Безопасная навигация морских судов: новый подход к управлению

Автор: Денис Аветисян

В статье представлен эффективный и надежный алгоритм управления, обеспечивающий безопасное маневрирование морских судов в сложных условиях и при наличии препятствий.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Предложенный контроллер SMC-HOCBF обеспечивает траекторию объезда препятствий, демонстрируя эффективность предложенного подхода к управлению движением.

Разработанная система сочетает скользящий режим управления с функциями барьеров управления высокого порядка для повышения безопасности и устойчивости.

Обеспечение безопасной навигации морских судов в условиях сильных возмущений и наличия препятствий остается сложной задачей. В статье ‘Safe Sliding Mode Control for Marine Vessels Using High-Order Control Barrier Functions and Fast Projection’ предложен новый алгоритм управления, объединяющий скользящий режим управления и функции барьеров высокого порядка для обеспечения надежной и безопасной навигации. Данный подход позволяет гарантировать соблюдение ограничений безопасности при сохранении устойчивости к возмущениям и минимизации колебаний. Сможет ли предложенная схема стать основой для разработки автономных систем управления морскими судами с повышенным уровнем безопасности и эффективности?

Безопасность Автономных Судов: Вызовы Непредсказуемости

Автономные морские суда сталкиваются с серьезными проблемами безопасности из-за непредсказуемости окружающей среды. В отличие от контролируемых условий наземного транспорта, морская среда характеризуется сложным взаимодействием ветра, волн, течений и других факторов, которые могут быстро меняться и оказывать значительное влияние на траекторию судна. Эти возмущения, часто действующие одновременно и в разных направлениях, представляют собой серьезную угрозу для безопасной навигации, особенно в условиях ограниченного пространства или при выполнении сложных маневров. Неспособность точно предвидеть и компенсировать такие воздействия может привести к отклонению от заданного курса, столкновениям или даже потере управления судном. Поэтому разработка надежных систем управления, способных эффективно противодействовать этим непредсказуемым факторам, является ключевой задачей для обеспечения безопасной эксплуатации автономных морских судов.

Традиционные методы управления морскими судами сталкиваются со значительными трудностями при обеспечении безопасной эксплуатации в условиях комбинированных внешних воздействий, таких как ветер, волнение и течения. Эти факторы, действуя одновременно и непредсказуемо, создают сложные возмущения, которые выводят судно за пределы заданных границ безопасной зоны. Стандартные алгоритмы управления, разработанные для более спокойных условий, часто оказываются неэффективными при одновременном воздействии нескольких сил, что приводит к отклонениям от курса, потере устойчивости и, в конечном итоге, к потенциально опасным ситуациям. Неспособность эффективно компенсировать эти комбинированные возмущения представляет собой серьезную проблему для автономных судов, требующую разработки новых, более надежных систем управления.

Обеспечение безопасной эксплуатации автономных морских судов требует поддержания так называемого “безопасного множества” — области, в пределах которой корабль может функционировать без риска столкновений или выхода из-под контроля. Однако, стандартные методы управления часто оказываются неэффективными в условиях сложной морской среды, характеризующейся одновременным воздействием ветра, волн и течений. Традиционные подходы, как правило, полагаются на точные модели динамики судна и окружающей среды, которые редко соответствуют реальности. В результате, гарантировать нахождение судна в пределах безопасного множества становится сложной задачей, требующей разработки новых алгоритмов управления, способных учитывать неопределенности и обеспечивать надежную стабилизацию даже при сильных внешних возмущениях. Исследования в этой области направлены на создание адаптивных систем, способных оценивать текущие условия и корректировать траекторию судна для поддержания безопасной эксплуатации в динамично меняющейся среде.

Симуляции проводились с использованием различных возмущений окружающей среды для оценки устойчивости системы.

Функции Барьерного Управления: Гарантия Безопасной Траектории

Функции барьерного управления (Control Barrier Functions, CBF) предоставляют эффективный инструмент для обеспечения «прямой инвариантности» — гарантии того, что судно (или система) останется в пределах безопасной области на протяжении всего времени работы. Это достигается путем формирования управляющего воздействия таким образом, чтобы оно удовлетворяло ограничениям безопасности, предотвращая выход системы за пределы определенного безопасного множества. Формально, CBF гарантирует, что производная функции уровня (level set) по времени отрицательна или равна нулю в пределах безопасного множества, что означает, что состояние системы не может «уйти» из безопасной области при условии выполнения ограничений. По сути, CBF выступает в качестве сертификата безопасности, подтверждающего, что траектория системы остается безопасной.

