[發明專利]一種混合交通場景下的多船分布式協同控制方法

有效

• 申請號: 202110366732.2
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113138554B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 陳琳瑛;黃亞敏;牟軍敏
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡琳萍

本發明公開了一種混合交通場景下的多船分布式協同控制方法，包括：在每一個采樣時刻，各異質智能體獲取當前時刻的本船信息和他船信息；其中，本船信息包括本船狀態和控制輸入，他船信息包括他船狀態和他船期望，他船期望為他船期望本船在下一時刻所做出的決策；基于獲取的當前時刻的本船信息和他船信息，各異質智能體采用模型預測控制和串行迭代方式更新本船下一時刻的控制決策；若各異質智能體下一時刻的控制決策與他船期望一致時，所有異質智能體達成控制協議。本發明采用模型預測控制和串行迭代協商框架實現各智能體間的協同，以協商的形式減少對于智能體運動或操作模型的依賴，并且由于預測特性，即使通訊異常，船舶依舊可以完成協同操作。

技術領域

本發明屬于船舶技術領域，具體涉及一種混合交通場景下的多船分布式協同控制方法。

背景技術

從全球范圍看，各個國家正在積極推動智能航運研究，計劃于未來10年內實現無人自主船實際營運。目前，水面自主船(Maritime?Autonomous?Surface?Ships，MASS)相關研究已取得一定的成效。2018年，Rolls-Royce公司與芬蘭Finferries開發的全自動渡船Falco載著80名乘客實現了自動航行。2019年9月，日本郵船完成了全球首次“有人自主航行船舶”的海上試驗，完成了國際海事組織(International?Maritime?Organization，IMO)最新發布的《自主駕駛船舶試驗暫行指南》的各種試驗項目。我國先后印發了《智能船舶發展行動計劃(2019-2021年)》、《智能航運發展指導意見》，大力發展智能船舶、智能航運。2019年12月，國內自主研發的首艘具備自主航行功能的“筋斗云0號”貨船首航儀式在珠海東澳島舉行。

水上交通系統的優化不止需要船舶的自主化，更需要船舶之間的相互協同。例如，會遇過程中，船舶容易誤解對方意圖，形勢誤判或者過早復航容易發生碰撞。尤其在繁忙水域，船舶各行其是可能導致混亂，不僅低效而且容易引發事故。船舶之間共享航行計劃，協調船舶之間的通過時間，能夠有效緩解航道擁堵問題，提高整個系統的運行效率。意識到船舶之間的協同可以帶來的益處，多船協同研究正漸漸成為研究的熱點。2017年開始的歐盟的NOVIMAR(NOVel?Iwt?and?MARitime?transport?concepts)項目致力于有人船帶無人自主船在內河進行編隊航行這一新形式所能帶來的收益。麻省理工學院(MassachusettsInstitute?of?Technology，MIT)和阿姆斯特丹高級都市解決方案研究所(AmsterdamInstitute?for?Advanced?Metropolitan?Solutions，AMS)則提出利用小型自主船Roboat在阿姆斯特丹古老運河中運輸貨物或者為水上巴士，同時Roboat也可以相互連接變成浮動平臺、浮橋等。

然而，水上交通系統的智能化并不能一蹴而就。首先現有傳統船舶數量龐大，短時間內全部智能化可能性小。根據世界海事大學的預測，在2040年左右遠程監控下的自主船舶將達到15％。其次，船舶自主航行研究百家爭鳴，最優控制，機器學習，神經網絡等不同方法均被提出可應用于MASS。再次，IMO相關文件將MASS的自主水平劃分為四個等級：自主決策支持船舶，有人遙控船舶，無人遙控船舶和無人自主船。MASS可以根據需要在不同的自主等級之間轉換。此外，船舶也可能因通信故障、自身意愿等原因不與他船協同。同樣，設施的智能化也存在決策系統、自主程度、合作程度各異的問題。因此，無論水上交通系統的智能化發展到何種階段，水上交通系統必然是不同種類、不同決策系統、不同自主等級、不同合作程度的異質智能體并存的混合系統。異質智能體存在運動/操作模型、通信方式、通信內容、通信時機等差異，使得他們之間的交互更為復雜，已有研究主要針對同質船舶(相同運動模型，相同決策系統的無人自主船)，如何實現異質船舶智能體的協同還需要更加深入的研究。