水面無人艇路徑規劃研究綜述*

大連海事大學航海學院 陳 華 張新宇 姜長鋒 徐國瑞

水面無人艇路徑規劃研究綜述*

大連海事大學航海學院 陳 華 張新宇 姜長鋒 徐國瑞

水面無人艇近年來受到國內外專家學者越來越多的關注。為了總結分析USV現有路徑規劃方法及其優缺點，通過對USV路徑規劃研究進行分類綜述和分析，從獲取環境空間障礙物的方式，將USV路徑規劃分為基于海洋環境信息的全局路徑規劃和基于傳感器信息的局部路徑規劃?？偨Y基于各類研究方法的主要研究成果及其主要特點，剖析其存在的主要問題，闡明USV路徑規劃的研究思想和意義，提出USV路徑規劃今后可能的發展方向。

USV；路徑規劃；海上交通

隨著現代科學技術的飛速發展，海上智能交通已成為我國科技戰略的重要組成部分。發展海上智能交通主要是為了實現船舶的航行自動化和海上交通的智能化管理。因此，作為海上交通系統的主要個體船舶，對其航行路徑的研究顯得尤為重要。而近年興起的研究熱點——水面無人艇，是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執行危險以及不適于有人船只執行的任務。[1]由于其具有體積小、速度快、智能化和自動化程度高的特點而吸引了廣大研究人員。它不僅可以被用于軍事領域的掃雷、偵察和反潛作戰等方面，還可以用于民用領域的水文氣象探測、環境監測和海上搜救等方面。文獻［2，3］總結了無人艇的研究歷史、現狀以及發展趨勢。在水面無人艇研發和使用領域，美國和以色列一直處于領先地位。位于美國弗吉尼亞州的UOV公司集風能、太陽能和回收動力作為能源而研發了理論上擁有無限續航能力的UOV，適用于海洋數據監測和收集等。[4]以色列Elbit公司推出了Stingary號USV，它具有船型小、機動靈活、隱蔽性好和智能巡航等優點。[5]中國對無人艇的研究起步較晚，但慶幸的是，國內對無人艇的研究已經越來越重視。中國氣象局與沈陽航天新光集團共同研制了我國首艘無人駕駛船“天象一號”，它由海上無人探測平臺和地面控制系統組成，能滿足高海況下工作需求。[6]

目前水面無人艇主要配備的系統包括運動控制系統、傳感器系統、通信系統和武裝系統。其中，文獻[7]將運動控制系統分為導航定位子系統、路徑規劃子系統和航跡跟蹤子系統。而路徑規劃作為無人艇研究的核心問題，在一定程度上代表著無人艇智能化水平的高低。近年來對無人艇路徑規劃的研究成為海上智能交通的熱點問題。本文從獲取環境空間障礙物的方式，將無人艇路徑規劃分為基于海洋環境信息的全局路徑規劃和基于傳感器信息的局部路徑規劃，分別綜述其研究方法和成果，深入分析其本質特點和存在的不足，并對無人艇路徑規劃的發展方向提出幾點展望。

一、基于海洋環境信息的全局路徑規劃

全局路徑規劃是基于給定的海洋環境信息（通常指電子海圖）來獲取無人艇所經過區域的靜態障礙物信息的大范圍離線路徑規劃。為了解決全局路徑規劃問題，文獻[7]將改進勢場法與動態柵格法相結合，設計了一種勢場動態柵格法，通過將柵格動態細化的方式建立環境模型，利用改進勢場法來搜索最優路徑，通過減少折線來減少多余的路徑點，最終達到路徑優化的目的。該方法收斂速度快，能避免傳統勢場法容易陷入局部極小值問題，但沒有考慮風、浪、流等水文氣象因素對路徑規劃的影響。文獻[8]提出一種基于電子海圖的距離尋優Dijkstra算法來解決水面無人艇全局路徑規劃問題。為了克服傳統Dijkstra算法占用內存大的問題，該算法使用動態網格模型來減少規劃時間，提高規劃精度。但該方法在環境模型的建立時僅僅基于電子海圖，沒有考慮風、浪、流等水文氣象因素對航線設計的影響。文獻[9]利用遺傳算法和人工勢場法設計了水面無人艇全局路徑規劃并進行了仿真實驗，實驗表明該方法能對多種復雜的障礙物環境進行規劃，并且具有能在起點周圍三面障礙物中尋找最優路徑的能力。但該方法只是針對簡單的幾何圖形和海岸線進行規劃，沒有引入真正意義上的電子海圖。為了尋找一條最小或者接近最小的全局最優路徑，文獻[10，11]采用時效性好的A星算法作為路徑規劃算法，該方法也能找到最優路徑，但局限性在于無人艇要與既定路徑非常近或處在該路徑上，這對無人艇的控制系統提出了更高的要求。文獻[12]針對大規模海洋環境條件復雜的特點，采用碰撞檢測技術和限制搜索區域構建障礙物潛在碰撞集，以達到減小航線規劃搜索規模的目的?；跂鸥衲Ｐ秃唵渭捌鋵Σ灰巹t障礙物表達能力強的優點，提取障礙物邊界信息建立緊湊、高效的環境模型，對障礙物進行離散化處理，充分利用柵格間的鄰接關系，基于 Elasticity 算法實現最短航線規劃。實驗結果表明，設計的方法能夠滿足船舶在復雜的海洋環境中高效地尋找出最優路徑。但該方法沒有考慮到轉向次數問題，也沒有考慮風、浪、流等外界環境的影響。文獻[13]提出一種基于可視圖法的A星算法用于解決無人艇全局路徑規劃問題，該方法克服了傳統可視圖法靈活性差的問題，可以提高規劃效率，減少規劃時間。但該算法將無人艇簡化成一個質點，沒有考慮無人艇的機動性能，同時也沒有考慮風、浪、流的影響。為了解決大范圍環境下的全局路徑規劃問題，文獻[14]設計了分層和激活值相結合以及分層和遺傳算法相結合的路徑規劃算法，根據分層思想的特點，結合二維環境，采用十六叉樹的環境模型建立每一層地圖，在每層地圖中建立各個區域的鄰接關系，確定子起點和子終點。但該方法只是基于真實的海圖，沒有基于真正意義上的電子海圖，也沒有考慮風、浪、流等復雜環境因素的影響。