Функции барьерного управления (CBF) обеспечивают безопасность траектории судна путем формирования управляющего воздействия в соответствии с ограничениями безопасности. Этот процесс подразумевает модификацию сигнала управления таким образом, чтобы он предотвращал переход судна в опасные области пространства состояний. CBF математически формулируют эти ограничения как неравенства, которые должны выполняться на протяжении всего времени работы системы. Фактически, CBF преобразуют желаемое управляющее воздействие, добавляя или изменяя его компоненты, чтобы гарантировать, что состояние судна останется в пределах определенного безопасного множества, даже при наличии возмущений или неопределенностей в динамике системы. Это достигается путем непрерывного мониторинга состояния судна и корректировки управляющего воздействия в режиме реального времени, чтобы поддерживать выполнение ограничений безопасности.

Оператор проекции является ключевым элементом в реализации Control Barrier Functions (CBF), обеспечивая соблюдение ограничений безопасности при вычислении управляющего воздействия, даже в системах со сложной динамикой. Он выполняет проекцию вычисленного управляющего воздействия на допустимое множество, гарантируя, что результирующее воздействие не нарушит заданные границы безопасности. Это достигается путем ограничения амплитуды управляющего воздействия, чтобы предотвратить выход системы за пределы безопасной области, определяемой функцией барьера. Эффективность оператора проекции заключается в его способности быстро и точно корректировать управляющее воздействие, обеспечивая устойчивость системы и соблюдение ограничений безопасности в реальном времени, независимо от сложности динамической модели.

Траектория обхода препятствий, полученная с помощью трубчатого NMPC с CBF, демонстрирует более консервативное отклонение, обусловленное расширением трубки, рассчитанным методом Монте-Карло.

Расширение Безопасности: Функции Высшего Порядка и Скользящий Режим Управления

Функции барьерного управления высшего порядка (High-Order Control Barrier Functions, HOCBF) расширяют возможности стандартных CBF для систем с относительной степенью больше единицы. В отличие от традиционных CBF, которые обычно ограничивают только скорость системы, HOCBF позволяют задавать ограничения как на скорость, так и на положение. Это достигается за счет использования производных функции барьера в законе управления, что позволяет учитывать динамику высших порядков и гарантировать безопасность системы даже при наличии интегральных или дифференциальных ограничений на состояние. Практически, это означает возможность обеспечения безопасности не только в отношении мгновенной скорости, но и в отношении накопленного смещения от безопасной области, что критически важно для систем, где важна точность позиционирования и предотвращение длительного отклонения от заданной траектории.

Комбинация функций барьера высшего порядка (High-Order CBFs) со скользящим режимом управления (sliding mode control) обеспечивает устойчивое решение для компенсации возмущений и точного следования заданной траектории. Скользящий режим управления активно компенсирует внешние силы, не позволяя судну отклоняться от курса, в то время как функции барьера высшего порядка гарантируют соблюдение ограничений безопасности на протяжении всего процесса управления. Такой подход позволяет поддерживать заданную позицию и ориентацию судна, даже при наличии значительных внешних возмущений, таких как ветер, волны или течение, обеспечивая надежное и безопасное движение по заданной траектории.

В системе управления, использующей скользящий режим (sliding mode control), скользящая поверхность (sliding surface) определяет желаемую траекторию движения судна. Контроллер скользящего режима обеспечивает движение судна к этой поверхности и удержание на ней, минимизируя отклонения от заданной траектории. При этом, функция барьера высокого порядка (Control Barrier Function, CBF) гарантирует, что при движении к траектории и удержании на ней, судно не нарушает установленные ограничения безопасности, предотвращая столкновения или выход за пределы допустимой области. Таким образом, CBF выступает в качестве дополнительного слоя защиты, обеспечивая безопасное выполнение маневров, заданных контроллером скользящего режима.

Компоненты скользящей поверхности включают в себя силы нормальной реакции <span class="katex-eq" data-katex-display="false">N</span>, трения <span class="katex-eq" data-katex-display="false">F_f</span> и гравитации <span class="katex-eq" data-katex-display="false">F_g</span>. — Компоненты скользящей поверхности включают в себя силы нормальной реакции $N$ , трения $F_f$ и гравитации $F_g$ .

