Autonomous systems are becoming ubiquitous and gaining momentum within the marine sector. Since the electrification of transport is happening simultaneously, autonomous marine vessels can reduce environmental impact, lower costs, and increase efficiency. Although close monitoring is still required to ensure safety, the ultimate goal is full autonomy. One major milestone is to develop a control system that is versatile enough to handle any weather and encounter that is also robust and reliable. Additionally, the control system must adhere to the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs) for successful interaction with human sailors. Since the COLREGs were written for the human mind to interpret, they are written in ambiguous prose and therefore not machine-readable or verifiable. Due to these challenges and the wide variety of situations to be tackled, classical model-based approaches prove complicated to implement and computationally heavy. Within machine learning (ML), deep reinforcement learning (DRL) has shown great potential for a wide range of applications. The model-free and self-learning properties of DRL make it a promising candidate for autonomous vessels. In this work, a subset of the COLREGs is incorporated into a DRL-based path following and obstacle avoidance system using collision risk theory. The resulting autonomous agent dynamically interpolates between path following and COLREG-compliant collision avoidance in the training scenario, isolated encounter situations, and AIS-based simulations of real-world scenarios.


翻译:由于运输的电气化正在同时发生,自主的海洋船只可以减少环境影响、降低成本和提高效率。虽然还需要密切监测,以确保安全,但最终目标是完全自主。一个重大里程碑是开发一个控制系统,这个系统应具有足够的多功能性,足以处理任何天气和遭遇,这种天气和遭遇也是稳健和可靠的。此外,控制系统必须遵守《国际海上防止碰撞条例》(《海上碰撞条例》),以便与人类水手成功互动。由于COLEG是写给人类的心智来解释的,因此,它们是以模糊易读或可核查的方式写成的。由于这些挑战和需要处理的各种情况,传统的模型方法证明很难执行和计算得重。在机器学习(ML)中,深度强化学习(DRL)为广泛的应用展示了巨大的潜力。DRL的无模式和自学特性使它成为自主船只的有前途的候选对象。在这项工作中,COLEG的一组CEG被融入到一个孤立的、具有动态和动态风险的轨道。

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深度强化学习 (DRL) 是一种使用深度学习技术扩展传统强化学习方法的一种机器学习方法。 传统强化学习方法的主要任务是使得主体根据从环境中获得的奖赏能够学习到最大化奖赏的行为。然而,传统无模型强化学习方法需要使用函数逼近技术使得主体能够学习出值函数或者策略。在这种情况下,深度学习强大的函数逼近能力自然成为了替代人工指定特征的最好手段并为性能更好的端到端学习的实现提供了可能。
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