关于冰区船舶航行中智能避障与路径优化方法的研究

《Ocean Engineering》：Research on the intelligent obstacle avoidance and path optimization approaches for ship navigation in ice regions

　　

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  提出一种适用于冰区船舶航行的智能避障与路径优化方法。
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  构建用于导航障碍物的核心增强型双层动态空间域模型。
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  高效提取障碍物空间的几何向量关系。
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  提升避障路径的适应性与精确度。
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  为提升极地船舶的智能化水平与航行安全性提供可靠技术支持。

引言

全球变暖导致极地冰盖持续融化，这极大改善了极地航道的通航条件。船舶运营商更愿意选择北极航线，使得冰区水域的航运需求逐年上升。2013年，中国商船“永盛号”创造了新纪录，成为首艘通过北极东北航道抵达欧洲的国产商船，其27天的航行距离达7931海里。此后，越来越多的货轮和科研船在极地水域进行航行与探测。北极航线能够缩短航行时间与距离，其优势已引起整个航运业的广泛关注。然而，冰区航行环境依然十分复杂恶劣，浮冰、冰山、浓雾和大雪常常降低能见度，同时冰况也对船舶的操纵性造成极大限制。在此类海域航行的船舶可能面临突如其来的安全风险，且几乎没有空间用于紧急避让。过去的航行事故充分体现了这些风险：2019年，中国科研船“雪龙号”在南极探险时在浓雾中撞上冰山，船首桅杆和护舷遭到严重损坏；2023年，货轮“永兴56号”在俄罗斯领海附近被浮冰撞击，导致船体破裂进水，最终沉没（见表1）。

这些事故表明，传统的航行与避障策略无法适应复杂的冰区环境，因此亟需新的技术解决方案来保障极地航行的安全。基于这一现实背景，近年来国内外学者对极地航行安全展开了大量研究。当前的研究主要涵盖冰区航行的风险评估、船舶与海冰碰撞的数值模拟、冰区干扰下的自主避碰决策与路径规划，以及海冰的环境感知技术等。这些研究积累了宝贵的理论和技术经验，为冰区船舶的智能导航发展奠定了坚实基础。不过，当这些现有研究成果应用于实际冰区航行时，仍存在诸多明显缺陷。大多数传统的避障空间域模型是为开阔水域设计的，无法有效划分适合随机漂移的冰块的危险航向区和预警区。同时，传统的路径优化算法在冰块不断移动的情况下适应性较差，而且很少考虑冰区船舶较大的惯性和转向延迟。此外，现有的研究很少将多源风险指标与障碍物的几何向量关系相结合，以实现海冰、冰山及其他船舶共存场景下的智能决策。目前的大部分研究也仅聚焦于单一技术模块，而非构建一个整合了动态障碍建模、避障决策与路径优化的完整系统，以服务于冰区船舶。

随着极地航行量的不断增加以及整个行业向智能化和无人化方向发展，弥补上述技术缺陷，开发针对冰区船舶的智能避障与路径优化技术已成为当务之急。提升船舶规避动态障碍的能力并规划最优路径，可以有效减少与冰相关的碰撞事故，提高极地航行的整体效率，为北极航运的长期安全可持续发展提供支撑，这也是本研究的核心动机。

针对冰区航行中的上述技术瓶颈，本文提出了一种适用于冰区船舶航行的集成式智能避障与路径优化方法。我们结合遭遇动态参数、碰撞风险以及冰区安全距离，构建了用于导航障碍物的动态空间域模型和避障决策的约束模型。通过分析障碍物空间的几何向量关系，实现了危险航行区域的精准识别，并进一步优化了路径规划算法的逐步探索机制，提升了避障路径的适应性与精确度。我们还设计了多种典型的冰区场景开展仿真实验，以验证所提方法的性能。本文的其余结构如下：第二部分梳理国内外相关研究进展；第三部分阐述本研究采用的具体方法；第四部分介绍仿真实验及详细结果分析；第五部分总结本研究的创新点并探讨现有局限性；最后一部分给出总体结论并提出未来研究方向。

章节要点

文献综述

近年来，随着极地航行需求的增加，全球学者在航行风险评估、冰船碰撞模拟、冰区船舶的自主避碰决策与路径规划等方面开展了大量研究，取得了丰硕成果。相关研究可归纳为以下五个主要方向。

首先，关于航行环境风险评估与风险框架构建

冰区船舶航行避障行为分析

一般来说，冰区船舶航行避障的决策过程可分为五个关键环节。首先，系统需要依据本船与目标船的运动参数，以及冰区的环境感知数据，完成航行风险评估，判断是否存在碰撞危险。如果检测到风险，则需要确定本船是应当让行还是保持原位

模拟数据简介

本节基于包含多艘船舶和多个冰区障碍物的模拟环境开展算法验证实验。模拟以中国辽东湾地区为测试区域，该地区冬季的海冰覆盖面积最大可达45海里。图8和图9展示了基于真实电子海图构建的船舶航行场景的地理位置与环境信息。这两个冰区

讨论

目前，冰区船舶航行智能避障技术的研究是智能船舶航行安全领域亟需突破的关键问题之一。学术界正在开展一系列研究，重点关注冰区船舶航行中的碰撞风险评估与避障路径优化。国内外在这一领域都取得了显著进展。徐P等人（2024年）

结论

为解决冰区船舶传统避障技术面临的复杂航行环境、强动态不确定性以及适应性不足等问题，本研究聚焦三个核心方向：冰区碰撞风险计算、避障动态空间域构建以及避障路径优化，旨在提升冰区船舶智能航行的安全性与效率。本研究创新性地提出了

CRediT作者贡献说明

刘志辰：概念构思、数据整理、形式分析、资金获取、研究调查、方法设计、初稿撰写、审稿与编辑。吴思辉：形式分析、软件应用。姜明远：概念构思、可视化处理。李颖：资源协调、项目监督。高睿：资金获取、软件应用、审稿与编辑。罗建安：数据整理、研究调查、结果验证。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的资助：中国国家自然科学基金（NSFC）海洋创新联合基金“智能海图导航的空间信息解析技术”（项目编号U2572208），中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB3908800），大连高层次人才创新计划（项目编号2024RQ017），交通运输部水运科学研究院的基础研究业务费项目（项目编号WTI182415、WTI182402、WTI182513）以及其他相关基金的支持。

Zhichen Liu|Sihui Wu|Mingyuan Jiang|Ying Li|Rui Gao|Jianan Luo