<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">gumrf</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">2309-5180</issn><issn pub-type="epub">2500-0551</issn><publisher><publisher-name>ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.21821/2309-5180-2024-16-2-251-258</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">gumrf-443</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>Эксплуатация водного транспорта, водные пути сообщения и гидрография</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>OPERATION OF WATER TRANSPORT, WATERWAYS AND HYDROGRAPHY</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Анализ эффективности применения нейронной сети в прогнозировании маневров расхождения двух судов</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Analysis of the neural network application effectiveness in predicting collision avoidance maneuvers for two vessels</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Триполец</surname><given-names>О. Ю.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Tripolets</surname><given-names>O. Yu.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Триполец Олег Юрьевич — аспирант,</p><p>198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7.</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Tripolets, Oleg Y. — Postgraduate Student,</p><p>5/7, Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035.</p></bio><email xlink:type="simple">tripolets.97@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2024</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>22</day><month>05</month><year>2024</year></pub-date><volume>16</volume><issue>2</issue><fpage>251</fpage><lpage>258</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Триполец О.Ю., 2024</copyright-statement><copyright-year>2024</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Триполец О.Ю.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Tripolets O.Y.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/443">https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/443</self-uri><abstract><p>В данной статье проанализирована эффективность использования нейронной сети для определения маневров расхождения двух судов. Дано краткое описание алгоритма и скрипта MATLAB, позволяющего находить изменения курсов для предотвращения столкновений пар судов. Описывается процесс создания обучающей выборки с помощью ранее разработанного скрипта, включающий предварительную обработку данных для устранения нереалистичных сценариев сближения пар судов, а также ситуаций, в которых отсутствует опасность столкновения. Обучение нейронных сетей выполнялось с помощью алгоритмов оптимизации Левенберга – Марквардта и Adam. В ходе исследования было обучено одиннадцать нейронных сетей с различными параметрами, из которых выбрана сеть, позволяющая прогнозировать изменения курсов для расхождения на безопасной дистанции для пар судов с точностью 94,8 % (точность прогнозов нейронной сети в данном исследовании определена как количество пар изначально опасно сближающихся судов, дистанция кратчайшего сближения которых после обработки нейронной сетью находилась в пределах 0,8–1,2 мили, поделенной на общее количество пар судов). В исследовании выполнено сравнение времени, затраченного на вычисление маневров расхождения с использованием алгоритма и нейронной сети. Исследование показало, что при увеличении количества опасно сближающихся судов до четырех и выше нейронная сеть затрачивает на прогнозирование маневра расхождения в пять раз меньше времени, чем алгоритм. С увеличением числа опасно сближающихся судов разрыв во времени обработки данных между нейронной сетью и алгоритмом увеличивается, что подтверждает целесообразность применения нейронных сетей в обработке больших массивов данных с парами опасно сближающихся судов. В дальнейших исследованиях планируется создать алгоритм для решения задачи безопасного расхождения группы судов, осуществляемого на основе попарного анализа опасности столкновений.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The effectiveness of using neural networks to determine collision avoidance maneuvers between two vessels is analyzed in the paper. A brief description of the algorithm and MATLAB script that facilitates finding course alterations to prevent collisions between pairs of vessels is provided. The process of creating training data using a previously developed script, including the preliminary data processing to eliminate unrealistic scenarios of vessel approach, as well as situations where there is no risk of collision, is described. The neural networks are trained using Levenberg-Marquardt and Adam algorithms. Throughout the study, 11 neural networks with various parameters are trained. The one that allows predicting course changes for safe distance avoidance for pairs of vessels with an accuracy of 94.8 % is selected. The accuracy of the neural networks predictions in this study is defined as the number of initially dangerously approaching vessel pairs whose closest point of approach after being processed by the neural network is within 0.8 to 1.2 miles, divided by the total number of vessel pairs. The time spent on calculating avoidance maneuvers using the algorithm and the neural network is compared. It is shown that as the number of dangerously approaching vessels increases to four or more, the neural network takes five times less time to predict an avoidance maneuver than the algorithm. With an increasing number of dangerously approaching vessels, the gap in data processing time between the neural network and the algorithm widens, which confirms the appropriateness of using neural networks in processing large data sets with pairs of dangerously approaching vessels. Future research is aimed at developing an algorithm to address the challenge of calculating safe collision avoidance maneuvers for groups of vessels through pairwise analysis of collision risks.