Framework of an Evolutionary Multi-Objective Optimisation Method for Planning a Safe Trajectory for a Marine Autonomous Surface Ship
Abstrakt
This paper represents the first stage of research into a multi-objective method of planning safe trajectories for marine autonomous surface ships (MASSs) involved in encounter situations. Our method applies an evolutionary multi-objective optimisation (EMO) approach to pursue three objectives: minimisation of the risk of collision, minimisation of fuel consumption due to collision avoidance manoeuvres, and minimisation of the extra time spent on collision avoidance manoeuvres. Until now, a fully multi-objective optimisation has not been applied to the real-time problem of planning safe trajectories; instead, this optimisation problem has usually been reduced to a single aggregated cost function covering all objectives. The aim is to develop a method of planning safe trajectories for MASSs that is able to simultaneously pursue the three abovementioned objectives, make decisions in real time and without interaction with a human operator, handle basic types of encounters (in open or restricted waters, and in good or restricted visibility) and guarantee compliance with the International Regulations for Preventing Collisions at Sea. It should also be mentioned that optimisation of the system based on each criterion may occur at the cost of the others, so a reasonable balance is applied here by means of a configurable trade-off. This is done throughout the EMO process by means of modified Pareto dominance rules and by using a multi-criteria decision-making phase to filter the output Pareto set and choose the final solution.
Cytowania
-
2 0
CrossRef
-
0
Web of Science
-
2 2
Scopus
Autorzy (2)
Cytuj jako
Pełna treść
- Wersja publikacji
- Accepted albo Published Version
- Licencja
- otwiera się w nowej karcie
Słowa kluczowe
Informacje szczegółowe
- Kategoria:
- Publikacja w czasopiśmie
- Typ:
- artykuły w czasopismach
- Opublikowano w:
-
Polish Maritime Research
nr 26,
strony 69 - 80,
ISSN: 1233-2585 - Język:
- angielski
- Rok wydania:
- 2019
- Opis bibliograficzny:
- Szłapczyński R., Ghaemi M.: Framework of an Evolutionary Multi-Objective Optimisation Method for Planning a Safe Trajectory for a Marine Autonomous Surface Ship// Polish Maritime Research -Vol. 26,iss. 4(104) (2019), s.69-80
- DOI:
- Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.2478/pomr-2019-0068
- Bibliografia: test
-
- Bechikh, S., M. Kessentini, L. Ben Said, K. Ghédira: Preference Incorporation in Evolutionary Multiobjective Optimization: A Survey of the State-of-the-Art, Adv. Comput. 98 (2015) 141-207. otwiera się w nowej karcie
- Bertaska, I.R., B. Shah, K. Von Ellenrieder, P. Švec, W. Klinger, A.J. Sinisterra, M. Dhanak, S.K. Gupta: Experimental evaluation of automatically-generated behaviors for USV operations, Ocean Eng. 106 (2015) 496-514. otwiera się w nowej karcie
- Branke, J., T. Kaußler, H. Schmeck: Guidance in evolutionary multi-objective optimization, Adv. Eng. Softw. 32 (2001) 499-507. otwiera się w nowej karcie
- Burmeister, H.-C., W. Bruhn, Ø.J. Rødseth, T. Porathe: Autonomous Unmanned Merchant Vessel and its Contribution towards the e-Navigation Implementation: The MUNIN Perspective, Int. J. e-Navigation Marit. Econ. 1 (2014) 1-13. otwiera się w nowej karcie
- Campbell, S., W. Naeem, G.W. Irwin: A review on improving the autonomy of unmanned surface vehicles through intelligent collision avoidance manoeuvres, Annu. Rev. Control. 36 (2012) 267-283. otwiera się w nowej karcie
- Chroni, Dionysia & Liu, Shukui & Plessas, Timoleon & Papanikolaou, Apostolos. (2015). Simulation of the maneuvering behavior of ships under the influence of environmental forces. (2015) 111-120. DOI: 10.1201/b18855-16. otwiera się w nowej karcie
- Cockcroft, A.N., Lameijer J.N.F.: A guide to the collision avoidance rules: international regulations for preventing collisions at sea, Elsevier, 2012. otwiera się w nowej karcie
- Fossen, T.I.: Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK, 2011. otwiera się w nowej karcie
- Hermann, D., R. Galeazzi, J.C. Andersen, M. Blanke: Smart sensor based obstacle detection for high-speed unmanned surface vehicle, IFAC-PapersOnLine. 28 (2015) 190-197. otwiera się w nowej karcie
- IMO: Resolution MSC.252(83) Adoption of the Revised Performance Standards for Integrated Navigation Systems (INS), Imo -Msc. 252 (2007) 1-49. otwiera się w nowej karcie
- ITTC: Final Report and Recommendations to the 24th ITTC. 24th International Towing Tank Conference, 2005. otwiera się w nowej karcie
- Jakob, W., C. Blume: Pareto optimization or cascaded weighted sum: A comparison of concepts, Algorithms. 7 (2014) 166-185. otwiera się w nowej karcie
- Jingsong, Z., W. Price: Automatic collision avoidance systems: Towards 21st century, in: Dep. Sh. Sci., 2008: pp. 1-10.
