Prévention des collisions pour les USV : contraintes pratiques, conformité et mise en œuvre dans le monde réel

L’évitement des collisions est essentiel pour que les navires de surface sans équipage puissent opérer en toute sécurité aux côtés des autres navires. Dans la pratique, l’évitement des collisions par les USV relève moins de l’autonomie parfaite que de la gestion de l’incertitude grâce à l’interprétation des COLREGs, à des capteurs imparfaits et à une surveillance humaine responsable. Par conséquent, les systèmes actuels fonctionnent bien dans certaines conditions et limitent délibérément l’autonomie ou confient le contrôle aux opérateurs dans d’autres.

Pourquoi la prévention des collisions avec les USV est plus difficile qu’il n’y paraît

L’évitement des collisions en mer est un défi, même avec un équipage formé sur la passerelle. Les USV suppriment la vigie à bord et remplacent le jugement humain par des capteurs, des logiciels et des opérateurs à distance qui peuvent ne pas avoir les mêmes repères situationnels qu’un marin en temps réel.

Plusieurs facteurs rendent l’évitement des collisions par les USV particulièrement difficile :

1. Les humains déduisent les intentions. Un capitaine peut déduire des indices subtils du mouvement, de l’éclairage, du sillage d’un navire ou de la “sensation” du comportement du trafic local. Les systèmes d’autonomie doivent déduire indirectement l’intention à partir de mesures bruyantes et d’un contexte limité.
2. La perception est probabiliste. Les radars, les caméras, l’AIS et d’autres capteurs fournissent des vues partielles qui doivent être assemblées pour obtenir la meilleure estimation possible de ce qui se passe actuellement et de ce qui pourrait se passer ensuite.
3. Les rencontres maritimes ne sont pas parfaitement scénarisées. Le trafic réel comprend des petites embarcations sans AIS, des cibles intermittentes dans le fouillis, des bateaux de pêche au comportement imprévisible et des navires qui ne respectent pas toujours les règles. Les environnements de trafic mixte peuvent inclure des navires avec équipage, de petits bateaux de plaisance, des bateaux de travail et d’autres plates-formes sans équipage opérant sous différentes contraintes.

En pratique, la prévention des collisions n’est pas une “autonomie résolue”. Dans les déploiements actuels, il s’agit d’une capacité de gestion des risques dont les performances dépendent de l’environnement, de la qualité de la détection, des communications et du niveau de supervision humaine.

Les COLREG et les limites de l’automatisation des USV

Le Règlement international pour prévenir les abordages en mer (COLREG) est souvent traité comme s’il pouvait être codé dans une logique de décision déterministe. En réalité, les COLREG supposent des compétences humaines en matière de navigation, de contexte et de responsabilité. De nombreuses règles combinent des exigences objectives et un jugement subjectif, notamment l’obligation d’agir en “bon marin”, d’avancer à une “vitesse de sécurité” et de prendre “des mesures rapides et substantielles”.

Cela crée une tension fondamentale pour l’évitement des collisions par les USV : l’exécution des règles peut être automatisée, mais l’interprétation des règles dépend du contexte.

Interprétation des règles et exécution des règles

L’exécution des règles est la partie la plus facile à décrire : une fois qu’une décision est prise de changer de cap, de ralentir, de s’arrêter ou de maintenir le cap, un système de contrôle peut commander la propulsion et la direction pour effectuer la manœuvre dans les limites de la plate-forme.

C’est dans l’interprétation des règles que la complexité s’accumule. Il n’est pas toujours facile de déterminer si une rencontre est réellement frontale, croisée ou dépassée à partir des traces brutes des capteurs. La détermination des responsabilités en matière d’attente et d’abandon peut être ambiguë lorsque les navires manœuvrent de manière inattendue, lorsque plusieurs cibles interagissent ou lorsqu’une rencontre évolue rapidement dans des voies navigables restreintes.

C’est pourquoi l’expression “autonomie conforme aux normes COLREG” n’est pas binaire. De nombreux systèmes sont conçus pour se comporter en tenant compte des COLREG, tout en utilisant des contraintes de sécurité et des comportements de repli qui donnent la priorité à la séparation et à la réduction des risques lorsque la confiance de l’interprétation diminue.