總之，無人艇全局路徑規劃的研究思路為：從電子海圖中獲取本航次所要經過海區的靜態障礙信息，包括岸線、島嶼、暗礁和沉船等。然后采用A星算法、距離尋優Dijkstra算法、遺傳算法和人工勢場法等方法找出從起點到終點的無碰路徑。一般采用離線的方法，即在無人艇開航前就設定好航線。但從目前現有的方法來看，大都沒有考慮風、浪、流等水文氣象因素對航線設計的影響。

二、基于傳感器信息的局部路徑規劃

局部路徑規劃是根據AIS獲取附近船舶信息或根據雷達等傳感裝置探測周圍障礙物信息的小范圍在線路徑規劃。障礙物通常是動態的船舶或者電子海圖未顯示的靜態障礙物。英國的Wasif Naeeml[15]等基于哈默斯坦和維納模型，采用遺傳算法非線性預測控制的思想來對無人艇進行實時局部路徑規劃，它是一個兩輸入單輸出的系統。Canny和Reif[16]證明了在平面內限定動態障礙物速度的路徑規劃是NP問題。研究仍沒有發現可以得到USV需要的接近于實時計算的最優方案。文獻[17]采用基于模糊理論改進的ND方法規避局部危險，并采用Q學習機制和同時更新相似海風狀態的Q值來提高收斂速度。該方法主要的貢獻是打破了傳統忽略風、浪、流影響的研究方法，在考慮外界因素上邁進了一步，但由于海面環境的復雜性，該方法也只是考慮了二維風的影響，而實際的海風是三維的，也沒有考慮海浪和海流等因素的影響。文獻[18，19]根據來船的航向和相對方位判斷兩船的會遇態勢，不同的會遇態勢生成不同的會遇安全領域，進而采用進化算法生成安全路徑。該方法融合了國際海上避碰規則的追越、交叉相遇和對遇條款，摒棄了傳統的根據兩船DCPA和TCPA判斷緊迫局面的方法，而是采用規定好的來船相對方位和航向判斷會遇態勢，智能地生成安全領域和航行路徑。該方法簡單易行，執行效率高，能快速生成滿足要求的優化路徑，但該方法將無人艇簡化為一個質點，沒有考慮無人艇的機動性能，也沒有考慮海風、海浪和海流的影響。為了解決無人艇同時會遇多艘船舶問題，文獻[20]提出基于國際海上避碰規則（International Regulations for Preventing Collisions at Sea，以下簡稱避碰規則）的確定性協同路徑規劃算法，該算法能使無人艇在會遇多艘船舶時成功避讓并尋找出最優路徑，文中從不同的角度驗證了算法的一致性和有效性，但該算法也沒有考慮風、浪、流的影響。根據動態障礙物的規避問題，文獻[21]提出基于海事規則的局部路徑規劃方法，該方法將動態障礙物在某一瞬時轉換為相對無人艇靜止的狀態，并用粒子群算法以避碰規則為約束條件進行求解。通過仿真結果發現，該方法能有效規避動態障礙物，得到合理的規避策略。但由于障礙物運動狀態的不確定性，預測的障礙物信息難免出現不準確的情況。為了解決復雜海況下的危險規避問題，文獻[22]以Sarsa在線策略強化學習算法為基礎，提出了USV在復雜海況下的自適應危險規避決策模型，并以漸進貪心策略作為行為探索策略，證明了USV自適應危險規避決策過程能夠以概率1收斂到最優行為策略。論證結果表明，采用在線策略強化學習算法提升USV在復雜海況下的危險規避性能是可行的。

通過對現有文獻的綜述發現，無人艇局部路徑規劃可以分為融合避碰規則和不考慮避碰規則兩類。融合避碰規則的局部路徑規劃中，大都采用速度避障法，該方法對來船能成功避讓，但對于未知障礙為靜態障礙并不適用。在不考慮避碰規則的局部路徑規劃中，將來船視為其他動態障礙，即無論來船的航向和航速如何，無人艇都對其進行避讓，這會使無人艇在海上航行時，當需要來船采取避讓行動的時候，無人艇也采取了避讓行動，這會使兩船行為不協調，容易引起碰撞事故。

