国际航海日 | MDPI JMSE：迎接无人船航海时代——水面无人艇航行安全领域研究

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节日简介

3月17日是“国际航海日”，也称为“世界海事日”，最早出现在1978年。设立国际航海日意在引起人们对船只安全、海洋环境和国际海事组织的重视。

原文通讯作者简介

张安民

天津大学

张安民，天津大学讲席教授，新世纪百千万人才工程国家级人选，国家重点研发计划项目首席科学家。研究项目包括: 海上丝绸之路运输环境安全保障服务系统集成与应用示范、天津港复合航道电子通航试点工程、北斗卫星导航系统在海上业务中的应用研究等。

研究领域：海洋测绘，e-航海，无人艇

研究背景

近年来，船舶无人化逐渐成为研究的热点。未来当无人船艇与有人船在航道中共存的情况下，航行安全与避碰处置将更加复杂。就目前来看，解决该问题的可行途径之一就是二者都遵守同样的交通规则，即COLREGs (International Regulations for Preventing Collisions at Sea, 国际海上避碰规则)，进行同步的处置[1]。在COLREGs的约束下，无人船艇同样需要采取等同于“海员的常规操作”的行动[2]，在本船周围保持适当大小的专属空间用于采取避碰行动，即航行安全领域。然而目前尚未形成专门适用于无人艇的航行安全领域模型，大多直接采用有人船模型替代。

近期，来自天津大学海洋科学与技术学院张安民教授及其团队在JMSE (Journal of Marine Science and Engineering) 期刊上发表的文章中，提出了一种适用于水面无人艇的动态航行安全领域 (Dynamic Navigation Safety Domain, DNSD) 并对其进行了相关验证。

研究内容

论文在COLREGs中定义的对遇、交叉相遇和追越三种会遇态势的基础上，考虑到无人艇集群航行时可能频繁变换队形，增加了“被追越”态势 (图1)；通过改进现有船舶领域得到无人艇基础航行安全领域模型，并给出了在四种会遇态势下安全领域的计算方法。以天津大学双体无人艇为研究对象，通过旋回试验 (图2) 获取模型中所需参数，对基础航行安全领域进行验证。

图1. 四种典型会遇态势

图2. 无人艇旋回试验场景

接下来，论文建立了航行安全等级与航行安全领域大小的映射关系 (图3)，并利用粗糙集算法和Delphi专家调查法提取了影响无人艇航行安全的主要因素 (依次为障碍物、海浪、航速、流、风)。通过扩展函数的方法，论文给出了上述各因素变化对航行安全领域尺度影响的量化计算方法，由此建立动态航行安全领域模型。

图3. 航行安全等级与安全领域尺度间的映射

通过改变各主要因素变量的取值，设置5种不同的航行工况。在这5种不同工况下，分别针对对遇、交叉相遇、追越和被追越四种会遇态势，将动态航行安全领域进行仿真 (以对遇为例，如图4所示)。进一步地，将本文构建的动态航行安全领域模型与学者Fujii和Coldwell提出的两种典型船舶领域模型进行对比，验证该模型对无人艇航行安全的保障效果 (图5，图6)。

图4. 对遇态势下DNSD半径变化 (a) 第一种角度组合下的半径变化趋势，(b) 第二种角度组合下的半径变化趋势

图5. DNSD与Fujii模型在不同会遇情况的对比(a) 对遇 (b) 交叉相遇 (c) 追越 (d) 被追越

图6. DNSD与Coldwell模型在不同会遇情况的对比(a) 对遇 (b) 追越

结论与展望

本文提出了一种适用于无人艇的动态航行安全领域，并研究了各影响因素对领域边界的扩展函数。将动态航行安全领域在不同工况下进行仿真，并与两种典型的船舶领域模型进行对比，得出以下结论：

(1) 本文提出的动态航行安全领域能够通过无人艇的几何特征、进距、旋回初径等计算出航行中需要保持的安全空间大小，并能够对各种会遇态势进行区分；

(2) 在各种工况下，动态航行安全领域能够根据各影响因素等级、方位的变化而有针对性地调整相应方向上的空间尺度，而非扩展所有方向上的尺度范围；

(3) 与Fujii模型、Coldwell模型等船舶领域的对比中发现，载人船的船舶领域更加重视后方来船，在左、右方向上留出的安全空间明显不足，而DNSD能够给无人艇提供更大的专属避碰空间。

作者下一步将深入研究海浪、风、流等水文气象环境因素的影响，根据大数据分析，构建复杂交通态势下的动态船舶领域模型，给出考虑耦合作用下外界环境因素对航行安全领域大小的影响函数。

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Zhou, J.; Wang, C.; Zhang, A. A COLREGs-Based Dynamic Navigation Safety Domain for Unmanned Surface Vehicles: A Case Study of Dolphin-I. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 264.

参考文献

1. Porathe, T. Maritime Autonomous Surface Ships (MASS) and the COLREGS: Do we need quantified rules or is “the ordinary practice of seamen” specific enough? Int. J. Mar. Navig. Safety Sea Transp. 2019, 13, 511-517.

2. Zhou, X.; Huang, J.-J.; Wang, F.-W.; Wu, Z.-L.; Liu, Z.-J. A Study of the Application Barriers to the Use of Autonomous Ships Posed by the Good Seamanship Requirement of COLREGs. J. Navig. 2019, 72, 1–16.

期刊简介

Journal of Marine Science and Engineering (JMSE, ISSN 2077-1312, IF 2.033) 是一个与海洋科学相关的国际型开放获取期刊。期刊范围涵盖海洋科学所有领域，包括海洋工程、沿海工程、物理海洋学、海洋生物、海洋化学、海洋地质等各方面的广泛应用。JMSE采取单盲同行评审，平均处理周期约为33天，文章从接收到发表仅需3.5天。

往期回顾：

版权声明：

*本文内容由原文作者周健翻译编写，一切以英文原文为准。如需转载，请邮件联系：[e-mail]

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