一种具有时空和COLREGs约束的新型碰撞风险评估方法

《Ocean Engineering》：A novel collision risk assessment method with spatiotemporal and COLREGs constraints

　　

研究人员提出了一种结合空间和时间约束以及法规要求的碰撞风险评估方法。首先利用速度障碍法（VO）和船舶领域（SD）模型获取受限速度集，然后使用最近会遇点（CPA）方法并纳入《国际海上避碰规则》（COLREGs）的合规性考虑对其进行细化。随后将这些集合整合，其与总速度集的比值定义了时变碰撞风险参数。为了捕捉会遇的动态特性，研究人员引入了基于CPA的时间参数。最后，引入船舶运动模型和直接自适应控制算法以实现避碰操作。仿真研究表明，与现有方法相比，所提方法提高了风险评估的清晰度和有效性，并揭示了基于航向（heading）和基于航迹（course）公式之间的差异。

海上运输承担着全球约90%的货物贸易量，是国际贸易和全球供应链的支柱。随着世界海运贸易的发展，许多水域的交通密度增加，多船同时会遇的情况加剧了碰撞风险。现有碰撞风险评估方法存在两个显著局限：第一，对《国际海上避碰规则》（COLREGs）的定量整合不足（如规则13/14/15关于会遇类型），导致风险指标对合规操纵的响应性降低；第二，在多船会遇场景中，多数方法要么依赖成对评估（仅评估本船与每个目标船之间的风险），要么依赖聚合指标，前者限制了评估操纵对整个交通态势的影响，后者在目标数量多且法规约束复杂时可能掩盖可行的避让动作。为了解决这些问题，研究人员在《Ocean Engineering》期刊上提出了一种将速度障碍法（VO）、船舶领域（SD）模型、最近会遇点（CPA）概念与COLREGs约束相结合的新型碰撞风险评估方法，旨在提高风险评估的一致性、可靠性和对非合规操纵的敏感性，并明确区分基于航向（heading）和基于航迹（course）的指标差异。

研究人员开展的研究主要包括以下关键方法：（1）采用速度障碍法（VO）和基于综合操纵性的圆形船舶领域（SD）模型（统一基于最大船长定义半径R_circle = 4.5L_max，其中L_max为会遇两船最大船长），获取几何意义上可能导致碰撞的受限速度集；（2）利用最近会遇点（CPA）方法，通过最近会遇距离（DCPA）的符号（正值表示最近会遇点位于本船左舷）结合COLREGs规则13/14/15，识别合规与非合规动作，得到基于规则的第二受限速度集；（3）将两个受限速度集取并集，其面积与总可用速度集（假定航速不变、航向变化±90°内）面积之比定义为时变碰撞风险（TCR）；（4）引入基于最近会遇时间（TCPA）的无量纲时间参数W_TCPA（采用指数函数和归一化处理），并与TCR相乘得到最终碰撞风险指数（CRI）；（5）引入三自由度MMG船舶运动模型（考虑风浪扰动）和基于径向基函数（RBF）神经网络逼近的直接自适应控制算法（结合反步法和动态面控制DSC），实现避碰操纵并对比航向与航迹差异。所有仿真均使用KVLCC2油轮参数（来自Yasukawa和Yoshimura, 2015），风浪扰动作为外部环境载荷输入。

研究结果部分包括四个仿真案例及分析：

**4.1 两船会遇场景**
**4.1.1 交叉会遇**：设定目标船（TS）初始相对方位30°、距离15.5海里，本船（OS）向右转向40°。仿真显示，本船成功跟踪指令航向，航速在转向中变化但时间步长1s下忽略风险误判。与其他方法（CRI_CPA和CRI_VO）对比，所提CRI初始值更高，且能随本船向右转向逐步下降，反映出COLREGs兼容操纵带来的风险降低。基于航向（heading）与基于航迹（course）的CRI在转向期间差异虽小，但在参考变量关键的场景中可能导致不同评估结果。
**4.1.2 对遇会遇**：设定初始相对距离2.5海里，两船各向右20°协调转向。所提CRI初始值高于CRI_VO，且随双方转向稳定下降，体现对协同操纵的响应性。CRI_CPA仍局限在小范围波动，无法捕捉动态变化。航向与航迹差异同样显著，受限航向范围比CRI_VO更宽，反映COLREGs约束的纳入。

**4.2 多船会遇场景**
**4.2.1 三船会遇**：本船与两艘目标船（TS1和TS2）交互。所提CRI产生更宽的受限航向/航迹范围，且指数值未达到满值，从而能清晰反映本船操纵对风险的降低效果。对比CRI_VO（来自Cheng等, 2024），其曲线出现陡峭上升，因该方法通过多目标风险累积增强早期预警，但在复杂场景中难以区分当前操纵的影响。所提方法以最危险目标为主导，避免风险无限累积，提高了可解释性。
**4.2.2 五船会遇**：本船与四艘目标船交互，维持安全距离更具挑战性。所提CRI的受限范围更宽但在未完全占用时保持低于最大值，其变化能指示是否采取了适当动作。CRI_VO再次出现陡升，且最大值时难以反映操纵效果。

总结讨论部分指出，所提方法在构架受限速度集时仅考虑航向变化而未考虑航速变化；尚未用真实导航数据验证；在复杂场景中可能暂时不存在“安全速度区间”，此时可先解除COLREGs约束，若仍存在问题则改用原始碰撞区域而非船舶领域模型。采用船舶领域模型在某些方向可能保守，过高估计碰撞风险。

研究结论部分翻译如下：本研究提出了一种整合空间、时间和法规约束的碰撞风险评估方法，以提高船舶会遇中风险量化的一致性和可靠性。首先利用速度障碍法（VO）和船舶领域（SD）模型构建受限速度集以表征几何因素导致的不可能操纵，随后通过CPA方法和COLREGs合规性进行细化，以纳入基于规则的可操作性和对非合规动作的敏感性。碰撞风险指数由受限速度集与总速度集之比结合基于TCPA的时间项构成，以反映会遇紧迫性和演变。为了解决基于航向与基于航迹计算之间的差异，引入MMG模型表征环境扰动下的船舶操纵，并应用直接自适应控制算法实现避碰操纵。这些组件的整合使得航向和航迹公式的系统比较成为可能，并为碰撞风险评估提供了更一致的基础。通过简单和复杂会遇场景的仿真验证了所提指数的有效性。在两船案例中，与两种现有方法对比表明，所提指数对碰撞风险变化更敏感，评估更全面。航向与航迹结果的对比表明差异一般较小，但在某些场景中可能导致评估显著变化。在多船会遇中，与现有方法对比表明所提指数产生更宽的受限区域；现有方法在受限区域未完全占用前即达到最大值，而所提指数在未占用时保持低于最大值，从而能更好地捕捉船舶操纵效果，为避碰决策提供更清晰的支持。