Responsabilité, obligation de rendre compte et responsabilité opérationnelle

Les COLREG s’inscrivent dans des cadres juridiques et opérationnels plus larges qui attribuent des responsabilités aux navires et aux opérateurs. Pour les USV, la chaîne de responsabilité comprend généralement l’opérateur, l’organisation chargée de la mission et les approbations ou conditions fixées par les autorités compétentes. Les pratiques actuelles en matière d’essais et d’opérations préliminaires mettent souvent l’accent sur des responsabilités clairement définies et sur le contrôle des risques, y compris les limites d’exploitation et les procédures documentées, plutôt que sur la revendication d’une autonomie universelle. Les orientations provisoires de l’OMI (Organisation maritime internationale) pour les essais de navires autonomes de surface (MASS) sont un exemple du cadre utilisé pour gérer la sécurité, les approbations et les responsabilités pendant les essais.

Comment les USV détectent-ils, interprètent-ils et réagissent-ils au trafic ?

Un système pratique d’évitement des collisions pour les USV est généralement un pipeline perception-planification-contrôle, soutenu par une surveillance de l’état de santé et une couche de supervision qui peut demander une intervention humaine ou déclencher des modes dégradés.

Entrées des capteurs utilisés pour l’évitement des collisions par les USV

La plupart des architectures opérationnelles combinent plusieurs capteurs, car aucun d’entre eux n’est suffisant dans toutes les conditions :

• Le radar permet la détection à longue distance et fonctionne dans l’obscurité et dans de nombreuses conditions météorologiques, mais ses performances peuvent se dégrader en cas d’encombrement de la mer, de fortes pluies ou d’environnements cibles denses.
• L’AIS fournit l’identité, la position, le cap et la vitesse des navires coopératifs, mais il n’est pas universel, peut être retardé et peut contenir des erreurs ou des données périmées. L’AIS est défini par des recommandations techniques internationales et des normes associées pour les équipements embarqués.
• LeGNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BDS) fournit la position et la référence temporelle de l’USV, mais il peut être dégradé par des interférences, des trajets multiples ou des brouillages, et il ne permet pas à lui seul de détecter les obstacles.
• Les caméras peuvent faciliter la classification et l’interprétation de la situation, mais elles sont sensibles à l’éclairage, aux reflets, aux précipitations et à la contamination de l’objectif.
• Le lidar peut être utile pour la détection d’obstacles à courte distance et la géométrie dans certains environnements, mais il est limité par le brouillard, les embruns et la portée par rapport au radar.

En outre, de nombreux USV utilisent des capteurs inertiels, des références de compas ou de cap et des enregistreurs de vitesse pour stabiliser les solutions de navigation et faciliter l’estimation de la trajectoire dans des conditions dégradées.

Fusion de capteurs et pondération de confiance en pratique

La fusion de capteurs permet de combiner les détections et les trajectoires en une image opérationnelle commune. Dans les systèmes pratiques, la fusion ne consiste pas seulement à fusionner des pistes. Il s’agit également d’attribuer la confiance et de gérer les désaccords.

Par exemple, l’AIS et le radar peuvent être en désaccord sur la trajectoire et la vitesse d’une cible en raison du temps de latence de l’AIS, de l’intervalle entre les rapports ou des manœuvres. Une couche de fusion peut accorder plus d’importance au radar pour le risque de collision immédiate tout en continuant à utiliser l’AIS pour les indices d’identité et d’intention. De même, la classification basée sur la caméra peut accroître la confiance dans la présence d’un petit bateau lorsque les échos radar sont intermittents dans le fouillis.

Évaluation du risque de collision et classification des rencontres

L’évaluation des risques de collision utilise généralement des mesures telles que le point d’approche le plus proche et le temps écoulé jusqu’au point d’approche le plus proche, combinées à des limites d’incertitude. La classification des rencontres tente de cartographier la géométrie de la voie dans des catégories pertinentes pour COLREGs telles que le croisement, le face-à-face ou le dépassement.

La difficulté réside dans le fait que ces catégories ne sont pas toujours clairement séparables dans les eaux encombrées. Les interactions entre plusieurs cibles peuvent entraîner un “empilement de règles”, c’est-à-dire que la satisfaction d’une rencontre augmente le risque d’une autre rencontre. C’est pourquoi de nombreux systèmes adoptent des comportements conservateurs, comme ralentir, attendre en dehors des voies de circulation ou demander une intervention humaine.

