Operation of Maritime Transport Operation of Maritime Transport Эксплуатация морского транспорта 1992-8181 64046 10.34046/aumsuomt106/5 РАЗДЕЛ 1 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА, СУДОВОЖДЕНИЕ, ВОДНЫЕ ПУТИ СООБЩЕНИЯ И ГИДРОГРАФИЯ OPERATION OF WATER TRANSPORT, NAVIGATION WATERWAYS AND HYDROGRAPHY РАЗДЕЛ 1 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА, СУДОВОЖДЕНИЕ, ВОДНЫЕ ПУТИ СООБЩЕНИЯ И ГИДРОГРАФИЯ THE POSSIBLE VESSELS COLLISIONS SETS IN SPEED SPACE МНОЖЕСТВА ВОЗМОЖНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ СУДОВ В ПРОСТРАНСТВЕ СКОРОСТЕЙ Жук А. С. Zhuk A. S. 31 03 2023 31 03 2023 27 36 31 03 2023 31 03 2023 https://aumsu.editorum.ru/en/nauka/article/64046/view

Рассматривается подход к задаче гарантированного предотвращения столкновений судов на основе множеств возможных столкновений в пространстве скоростей. Задача управления состоит в безопасном маневрировании судна в навигационной обстановке с множеством потенциально опасных судов-целей. Областью возможного столкновения является область физического водного пространства, в которой возможно столкновение с заданным судном-целью, как функция времени. Управляемое судно должно избегать попадания в любые множества возможных столкновений в каждый момент времени. Объеди-нение всех множеств возможных столкновений в каждый момент времени образует двумерное множе-ство в пространстве скоростей, которое будем называть препятствием в пространстве скоростей. Если управляемое судно движется с постоянными курсом и скоростью, то для гарантированного предотвра-щения столкновений вектор скорости не должен оказаться внутри области препятствия в пространстве скоростей в любой момент времени из заданного горизонта планирования. Предотвращение столкно-вений на больших горизонтах планирования можно обеспечить на основе использования постоянных безопасных состояний, которые гарантируют безопасность плавания и используются в алгоритмах ите-ративного планирования. Чтобы управлять подобным развитием событий многие итеративные плани- Эксплуатация морского транспорта. 2023, №1 28 ровщики движения определяют постоянные безопасные состояния как множества состояний управляе-мого судна, для которых удовлетворяются условия безопасности (предотвращения столкновений), и динамически выполнимы переходы обратно в эти состояния. Кроме того, для гарантированного предот-вращения столкновений используется понятие состояния неминуемого столкновения, которое тесно связано с постоянными безопасными состояниями. В общем случае безопасность плавания достигается с помощью определения пространства безопасных состояний и ограничениями на управление, позво-ляющими судну находится только в пределах такого пространства. Последовательная оценка окружа-ющей навигационной обстановки и использование итеративных алгоритмов программирования движе-ния гарантированно обеспечивают безопасность плавания на неограниченном горизонте планирования. Даются рекомендации для практического применения. Выполненные исследования способствуют со-вершенствованию методов управления судном

The article has considered the approach to the guaranteed vessels collision avoidance problem on the basis of possible collisions sets in speed space. The control task is to safely maneuver the vessel in a navigational envi-ronment with many potentially dangerous target vessels. The area of possible collision is the area of the physical water space in which a collision with a given target vessel is possible, as a function of time. The controlled vessel must avoid any set of possible collisions at any given time. The union of all sets of possible collisions at each moment of time forms a two-dimensional set in the speed space, which we will call an obstacle in the speed space. If the controlled vessel is moving at a constant heading and speed, then for guaranteed collision avoidance, the speed vector should not be inside the obstacle area in speed space at any time from a given planning horizon. Collision avoidance at large planning horizons can be ensured through the use of permanent safe states, which guarantee the safety of navigation and are used in iterative planning algorithms. To manage this development, many iterative motion planners define constant safe states as sets of controlled ship states for which safety (collision avoidance) conditions are satisfied, and transitions back to these states are dynamically feasible. Moreover, for guaranteed collision avoidance, the concept of an imminent collision state is used, which is closely related to constant safe states. In general, the safety of navigation is achieved by defining a space of safe states and restrictions on control, allowing the ship to be only within this space. Sequential estimation of navigation environment and iterative planning algorithms guarantee safety for infinite planning horizon. Rec-ommendations for practical use have been given. Performed researches contribute to the improvement of the ship’s handling methods

