Stranding Risk for Underactuated Vessels in Complex Ocean Currents: Analysis and Controllers

要約

低推進力の船舶は、強力な海流を利用して目的地に向かって航行できます。
最近の結果は、予測誤差にもかかわらず、船舶が高い確率で目的地に到着できることを実証しました。
しかし、これらの結果は、そのような船舶の安全性という重要な側面を考慮していない。船舶の推進力が海流の大きさよりもはるかに小さいため、必然的に浅瀬やゴミなどの危険な区域に船を押し込む海流に巻き込まれる可能性がある。
パッチと配送レーン。
この研究では、まず北東太平洋における浮遊船舶の座礁リスクを調査します。
少なくとも 5.04% が 90 日以内に座礁することがわかりました。
次に、安全でないセットをハード制約として Hamilton-Jacobi Multi-Time Reachability (HJ-MTR) にエンコードして、低計算コストで各タイム ステップでの再計画と同等のフィードバック ポリシーを合成します。
このポリシーを適用すると、電流がわかっている場合には閉ループで安全な動作が保証されますが、現実的な状況では不完全な予測しか利用できません。
私たちは、北東太平洋の高リスク地域を航行する船舶の大規模シミュレーションを用いて、このような現実的な状況におけるアプローチの安全性を実証します。
新しい予測に基づいて毎日再計画を行う閉ループのポリシーを適用すると、最大推進力を超える予測誤差がある場合でも、高い確率で安全性を確保できることがわかりました。
当社の方法は、安全性をベースラインより大幅に向上させながらも、船舶を目的地にタイムリーに到着させることができます。

要約(オリジナル)

Low-propulsion vessels can take advantage of powerful ocean currents to navigate towards a destination. Recent results demonstrated that vessels can reach their destination with high probability despite forecast errors. However, these results do not consider the critical aspect of safety of such vessels: because of their low propulsion which is much smaller than the magnitude of currents, they might end up in currents that inevitably push them into unsafe areas such as shallow areas, garbage patches, and shipping lanes. In this work, we first investigate the risk of stranding for free-floating vessels in the Northeast Pacific. We find that at least 5.04% would strand within 90 days. Next, we encode the unsafe sets as hard constraints into Hamilton-Jacobi Multi-Time Reachability (HJ-MTR) to synthesize a feedback policy that is equivalent to re-planning at each time step at low computational cost. While applying this policy closed-loop guarantees safe operation when the currents are known, in realistic situations only imperfect forecasts are available. We demonstrate the safety of our approach in such realistic situations empirically with large-scale simulations of a vessel navigating in high-risk regions in the Northeast Pacific. We find that applying our policy closed-loop with daily re-planning on new forecasts can ensure safety with high probability even under forecast errors that exceed the maximal propulsion. Our method significantly improves safety over the baselines and still achieves a timely arrival of the vessel at the destination.

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