基于改进D?算法与双船域模型的智能船舶导航决策框架研究

针对现代海上交通密度增加导致的航行安全挑战，研究人员提出了一种融合改进D?算法与双船域模型（DSD?）的智能导航决策框架。该研究通过集成船舶机动性、COLREGs规则和路径平滑约束，结合模型预测控制（MPC）实现动态轨迹跟踪。实验表明，DSD?+MPC在控制精度、安全距离和计算效率上优于传统方法，为自主船舶提供了合规、可解释的解决方案。

　　

随着全球海运量激增，现代海上环境面临交通密度高、动态复杂度大的挑战，船舶碰撞风险显著上升。联合国贸易和发展会议（UNCTAD）2024年报告指出，智能导航决策系统成为提升航行安全与效率的关键。然而，现有系统常忽视国际海上避碰规则（COLREGs）或难以生成实时可行路径，导致轨迹不可行或规则冲突。为此，中国研究人员提出了一种创新框架，结合改进D?算法与双船域模型（DSD?），通过模块化设计实现规划与控制的协同优化，成果发表于《Ocean Engineering》。

研究团队采用两项核心技术：1）路径规划层开发了DSD?算法，整合动态双船域、船舶机动性约束和COLREGs规则，利用移动窗口平滑算法生成合规轨迹；2）控制层采用模型预测控制（MPC），基于三自由度船舶动力学模型实现实时轨迹跟踪。实验数据来自模拟船舶-船舶及多船会遇场景。

路径规划改进：DSD?通过双船域模型量化安全距离，结合COLREGs规则（如第15条交叉相遇条款）生成避碰动作。相比传统D?，其路径曲率降低37%，规则符合率提升至98%。
运动控制验证：MPC控制器在5级海况下仍保持跟踪误差小于船长的5%，响应速度比PID快2倍。
多场景对比：在20次随机会遇测试中，DSD?+MPC的平均最近会遇距离（DCPA）达1.2海里，远超A?+MPC的0.8海里，且计算耗时减少40%。

结论表明，该框架首次实现了规则解释性与实时性的平衡：双船域模型使避碰决策符合航海惯例，MPC保障了动态调整能力。局限性在于未考虑极端天气下的域模型自适应，未来可融合气象数据优化算法。这项研究为自主船舶部署提供了兼具安全性与工程实用性的解决方案，其方法论也可扩展至无人潜器等领域。