Planification de la trajectoire et évitement réactif

Les comportements d’évitement des collisions combinent généralement deux approches :

La planification de la trajectoire génère une trajectoire future qui maintient la séparation et répond aux objectifs de la mission. Elle peut intégrer des contraintes statiques telles que des dangers cartographiés, des zones d’exclusion et des schémas de séparation du trafic connus.

L’évitement réactif répond rapidement aux menaces immédiates, en utilisant généralement une logique de contrôle à court horizon qui donne la priorité à la réduction du risque de collision.

Dans les déploiements réels, le planificateur peut proposer des manœuvres tenant compte du COLREG, tandis que la couche réactive applique des marges de sécurité et peut passer outre si une cible se comporte de manière inattendue ou si la confiance des capteurs diminue.

Le rôle de la surveillance humaine dans la prévention des collisions par les USV

L’intervention humaine reste la norme pour la plupart des opérations des USV, en particulier lorsque le trafic est dense ou que les attentes réglementaires sont strictes. Il est utile de distinguer trois modes de fonctionnement courants :

L’évitement télécommandé

Les opérateurs contrôlent directement les manœuvres, en utilisant les données des capteurs embarqués et l’aide à la décision. Cela ressemble au télépilotage traditionnel avec des affichages et des procédures spécifiques à la mer.

Autonomie supervisée

Dans le cadre de l’autonomie supervisée, l’USV effectue des opérations de navigation et d’évitement de routine dans le cadre de paramètres définis, tandis que les opérateurs surveillent et interviennent lorsque des alertes sont déclenchées ou que les conditions d’exploitation changent.

Autonomie basée sur des règles avec contrôle humain

La pile d’autonomie prend les décisions d’évitement, mais la couche de supervision peut demander la confirmation de l’opérateur pour des classes de manœuvres spécifiques ou lorsque la confiance de l’interprétation des COLREGs est faible.

Pourquoi les humains restent dans la boucle

Il existe des raisons techniques et opérationnelles pour lesquelles les humains continuent de participer à l’évitement des collisions :

• Résolution des ambiguïtés : Les humains peuvent appliquer leur jugement de marin dans les cas extrêmes, en particulier lorsque les autres navires se comportent de manière imprévisible.
• Responsabilité : De nombreuses approbations opérationnelles et de nombreux cas de sécurité reposent sur des responsabilités humaines définies et des voies d’escalade.
• Communications et détection dégradées : Les opérateurs peuvent être amenés à limiter les opérations lorsque les liaisons sont instables ou que la perception se dégrade, notamment en mettant l’accent sur des comportements d’arrêt sûrs ou sur le retour à une zone connue.

La surveillance humaine n’est pas seulement une préférence philosophique. Il s’agit d’un contrôle pratique des risques, aligné sur la manière dont la sécurité et la conformité sont démontrées aujourd’hui.

Environnement opérationnel et performances en matière d’évitement des collisions

La prévention des collisions des USV n’a pas un profil de performance unique. Elle se comporte différemment selon l’environnement opérationnel, et les limites les plus réelles deviennent visibles dans les eaux encombrées.

Transits en haute mer

En haute mer, il est souvent possible d’éviter les collisions car les taux de rencontre sont plus faibles, l’espace de manœuvre est ample et les cibles sont généralement des navires plus grands dotés d’un système d’identification automatique et dont les mouvements sont prévisibles. L’autonomie peut donner de bons résultats dans ce domaine, en particulier lorsque les horizons des capteurs sont longs et que l’on a le temps de planifier.

Opérations côtières et près des côtes

Les environnements côtiers présentent davantage de petites embarcations, d’activités de pêche, d’encombrement variable de la mer et de géographie complexe. Les cibles peuvent être intermittentes sur le radar et absentes de l’AIS. Les contraintes de la mission, telles que les lignes de levé, peuvent limiter les options de manœuvre, ce qui nécessite une intégration minutieuse entre l’évitement des collisions et la planification de la mission.

Ports et voies navigables intérieures

C’est à ce niveau que les contraintes liées à l’autonomie se font le plus sentir. Le trafic dense et multidirectionnel, les cultures de conduite locales, les canaux restreints et l’évolution rapide des rencontres posent des problèmes d’interprétation. Les communications peuvent également être dégradées par l’ombre de l’infrastructure. De nombreux programmes d’USV abordent ce problème par le biais de limitations opérationnelles, de concepts d’escorte ou de niveaux plus élevés de supervision à distance dans les approches portuaires.