- Kazimierski, W., A. Stateczny: Radar and Automatic Identification System Track Fusion in an Electronic Chart Display and Information System, J. Navig. 68 (2015) 1141-1154. otwiera się w nowej karcie
- Kazimierski, W., G. Zaniewicz, A. Stateczny: Verification of multiple model neural tracking filter with ship's radar, in: 2012 13th Int. Radar Symp., IEEE, 2012: pp. 549-553. otwiera się w nowej karcie
- Krata, P., J. Szlapczynska: Ship weather routing optimization with dynamic constraints based on reliable synchronous roll prediction, Ocean Eng. 150 (2018) 124-137. otwiera się w nowej karcie
- Lazarowska, A.: A new deterministic approach in a decision support system for ship's trajectory planning, Expert Systems with Applications, Volume 71, 2017, Pages 469-478, ISSN 0957-4174 otwiera się w nowej karcie
- Lee, H.-Y., S.-S. Shin: The Prediction of ship's manoeuvring performance In initial design stage, PRADS Pr. Deisgn Ships Mob. Units. (1998) 666-639. otwiera się w nowej karcie
- Li, K., K. Deb, X. Yao: R-Metric: Evaluating the Performance of Preference-Based Evolutionary Multi-Objective Optimization Using Reference Points, IEEE Trans. Evol. Comput. 22 (2017) 821-835. otwiera się w nowej karcie
- Li, W., W. Ma: SIMULATION ON VESSEL INTELLIGENT COLLISION AVOIDANCE, Polish Marit. Res. 23 (2016) 138-143. otwiera się w nowej karcie
- Lisowski, J.: Optimization-Supported Decision-Making in the Marine Game Environment, in: Mechatron. Syst. Mech. Mater. II, Trans Tech Publications, 2014: pp. 215-222. otwiera się w nowej karcie
- Lisowski, J.: Analysis of Methods of Determining the Safe Ship Trajectory, TransNav, Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 10 (2016) 223-228. otwiera się w nowej karcie
- Man, Y., M. Lundh, T. Porathe, S. MacKinnon: From Desk to Field -Human Factor Issues in Remote Monitoring and Controlling of Autonomous Unmanned Vessels, Procedia Manuf. 3 (2015) 2674-2681. otwiera się w nowej karcie
- Naeem, W., S.C. Henrique, L. Hu: A Reactive COLREGs- Compliant Navigation Strategy for Autonomous Maritime Navigation, IFAC-PapersOnLine. 49 (2016) 207-213. otwiera się w nowej karcie
- Olszewski, H., H. Ghaemi: New concept of numerical ship motion modelling for total ship operability analysis by integrating ship and Environment Under One Overall System, Polish Marit. Res. 25 (2018) 36-41. otwiera się w nowej karcie
- Papanikolaou, A., N. Fournarakis, D. Chroni, S. Liu: Simulation of the Maneuvering Behavior of Ships in Adverse Weather Conditions, 212 (2016) 11-16.
