2019 Fiscal Year Annual Research Report
Collision avoidance algorithm for multiple target ships by explainable AI
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19H02371
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| Research Institution | National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology |
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Principal Investigator |
間島 隆博 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (30392690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福戸 淳司 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (40360713)
高玉 圭樹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20345367)
佐藤 圭二 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (90734244)
澤田 涼平 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (00825911)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 避航操船 / 学習分類子法 / OZT / COLREGs / 大時定数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
以下に示す研究項目(1)～(3)のサブテーマを設け、研究を進めた。
研究項目(1)：OZTによる複数相手船を対象とした避航操船アルゴリズムでは、避航操船アルゴリズムが適用される船舶（自船）は、通常、計画航路をWay Pointの点列位置情報として持ち、衝突の危険が無い場合は、この計画航路に沿って航行する。自船の進行方向に仮想的な避航経路ネットワークを扇形に張り、OZTと重なるノード及びリンクを除去し、次に向かうべきWay Pointへの経路をDijkstra最短路探索アルゴリズムにより求めるプログラムを開発した。また、現実的な自律的避航を模擬するために、船体運動モデルとしてKTモデルを導入し、舵角の制御としてPID制御のアルゴリズムを組み込んだ。
研究項目(2)：旋回船のOZT予測と航行可能経路ネットワークの生成では、相手船の旋回を含む動向を予測し、ブイ、障害物、浅瀬など、避航すべき領域も考慮して、(1)の経路ネットワークで航行不可なノード、リンクを除去するアルゴリズムを開発した。さらに、海上衝突予防法に準じた操船が実現できるよう上記経路ネットワークの属性を修正した。
研究項目(3)：非マルコフ連鎖型学習分類子法（以下、LCSと略す）と避航操船アルゴリズムの統合では、複数の派生版があるLCSのうちの一つを実装し、簡易的な設定で自船が目標点まで到達できるプログラムを作成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究項目(1)：OZTによる複数相手船を対象とした避航操船アルゴリズムでは、衝突が起きる可能性が高くなる海域を示すOZT、および、自船の前方に経路ネットワークネットを張り、ネットワーク理論を活用して避航経路を見出す知識ベースの避航操船アルゴリズムを構築するとともに、簡易的な船体運動モデルを組み込んだ。さらに、今津問題に代表されるような、複数の船舶の見合い関係の条件のもと、得られたアルゴリズムを実装した仮想船のシミュレーション航海を行い、相手船の数が少ない場合、避航操船が可能なことが確認できた。
研究項目(2)：旋回船のOZT予測と航行可能経路ネットワークの生成では、ブイ、障害物、浅瀬など、避航すべき領域も考慮しなければならないため、(1)の経路ネットワークで航行不可なノード、リンクを除去し、航行できる経路の選択幅を制限するアルゴリズムを開発した。相手船の動向の予測は、過去に記録されたAIS情報から特徴量を抽出し、教師あり学習による予測モデルを構築した。また、AISデータを活用し、実海域の交通流を模擬して、避航操船アルゴリズムを試行できる環境を構築し、この中で(1)のアルゴリズムを実装した仮想船舶のシミュレーション航海を試行した。
研究項目(3)：非マルコフ連鎖型LCSと避航操船アルゴリズムの統合では、複数の派生版がある学習分類子法の中から一つを実装し、簡易的な設定で自船が目標点まで到達できるプログラムを作成した。
以上の各項目の研究実施内容から、概ね計画した通りの進捗と判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
複数の見合い船を対象とした、自動避航操船アルゴリズムを完成させることが目的である。そのために、複数の相手船との衝突リスクを同時に見積もることができるOZTを活用した避航経路の算定方法を確立する。旋回中の相手船のOZTの大きな動きを予測するとともに、海上衝突予防法に沿った避航操船が可能となるアルゴリズムを研究する。時定数が大きな大型船を自船の対象とするため、過去の操船状況を記憶し、短期間の未来の状況を予測するLCSを、知識ベースの避航操船アルゴリズムと融合して、自動避航操船アルゴリズムを完成させる。なお、完成されたアルゴリズムの妥当性は、多数の船舶が行き交う、東京湾口、 紀伊水道、関門海峡周辺の日本の輻輳海域において取得されたAIS（自動船舶識別装置）情 報を基礎とするシミュレーションにより検証を行う。このために、今後は、各研究項目の成果を融合して、アルゴリズムの高度化を目指す。
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[Presentation] Towards Adaptation to Environmental Change without Network Revision in Urban Transit Network Design Problem2019
Author(s)
Kajihara, S., Kobayashi, R., Takano, R., Takadama, K., Aratani, T., and Majima, T.
Organizer
The 3rd International Symposium on Swarm Behavior and Bio-Inspired Robotics (SWARM 2019)
Int'l Joint Research
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