Ce que signifie aujourd’hui la prévention “sûre” des collisions par les USV

En termes opérationnels, l’évitement des collisions “en toute sécurité” signifie généralement que l’on atteint les objectifs de sécurité par le biais de contrôles stratifiés plutôt que de prétendre à une autonomie universelle.

Les stratégies de sécurité les plus courantes sont les suivantes :

• Des enveloppes opérationnelles définies : restriction des opérations en fonction de l’état de la mer, de la visibilité, de la densité du trafic ou de la géographie.
• Politiques axées sur la séparation : marges conservatrices qui privilégient la distance et les marges de temps par rapport à l’efficacité de la mission.
• Modes dégradés : réduction de la vitesse en toute sécurité, maintien de la position, comportements de retour à la base ou actions d’arrêt en toute sécurité lorsque la confiance des capteurs ou les communications se dégradent.
• Cas de sécurité documentés : arguments structurés étayés par des essais, des procédures et des preuves, souvent alignés sur les attentes des autorités et les orientations en matière d’essais. Les orientations provisoires de l’OMI pour les essais MASS constituent un point de référence pour la structuration des responsabilités et des contrôles de sécurité dans le cadre des essais.

Conformité, certification et acceptation de l’autonomie maritime

En ce qui concerne la prévention des collisions, la conformité est souvent démontrée par une combinaison de preuves techniques et de contrôles opérationnels. Plutôt que de prouver une autonomie totale dans toutes les conditions de trafic, de nombreux programmes démontrent que l’USV peut fonctionner en toute sécurité dans le cadre de contraintes définies, avec des mécanismes de supervision et d’escalade en place.

Les parties prenantes les plus souvent impliquées sont les administrations du pavillon, les autorités côtières et portuaires et les organismes de classification. La maturité du dossier de sécurité, la qualité des preuves d’essai et le réalisme des procédures d’exploitation sont souvent aussi importants que les algorithmes d’autonomie eux-mêmes. Les travaux en cours de l’OMI sur les instruments et les codes MASS visent à fournir une base réglementaire plus structurée au fil du temps, tandis que la pratique actuelle continue de s’appuyer sur des cadres d’essai et des limites définies.

Normes et interfaces pertinentes concernant la prévention des collisions

La prévention des collisions s’appuie sur de multiples écosystèmes de normes, notamment la navigation maritime, l’assurance logicielle et l’interopérabilité entre les secteurs de la défense et de l’armement. L’ensemble exact dépend de la classe de plate-forme et de la mission, mais les points de contact communs sont les suivants :

• les COLREG (règles internationales de prévention des collisions et responsabilités en matière de rencontre)
• les recommandations techniques et les normes de performance AIS utilisées pour la connaissance du trafic coopératif, telles que les normes UIT-R et CEI pour les caractéristiques AIS et les exigences en matière d’équipement
• Normes d’interface maritime utilisées pour intégrer les capteurs de navigation et les systèmes des navires, souvent basées sur la famille IEC 61162 pour les interfaces de données maritimes.
• les orientations en matière d’essais et d’exploitation des navires de surface autonomes, y compris les orientations provisoires de l’OMI en matière d’essais

Dans les opérations de défense adjacente ou gouvernementales, des exigences supplémentaires peuvent s’appliquer au commandement et au contrôle sécurisés, à la résilience et à l’interopérabilité, y compris les normes militaires pertinentes et les pratiques alignées sur le STANAG lorsqu’elles s’appliquent à l’ensemble de la mission.

L’autonomie pratique, pas l’autonomie parfaite

Aujourd’hui, la prévention des collisions des USV se conçoit le mieux comme un système technique de systèmes : capteurs et fusion, logique décisionnelle tenant compte des COLREG, contraintes de sécurité prudentes et surveillance humaine, le tout étant lié par un dossier de sécurité et des procédures opérationnelles. En eaux libres, l’autonomie peut être très efficace. Dans les zones encombrées, les performances dépendent de la qualité de la détection, de la confiance dans l’interprétation et de la capacité à faire appel à des décideurs humains ou à limiter la mission. Les opérations les plus crédibles des USV reconnaissent d’emblée ces limites et conçoivent la résilience, la responsabilité et un comportement sûr dans l’incertitude, car c’est de cela que dépend l’acceptation dans le monde réel.