三、無人艇路徑規劃的發展方向

為深入研究無人艇路徑規劃中的建模問題，筆者認為以下可能的發展方向應該受到重視:

（1）針對無人艇路徑規劃中的環境建模問題，應考慮加入風、浪和流等外界因素的干擾。通過模擬、實測和咨詢專家等方式獲取比較可靠的數據，將獲得的數據對模型進行驗證。

（2）在無人艇會遇他船采取避讓行動時應考慮無人艇碰撞危險度問題。目前并無權威的無人艇碰撞危險度模型，因此可以參考現有船舶的碰撞危險度，根據無人艇的實際情況，構建無人艇碰撞危險度。

（3）人工智能方法具有快速尋優的優點，已在建模、數字信號和圖像處理等方面得到了廣泛的應用，但在無人艇路徑規劃中，基于智能技術的路徑規劃遠未發揮現有智能信息處理技術的優勢，還需深入研究。

四、結語

水面無人艇無論在民用領域還是軍事領域都發揮著不可估量的重要作用，是一個國家大力發展海洋強國戰略不可或缺的有力武器。為推動無人艇路徑規劃的深入研究和廣泛應用，本文從獲得障礙物信息方式的角度，對現有路徑規劃方法進行分類綜述和分析，總結出各類研究方法的現有成果和主要優缺點，剖析存在的問題。在此基礎上，提出無人艇路徑規劃具有重要理論意義和實際應用價值的發展方向。

[1]熊亞洲,張曉杰,馮海濤,等.一種面向多任務應用的無人水面艇[J].船舶工程,2012(1):16-19.

[2]MANELY J E.Unmanned Surface Vehicles,15 Years of Development[C]//Proc.Oceans 2008 MTS/IEEE Quebec Conference Exhibition,Quebec City:Ocean’08,2008:1-4.

[3]VEERS J,BERTRAM V.Development of the USV Multi-mission Surface Vehicle III[C]//5th Int.Computer and IT Application in the Maritime Industries,COMPIT.2006:345-355.

[4]VEERS J,BERTRAM V.Development of the USV multi-mission surface vehicle III[C]//5th International Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries. Delft,2006.

[5]YAN R,PANG S,SUN H,et al.Development and missions of unmanned surface vehicle[J].Journal of Marine Science and Application,2010(4):451-457.

[6]柳晨光,初秀民,吳青,等.USV發展現狀及展望[J].中國造船, 2014(4):194-205.

[7]劉建.水面無人艇路徑規劃技術的研究[D].南京:江蘇科技大學,2014.

[8]莊佳園,萬磊,廖煜雷,等.基于電子海圖的水面無人艇全局路徑規劃研究[J].計算機科學,2011(9):211-219.

[9]張玉奎.水面無人艇路徑規劃技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[10]盧艷爽.水面無人艇路徑規劃算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[11]王錦川.自主式水面航行器導航與制導算法的研究[D].大連:大連海事大學,2014.

[12]湯青慧.基于電子海圖的航線規劃方法研究[D].青島:中國海洋大學,2011.

[13]陳超,唐堅.基于可視圖法的水面無人艇路徑規劃設計[J].中國造船,2013(1):129-135.

[14]饒森.水面無人艇的全局路徑規劃技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2007.

[15]NAEEML W,SUTTON R,CHUDLEY J.Modeling and control of unmanned surface vehicle for environment monitoring [J].Robotic Ocean Vehicles for Marine Science Applications,2006(1):409-415.

[16]CANNY J,REIF J.New lower bound techniques for robot motion planning problem[C].Proceedings of 28th Annual IEEE Symp on Foundation of Computer Science,Los Angeles:CA,1987:49-60

[17]王敏捷.USV自適應局部危險規避方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[18]TAM C K,BUCKNALL R.Collision risk assessment for ships [J].Journal of Marine Science and Technology,2010,15:257-270.

[19]TAM C K,BUCKNALL R.Path planning algorithm for ships in close range encounters[J].Journal of Marine Science and Technology,2010,15:395-470.

[20]TAM C K,BUCKNALL R.Cooperative path planning algorithm for marine surface vessels[J].Ocean Engineering,2013,57:25-33.

[21]杜開君,茅云生,向祖權,等.基于海事規則的水面無人艇動態障礙規避方法[J].船舶工程,2015(3):119-124.

[22]張汝波,唐平鵬,楊歌,等.水面無人艇自適應危險規避決策過程收斂性分析[J].計算機研究與發展,2014(12):2644-2652.

10.16176/j.cnki.21-1284.2015.11.008

國家自然科學基金項目（51309043）；交通運輸部應用基礎研究項目（2014329225020）；中國博士后科學基金項目（2014M551095）；遼寧省自然科學基金項目（2014025005）；遼寧省高校杰出青年學者成長計劃（LJQ2014052）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（3132014202）；遼寧省教育廳重點實驗室基礎研究項目（LZ2015009）