 пространство скоростей предотвращение столкновений управление судном без-опасные состояния speed space collision avoidance ship handling safe states

Жук А.С. Модель движения судна по про-грамме выхода в путевую точку / А.С. Жук // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник.- 2020. - № 6. - С. 32-36. Zhuk A.S. Model' dvizheniya sudna po pro-gramme vyhoda v putevuyu tochku / A.S. Zhuk // Transport: nauka, tehnika, upravlenie. Nauchnyy informacionnyy sbornik.- 2020. - № 6. - S. 32-36. Толпегин О.А. Управление ракетами на ос-нове расчёта областей достижимости / О.А. Толпегин // Вестник Самарского государ-ственного аэрокосмического универси-тета.- 2015. - Т.14.- № 1.- С. 73-82. Tolpegin O.A. Upravlenie raketami na os-nove rascheta oblastey dostizhimosti / O.A. Tolpegin // Vestnik Samarskogo gosudar-stvennogo aerokosmicheskogo universi-teta.- 2015. - T.14.- № 1.- S. 73-82. Damas B. Avoiding moving obstacles: the for-bidden velocity map / B. Damas, J. Santos-Victor // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE. - 2009. - P. 4393-4398. Damas B. Avoiding moving obstacles: the for-bidden velocity map / B. Damas, J. Santos-Victor // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE. - 2009. - P. 4393-4398. Fiorini P. Motion planning in dynamic envi-ronments using the relative velocity paradigm / P. Fiorini, Z. Shiller // IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. - 1993. - P. 560-565. Fiorini P. Motion planning in dynamic envi-ronments using the relative velocity paradigm / P. Fiorini, Z. Shiller // IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. - 1993. - P. 560-565. Fiorini P. Motion planning in dynamic envi-ronments using velocity obstacles / P. Fiorini, Z. Shiller // The International Journal of Ro-botics Research. - 1998. - vol.17, No. 7. - P. 760. Fiorini P. Motion planning in dynamic envi-ronments using velocity obstacles / P. Fiorini, Z. Shiller // The International Journal of Ro-botics Research. - 1998. - vol.17, No. 7. - P. 760. Gal O. Efficient and safe on-line motion plan-ning in dynamic environments / O. Gal, Z. Shiller, E. Rimon // IEEE International Con-ference on Robotics and Automation. (ICRA) IEEE. - 2009. - P. 88 - 93. Gal O. Efficient and safe on-line motion plan-ning in dynamic environments / O. Gal, Z. Shiller, E. Rimon // IEEE International Con-ference on Robotics and Automation. (ICRA) IEEE. - 2009. - P. 88 - 93. Large F. Navigation among moving obstacles using the NLVO: Principles and applications to intelligent vehicles / F. Large, C. Laugier, Z. Shiller // Autonomous Robots. - 2005. - vol. 19, No. 2. - P. 159 - 171. Large F. Navigation among moving obstacles using the NLVO: Principles and applications to intelligent vehicles / F. Large, C. Laugier, Z. Shiller // Autonomous Robots. - 2005. - vol. 19, No. 2. - P. 159 - 171. Wu A. Guaranteed Avoidance of Unpredicta-ble, Dynamically Constrained Obstacles using Velocity Obstacle Sets / A. Wu. - Massachu-setts: Massachusetts Institute of Technology, 2011.-116p. Wu A. Guaranteed Avoidance of Unpredicta-ble, Dynamically Constrained Obstacles using Velocity Obstacle Sets / A. Wu. - Massachu-setts: Massachusetts Institute of Technology, 2011.-116p. Жук А.С. Модель трехмерного множества достижимости движения судна / А.С. Жук // Эксплуатация морского транспорта. - 2017. - № 2 (83). - С. 51-57. Zhuk A.S. Model' trehmernogo mnozhestva dostizhimosti dvizheniya sudna / A.S. Zhuk // Ekspluataciya morskogo transporta. - 2017. - № 2 (83). - S. 51-57. Жук А.С. Трехмерные множества достижи-мости и притяжения судна с ограниченным управлением / А.