海洋智能无人系统：碰撞风险评估策略

1）基于CPA的碰撞风险评估策略

碰撞风险评估采用的初始概念是基于CPA或相关船舶之间的瞬时最短距离。获取的参数包括时间最近点（time of closest point of approach，TCPA）和空间最近点（distance to closest point of approach，DCPA）。图6.6说明了两船遭遇情况下TCPA和DCPA的计算方式。假设USV1以速度V1行进，而USV2则以V2的速度行进，V12则是USV1同USV2的相对速度。D是两船之间的距离，γ则是相对位置和相对运动方向的夹角，计算可得DCPA和TCPA为

图6.6　基于DCPA的碰撞风险评估

总体来说，如果满足以下两个条件，则两船之间存在碰撞风险：tCPA＿limit和dCPA＿limit分别表示预定义的最小时间和空间安全距离，所有船舶都应遵守这一临界距离。

2）基于船舶领域的碰撞风险评估

基于CPA的碰撞风险评估使用一维信息（距离信息）进行，并且评估中涉及的船舶被简化为质点。然而，由于船舶运动的非线性以及海上交通环境的复杂性，用一些能明确揭示船舶行为的区域来代表船舶更为贴近实际，这样的区域被称为船舶领域。(www.xing528.com)

船舶领域模型是一种能够阻止其他船舶靠近的二维安全区域，它的形状主要是根据导航统计数据构建的，通常由三种不同的形状组成，分别由Fujii和Tanaka，Goodwin和Davis等人提出。

如表6.2，可以看出Fujii和Tanaka的模型通常用于狭窄区域，而另外两种则更适合开阔海域。这三种模型已成为研究船舶领域的基本模型，并且基于模糊逻辑和人工神经网络针对特定环境和航行需求进行了后续改进。

表6.2　三种不同船舶领域模型对比

当使用船舶领域方法进行碰撞风险评估时，首先计算关于CPA的信息（主要是DCPA值），并且如果DCPA值小于船舶领域大小，则需要适当的规避操纵。基于此，Tam和Bucknall提出了一种实用的碰撞风险评估策略，其算法流程图如图6.7所示。它根据OS和目标船（TS）的离散化路径来评估风险，沿着固定的路径间隔，计算和评估瞬时遭遇的碰撞风险类型。评估主要包括两个步骤，即根据OS和TS的位置和速度确定该次“遭遇”的种类，并根据“遭遇”的种类和TS的速度来应用船舶领域计算。使用评估循环以便于考虑所有涉及的TS，并且将评估导航路径上的所有离散点的碰撞风险。这种评估策略采用了循环式评估方法，会对所有的TS在所有航行路径上的离散点进行风险评估。根据风险评估结果，如果需要采取行动规避，那么路径规划算法将会重新规划路线，这些内容将会在下一节做具体讨论。

图6.7　碰撞风险评估流程图