Валидация и Надежность посредством Симуляции

Для тщательной проверки эффективности предложенной системы безопасности используется комбинация методов Tube-Based NMPC и Монте-Карло моделирования. Tube-Based NMPC позволяет учитывать неопределенности, возникающие из-за возмущений, формируя своеобразный “туннель” допустимых состояний. Затем, посредством Монте-Карло симуляций, генерируется обширный набор возможных сценариев развития событий, охватывающий широкий спектр различных возмущений. Такой подход позволяет всесторонне оценить способность системы поддерживать безопасную работу в разнообразных и, возможно, сложных условиях, подтверждая её надежность и устойчивость к внешним факторам.

В основе предложенного подхода лежит концепция “трубы”, которая учитывает неопределенности, возникающие из-за внешних возмущений. Эта “труба” представляет собой диапазон допустимых состояний системы, обеспечивающий безопасность даже при отклонениях от идеальных условий. Для всестороннего охвата возможных сценариев используется метод Монте-Карло, подразумевающий многократное моделирование с различными случайными значениями возмущений. Благодаря такому сочетанию, система подвергается проверке в широком спектре ситуаций, что позволяет достоверно оценить её устойчивость и надёжность в реальных условиях эксплуатации, даже при непредсказуемых изменениях внешней среды. Такой метод позволяет не только подтвердить работоспособность системы, но и выявить потенциальные уязвимости, обеспечивая высокий уровень безопасности и предсказуемости её поведения.

Предложенный подход демонстрирует высокую устойчивость системы к внешним возмущениям и позволяет поддерживать безопасную работу даже в сложных условиях эксплуатации. Исследования показали, что разработанный метод обеспечивает сопоставимый уровень надежности с традиционным Tube-Based NMPC, при использовании аналогичной ширины “трубы” безопасности. Это достигается за счет эффективной обработки неопределенностей и всестороннего анализа возможных сценариев развития событий, гарантируя, что система способна противостоять непредсказуемым факторам и сохранять стабильность функционирования. Указанная устойчивость была подтверждена при моделировании судна с массой 425 x 10³ кг, что свидетельствует о применимости метода к крупномасштабным системам.

В ходе валидации предложенного подхода была продемонстрирована значительная экономия вычислительных ресурсов по сравнению с традиционным tube-based NMPC. Этот результат был подтвержден при моделировании судна с массой 425 x 10³ кг, что позволило установить, что предложенный метод обеспечивает сопоставимую степень устойчивости, но при существенно меньших затратах на вычисления. Данное снижение вычислительной нагрузки открывает возможности для применения алгоритма на бортовых вычислительных системах с ограниченными ресурсами, а также для реализации задач управления в режиме реального времени.

Исследование представляет собой стремление к упрощению сложной системы управления морским судном. Авторы предлагают метод, сочетающий в себе надежность скользящего режима управления и гарантии безопасности, обеспечиваемые функциями барьеров управления высокого порядка. Этот подход направлен на минимизацию вычислительной нагрузки, что особенно важно в условиях ограниченных ресурсов и необходимости оперативного реагирования на препятствия. Как говорил Конфуций: «Управляй собой, и ты сможешь управлять миром». Эта фраза отражает суть предложенного метода: строгое управление системой позволяет достичь стабильности и безопасности в непредсказуемой морской среде, подобно управлению сложностями через четкую структуру и ясные принципы.

Что Дальше?

Представленная работа, будучи шагом к повышению надежности управления морскими судами, лишь подчеркивает глубинную сложность задачи. Эффективность предложенного подхода в условиях идеализированных возмущений не отменяет необходимости учета реальной турбулентности среды, нелинейностей гидродинамики и неопределенности в оценке параметров. Неизбежно возникает вопрос: достаточно ли формальных гарантий безопасности, если сама модель мира является упрощением? Ненужное — это насилие над вниманием, и бесконечное усложнение алгоритмов ради кажущейся точности часто оказывается контрпродуктивным.

Перспективным направлением представляется разработка адаптивных алгоритмов, способных оценивать и компенсировать немоделируемые возмущения в реальном времени. Однако, адаптация — это всегда компромисс между робастностью и скоростью сходимости. Ключевым представляется поиск баланса между формальной верификацией и эвристическими подходами. Плотность смысла — новый минимализм, и истинный прогресс заключается не в увеличении количества функций, а в их качественном упрощении.

В конечном итоге, задача обеспечения безопасной навигации морских судов сводится не только к разработке сложных алгоритмов управления, но и к созданию интеллектуальных систем, способных к самообучению и прогнозированию. Игнорирование когнитивных аспектов управления — это упущение фундаментальной возможности повышения надежности и эффективности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.24281.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-03 10:34