中，系统在TCPA<30秒时即启动预判性避让，较传统方法响应时间缩短40%。作者团队指出，未来需在更复杂多船会遇场景验证算法的实时性，但当前成果已为自主船舶在运河等受限水域的规则化航行提供了可量化的技术路径。