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>предотвращение столкновений</kwd><kwd>дистанция кратчайшего сближения</kwd><kwd>нейронные сети</kwd><kwd>MATLAB</kwd><kwd>СУДС</kwd><kwd>морские перевозки</kwd><kwd>беспилотные системы</kwd><kwd>морские перевозки</kwd><kwd>беспилотные системы</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>collision avoidance</kwd><kwd>closest point of approach</kwd><kwd>CPA</kwd><kwd>neural networks</kwd><kwd>MATLAB</kwd><kwd>VTS</kwd><kwd>unmanned systems</kwd><kwd>maritime transportation</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Huang Y. Ship collision avoidance methods: State-of-the-art / Y. Huang, L. Chen, P. Chen, R. R. Negenborn, P. H. A. J. M. Van Gelder // Safety science. — 2020. — Vol. 121. — Pp. 451–473. DOI: 10.1016/j.ssci.2019.09.018.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Huang, Yamin, Linying Chen, Pengfei Chen, Rudy R. Negenborn, and P.H.A.J.M. van Gelder. “Ship collision avoidance methods: State-of-the-art.” Safety science 121 (2020): 451–473. DOI: 10.1016/j.ssci.2019.09.018.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Триполец О. Ю. Обзор существующих методов расхождения безэкипажных судов / О. Ю. Триполец // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 4. — С. 480–495. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-4-480-495.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tripolets, Oleg Y. “Overview of existing methods of autonomous vessels collision avoidance.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 13.4 (2021): 480–495. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-4-480-495.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Головинов А. О. Преимущества нейронных сетей перед традиционными алгоритмами / А. О. Головинов, Е. Н. Климова // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. статей по материалам V Междунар. науч.-практ. конф. — Новосибирск: Ассоциация научных сотрудников «Сибирская академическая книга», 2017. — С. 11–15.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Golovinov, A., and E. Klimova. “Advantages of neural networks before traditional algorithms.” Eksperimental’nye i teoreticheskie issledovaniya v sovremennoi nauke. Novosibirsk: Assotsiatsiya nauchnykh sotrudnikov «Sibirskaya akademicheskaya kniga», 2017. 11–15.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кононова Н. В. Преимущества нейронных сетей / Н. В. Кононова, Т. И. Авдеева, П. Е. Обласов, И. В. Григорьева // Актуальные проблемы информатизации образования: опыт, проблемы, перспективы развития. Сборник материалов международной научно-практической конференции. — Черкесск: Библиотечно-издательский центр Северо-Кавказской государственной академии, 2020. — С. 91–93.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kononova, N. V., T. I. Avdeeva, P. E. Oblasov, and I. V. Grigorieva. “Аdvantages of neural networks.” Aktual’nye problemy informatizatsii obrazovaniya: opyt, problemy, perspektivy razvitiya. Cherkessk: Bibliotechnoizdatel’skii tsentr Severo-Kavkazskoi gosudarstvennoi akademii, 2020. 91–93.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ahn J. H. A study on the collision avoidance of a ship using neural networks and fuzzy logic / J. H. Ahn, K. P. Rhee, Y. J. You // Applied Ocean Research. — 2012. — Vol. 37. — Pp. 162–173. DOI: 10.1016/j.apor.2012.05.008.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ahn, Jin-Hyeong, Key-Pyo Rhee, and Young-Jun You. “A study on the collision avoidance of a ship using neural networks and fuzzy logic.” Applied Ocean Research 37 (2012): 162–173. DOI: 10.1016/j.apor.2012.05.008</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Бурмака И. А. Управление группой судов в ситуации опасного сближения / И. А. Бурмака, А. Ю. Булгаков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 6 (28). — С. 1–13.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Burmaka, I. A., and A. Yu. Bulgakov. “Management of the group of vessel in the situation of dangerous approach.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 6(28) (2014): 1–13.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Бурмака И. А. Управление парой судов в ситуации опасного сближения / И. А. Бурмака, Г. Е. Калиниченко, М. А. Кулаков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2016. — № 3 (37). — С. 64–70. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-7-3-64-70.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Burmaka, I. A., G. E. Kalinichenko, and M. A. Kulakov. “Management by pair of vessels in situation of dangerous rapprochement.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 3(37) (2016): 64–70. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-7-3-64-70.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Триполец О. Ю. Расчет маневра расхождения двух безэкипажных судов путем минимизации функции стоимости в компьютерной среде MATLAB / О. Ю. Триполец // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 5. — С. 876–884. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-5-876-884.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tripolets, Oleg Y. “Calculating a collision avoidance maneuver for two unmanned ships by minimizing a cost function in MATLAB.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 15.5 (2023): 876–884. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-5-876-884.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Mhaskar H. When and why are deep networks better than shallow ones? / H. Mhaskar, Q. Liao, T. Poggio // Proceedings of the AAAI conference on artificial intelligence. — 2017. — Vol. 31. — No. 1. DOI: 10.1609/aaai.v31i1.10913.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Mhaskar, Hrushikesh, Qianli Liao, and Tomaso Poggio. “When and why are deep networks better than shallow ones?” Proceedings of the AAAI conference on artificial intelligence. Vol. 31. No. 1. 2017. DOI: 10.1609/aaai.v31i1.10913.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Liang S. Why deep neural networks for function approximation? / S. Liang, R. Srikant // 5th International Conference on Learning Representations (ICLR). — 2016. DOI: 10.48550/arXiv.1610.04161.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Liang, Shiyu, and Rayadurgam Srikant. “Why deep neural networks for function approximation?” 5th International Conference on Learning Representations (ICLR). 2016. DOI: 10.48550/arXiv.1610.04161.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