С. Жук // Эксплуатация морского транспорта. - 2018. - № 2 (87). - С. 32-38. Zhuk A.S. Trehmernye mnozhestva dostizhi-mosti i prityazheniya sudna s ogranichennym upravleniem / A.S. Zhuk // Ekspluataciya morskogo transporta. - 2018. - № 2 (87). - S. 32-38. Holmes P. Reachable Sets for Safe, Real-Time Manipulator Trajectory Design / P.Holmes, S.Kousik, B.Zhang, D.Raz, C.Barbalata, M.Johnson-Roberson, R.Vasudevan // Robot-ics: Science and Systems, 2020. Holmes P. Reachable Sets for Safe, Real-Time Manipulator Trajectory Design / P.Holmes, S.Kousik, B.Zhang, D.Raz, C.Barbalata, M.Johnson-Roberson, R.Vasudevan // Robot-ics: Science and Systems, 2020. Allen R.E. A Machine Learning Approach for Real-Time Reachability Analysis / R.E.Allen, A.A.Clark, J.A.Starek, M.Pavone // 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelli-gent Robots and Systems. IEEE. 2014. Allen R.E. A Machine Learning Approach for Real-Time Reachability Analysis / R.E.Allen, A.A.Clark, J.A.Starek, M.Pavone // 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelli-gent Robots and Systems. IEEE. 2014. Hua C. Reachable set modeling and engage-ment analysis of exoatmospheric interceptor / C.Hua, L.Yangang, C.Lei, T.Guojin // Chinese Journal of Aeronautics.- 2014. 27(6). P. 1513 - 1526. Hua C. Reachable set modeling and engage-ment analysis of exoatmospheric interceptor / C.Hua, L.Yangang, C.Lei, T.Guojin // Chinese Journal of Aeronautics.- 2014. 27(6). P. 1513 - 1526. Lin Y. Collision avoidance for UAVs using reachable sets / Y.Lin, S.Saripalli // 2015 In-ternational Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). IEEE. 2015. Lin Y. Collision avoidance for UAVs using reachable sets / Y.Lin, S.Saripalli // 2015 In-ternational Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). IEEE. 2015. Боран-Кешишьян А.Л. Анализ моделей управления потоком судов в морских пор-тах в развитии концепции е-навигации / А.Л. Боран-Кешишьян, В.В. Попов // Экс-плуатация морского транспорта.- 2018.- № 1 (86).- С. 91-95. Boran-Keshish'yan A.L. Analiz modeley upravleniya potokom sudov v morskih por-tah v razvitii koncepcii e-navigacii / A.L. Boran-Keshish'yan, V.V. Popov // Eks-pluataciya morskogo transporta.- 2018.- № 1 (86).- S. 91-95. Fraichard T. Inevitable collision states - a step towards safer robots? / T. Fraichard, H. Asama // Advanced Robotics. - 2004. - vol. 18, No. 10. - P. 1001 - 1024. Fraichard T. Inevitable collision states - a step towards safer robots? / T. Fraichard, H. Asama // Advanced Robotics. - 2004. - vol. 18, No. 10. - P. 1001 - 1024. Petti S. Safe motion planning in dynamic en-vironments / S. Petti, T. Fraichard // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE. - 2005. - P. 2210 - 2215. Petti S. Safe motion planning in dynamic en-vironments / S. Petti, T. Fraichard // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE. - 2005. - P. 2210 - 2215. Astrein V.V. Multicriteria assessment of opti-mal forecasting models in decision support systems to ensure the navigation safety / V.V. Astrein, S.I. Kondratyev, A.L. Boran-Keshishyan // Journal of Physics: Conference Series. "International Conference on Actual Issues of Mechanical Engineering, AIME 2021". - 2021. - P. 012108. Astrein V.V. Multicriteria assessment of opti-mal forecasting models in decision support systems to ensure the navigation safety / V.V. Astrein, S.I. Kondratyev, A.L. Boran-Keshishyan // Journal of Physics: Conference Series. "International Conference on Actual Issues of Mechanical Engineering, AIME 2021". - 2021. - P. 012108. Dantsevich I. Numerical Method for Correct-ing Command Signals for Combined Control of a Multiengined Complex / I. Dantsevich, M. Lyutikova, V. Fedorenko // International Con-ference on Mathematics and its Applications in new Computer Systems. Springer, Cham. - 2022. - P. 117-131. Dantsevich I. Numerical Method for Correct-ing Command Signals for Combined Control of a Multiengined Complex / I. Dantsevich, M. Lyutikova, V. Fedorenko // International Con-ference on Mathematics and its Applications in new Computer Systems. Springer, Cham. - 2022. - P. 117-131. Kondratyev S.I. Human-machine system as a control shell in the implementation of mooring operations / S.I. Kondratyev, A.L. Boran-Keshishyan, V.V. Popov, A.E. Slitsan // Jour-nal of Physics: Conference Series. "Interna-tional Conference on Actual Issues of Me-chanical Engineering, AIME 2021". - 2021. - P. 012045 Kondratyev S.I. Human-machine system as a control shell in the implementation of mooring operations / S.I. Kondratyev, A.L. Boran-Keshishyan, V.V. Popov, A.E. Slitsan // Jour-nal of Physics: Conference Series. "Interna-tional Conference on Actual Issues of Me-chanical Engineering, AIME 2021". - 2021. - P. 012045