- Perera, L.P., J.P. Carvalho, C.. Guedes Soares: Autonomous guidance and navigation based on the COLREGs rules and regulations of collision avoidance, Adv. Sh. Des. Pollut. Prev. (2010) 205-216. otwiera się w nowej karcie
- Perera, L.P., L. Moreira, F.P. Santos, V. Ferrari, S. Sutulo, C. Guedes Soares: A navigation and control platform for real- time manoeuvring of autonomous ship models, IFAC, 2012. otwiera się w nowej karcie
- Perera, L.P., C.G. Soares: Weather routing and safe ship handling in the future of shipping, Ocean Eng. 130 (2017) 684-695. otwiera się w nowej karcie
- Polvara, R., S. Sharma, J. Wan, A. Manning, R. Sutton: Obstacle Avoidance Approaches for Autonomous Navigation of Unmanned Surface Vehicles, J. Navig. (2017) 1-16. otwiera się w nowej karcie
- Praczyk, T.: Neural anti-collision system for Autonomous Surface Vehicle, Neurocomputing. 149 (2015) 559-572. otwiera się w nowej karcie
- Stateczny, A.: Neural Manoeuvre Detection of the Tracked Target in ARPA Systems, IFAC Proc. Vol. 34 (2001) 209-214. otwiera się w nowej karcie
- Szłapczynska, J.: Multi-objective Weather Routing with Customised Criteria and Constraints, J. Navig. 68 (2015) 338-354. otwiera się w nowej karcie
- Szlapczynski, R.: A new method of planning collision avoidance manoeuvres for multi-target encounter situations, J. Navig. 61 (2008) 307-321. otwiera się w nowej karcie
- Szlapczynski, R.: Evolutionary planning of safe ship tracks in restricted visibility, J. Navig. 68 (2015) 39-51. otwiera się w nowej karcie
- Szlapczynski, R., J. Szlapczynska: A Simulative Comparison of Ship Domains and Their Polygonal Approximations, TransNav, Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 9 (2015) 135-141. otwiera się w nowej karcie
- Szlapczynski, R., J. Szlapczynska: A Target Information Display for Visualising Collision Avoidance Manoeuvres in Various Visibility Conditions, J. Navig. 68 (2015) 1041-1055. Brought to you by | Gdansk University of Technology otwiera się w nowej karcie
- Szlapczynski, R., J. Szlapczynska: A method of determining and visualizing safe motion parameters of a ship navigating in restricted waters, Ocean Eng. 129 (2017) 363-373. otwiera się w nowej karcie
- Tsou, M.C.: Integration of a geographic information system and evolutionary computation for automatic routing in coastal navigation, J. Navig. 63 (2010) 323-341. otwiera się w nowej karcie
- Tsou, M.C.: Multi-target collision avoidance route planning under an ECDIS framework, Ocean Eng. 121 (2016) 268-278. otwiera się w nowej karcie
- Utyuzhnikov, S. V., P. Fantini, M.D. Guenov: A method for generating a well-distributed Pareto set in nonlinear multiobjective optimization, J. Comput. Appl. Math. 223 (2009) 820-841. otwiera się w nowej karcie
- Woerner, K., M.R. Benjamin, M. Novitzky, J.J. Leonard: Quantifying protocol evaluation for autonomous collision avoidance: Toward establishing COLREGS compliance metrics, Auton. Robots. (2018) 1-25. otwiera się w nowej karcie
- Wrobel, K., P. Krata, J. Montewka, T. Hinz: Towards the Development of a Risk Model for Unmanned Vessels Design and Operations, Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 10 (2016) 267-274. otwiera się w nowej karcie
- Wróbel, K., J. Montewka, P. Kujala: Towards the assessment of potential impact of unmanned vessels on maritime transportation safety, Reliab. Eng. Syst. Saf. 165 (2017) 155-169. otwiera się w nowej karcie
- Zeraatgar, H., M.H. Ghaemi: The Analysis of Overall Ship Fuel Consumption in Acceleration Manoeuvre Using Hull- Propeller-Engine Interaction Principles and Governor Features, Polish Marit. Res. 26 (2019) 162-173. otwiera się w nowej karcie
- Zhang, Z., C. Lee: Multiobjective Approaches for the Ship Stowage Planning Problem Considering Ship Stability and Container Rehandles, IEEE Trans. Syst. Man, Cybern. Syst. 46 (2016) 1374-1389. otwiera się w nowej karcie
- Zhao-Lin, W.: Quantification of Action to Avoid Collision, J. Navig. 37 (1984) 420-430. otwiera się w nowej karcie
- Zhou, K., J. Chen, X. Liu: Optimal Collision-Avoidance Manoeuvres to Minimise Bunker Consumption under the Two-Ship Crossing Situation, J. Navig. (2019) 151-168. otwiera się w nowej karcie
- Zitzler, E., M. Laumanns, L. Thiele: {SPEA2}: Improving the {S}trength {P}areto {E}volutionary {A}lgorithm, EUROGEN 2001. Evol. Methods Des. Optim. Control with Appl. to Ind. Probl. (2002) 95-100.
- Weryfikacja:
- Politechnika Gdańska
wyświetlono 144 razy