《Ocean Engineering》：Decentralized cooperative collision avoidance strategies for conventional and intelligent ships in mixed scenarios
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基于智能船舶与常规船舶协同避碰决策方法研究，提出融合COLREGs规则、模糊逻辑推理与风险-成本评估的分布式合作避碰机制，通过优化智能船舶避碰角与常规船舶模糊决策规则，实现异构船舶环境下的安全高效协同避碰。
Bowei Xu | Neng Guo | Junjun Li
上海海事大学物流科学与工程学院，上海，201306，中国
摘要
随着航运业和人工智能技术的进步，智能船舶的应用日益广泛。然而，智能船舶与传统船舶的共存为碰撞避免决策带来了新的挑战。本研究提出了一种分散式合作碰撞避免方法，该方法结合了《国际海上避碰规则》（COLREGs）、模糊逻辑推理和风险-成本评估，以解决混合航行环境中的碰撞避免问题。该方法采用模糊碰撞避免角算法来描述传统船舶的决策行为，同时通过综合成本函数优化智能船舶的避让策略，从而在分布式框架下实现合作避让。典型相遇场景的仿真结果表明，所提出的方法能够准确识别碰撞风险并生成适当的避让动作，有效提高混合航行环境中的安全性和决策效率。这项研究为智能船舶的合作碰撞避免提供了一条可行的途径，并为未来的海上交通安全管理提供了宝贵的见解。
引言
作为全球贸易的基石，海上运输因其高成本效益、巨大的承载能力和环境可持续性，处理了超过90%的国际货物运输（Tadros等人，2023年；T. Cheng等人，2024年）。然而，海上交通密度的增加导致船舶碰撞频率上升，这往往会造成重大经济损失和严重的环境破坏（Feng等人，2024年；Gan等人，2025年；Shu等人，2025年）。研究表明，人为因素——如对船舶相遇情况的评估不足、船舶之间的沟通和协调不充分以及值班人员的决策错误——导致了大约60.6%的海上事故（Fan和Yang，2024年；Cao等人，2025年）。为了降低与人为错误相关的风险，人工智能（AI）和大数据技术越来越多地被整合到船舶碰撞避免决策系统中。在信息感知、通信与导航、能效优化和航线规划等关键技术的突破显著加速了智能船舶的实际应用（?ztürk等人，2022年；Li等人，2023年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2023年）。目前，全球已有几个智能船舶示范项目投入商业运营。值得注意的例子包括自主渡轮Falco、零排放货船Yara Birkeland和自主集装箱船Zhi Fei，这标志着智能海上系统从理论探索向工程实践的转变（Lan等人，2025年）。然而，由于现有传统船舶数量庞大且更换周期较长，短期内实现完全向智能船舶的过渡仍然具有挑战性。因此，在可预见的未来，海上交通系统将继续以传统船舶和智能船舶共存的状态运行。
然而，现有研究主要集中在同类型船舶的碰撞避免策略上，对混合航行场景中传统船舶与自主船舶之间的协调关注不足。值得注意的是，这两种类型的船舶在控制逻辑、碰撞避免决策和通信协议方面存在显著差异。传统船舶依赖人类操作员的经验和判断，而自主船舶则通过多源数据融合和算法优化进行导航。这些差异可能导致碰撞避免行为上的冲突，从而增加混合航行环境中连锁事故的风险。因此，在混合航行条件下实现传统船舶与自主船舶之间的协调碰撞避免已成为一个关键的科学挑战。
为了解决这一研究空白，本研究提出了一种分散式合作碰撞避免决策方法，该方法结合了COLREGs、模糊逻辑推理和风险-成本评估。对于传统船舶，开发了一种基于人类决策模式和模糊规则的碰撞避免算法，以确定适当的避让动作和策略。对于自主船舶，引入了一个平衡碰撞风险和避让成本的综合评估函数，从而实现最佳避让角度和策略的选择。最终，传统船舶和自主船舶通过分散式合作机制协同优化其碰撞避免路径，确保混合航行环境中的安全性和效率。
本研究为混合航行场景中的协调碰撞避免提供了系统的解决方案，为异构海上交通中协作避让算法的设计和实施提供了理论基础和方法支持。它有助于推进海上交通安全管理和自主导航技术的发展。
COLREGs的定量分析
关于COLREGs的定量研究主要集中在船舶可能遇到的情况分类、相遇阶段的量化以及碰撞风险的分析上。
COLREG对船舶相遇情况进行了基本分类：正面相撞、交叉相遇和超越相遇。然而，在实际应用船舶碰撞避免时，单一的分类方法通常无法完全覆盖复杂的航行情况。因此，这已成为一个重要的学术研究方向。
船舶合作碰撞避免框架
在航行过程中，碰撞避免过程可以分为五个基本阶段，以有效降低潜在的碰撞风险：风险识别、航行状态信息交换、相遇场景评估、碰撞避免决策和航向调整以及航向恢复。图1展示了船舶碰撞避免过程，展示了从风险识别到航向恢复的完整工作流程。
船舶
船舶领域
船舶领域作为量化碰撞风险的重要工具，在智能碰撞避免和海上交通工程等领域发挥着关键作用。它已被广泛用于航行安全评估（Pietrzykowski和Wielgosz，2021年；Li等人，2025年）。其本质是该船舶在特定环境中的安全缓冲区。一旦目标船舶进入这一区域，即可视为存在碰撞威胁。本文采用了椭圆轴对称船舶模型。
仿真与讨论
为了验证所提出的碰撞避免决策方法和分散式合作机制的有效性，设计了两种类型的仿真实验：两船相遇实验和多船相遇实验。两船实验涵盖了两种典型的相遇场景——超越和交叉——基于船舶碰撞案例来评估该方法在基本碰撞避免任务中的性能。多船实验构建了一个复杂的
结论
本研究提出了一种适用于传统船舶和智能船舶共存混合航行环境的分散式合作碰撞避免方法。研究首先构建并分析了一个分散式碰撞避免决策框架，系统地说明了每艘船舶如何在该框架内识别碰撞风险并做出控制决策，以确保航行安全。考虑到感知能力和决策方面的显著差异
CRediT作者贡献声明
Bowei Xu：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。Neng Guo：撰写 – 原始草稿、软件开发、形式分析、数据管理、概念化。Junjun Li：监督、项目管理、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Bowei Xu报告称获得了中国国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
中国国家自然科学基金（52102466，52572479），中国教育部人文社会科学基金（25YJA630041）。
