Sim2Sea: 시뮬레이션-실제 정책 전이 기술을 활용한 혼잡 해역에서의 선박 항해

Sim2Sea: Sim-to-Real Policy Transfer for Maritime Vessel Navigation in Congested Waters

혼잡한 해양 환경에서의 자율 항해는 다양한 실제 응용 분야에서 중요한 기능입니다. 그러나 복잡한 선박 간 상호 작용과 상당한 환경 불확실성으로 인해 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있습니다. 기존 방법은 종종 부정확한 시뮬레이션, 부족한 상황 인지 능력 및 안전하지 않은 탐색 전략으로 인해 발생하는 상당한 시뮬레이션-실제 격차로 인해 실제 적용에 실패합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 시뮬레이션과 실제 환경 간의 격차를 줄이기 위한 포괄적인 프레임워크인 **Sim2Sea**를 제안합니다. Sim2Sea는 다음 세 가지 주요 측면에서 발전합니다. 첫째, 확장 가능하고 정확한 해양 시나리오 시뮬레이션을 위한 GPU 가속 병렬 시뮬레이터를 개발했습니다. 둘째, 복잡한 동역학과 다중 모드 인식을 처리할 수 있는 이중 스트림 시공간 정책을 설계했으며, 안전하고 효율적인 탐색을 보장하기 위해 속도-장애물 기반 액션 마스킹 메커니즘을 적용했습니다. 마지막으로, 목표 도메인 랜덤화 방식을 사용하여 시뮬레이션-실제 격차를 줄이는 데 도움을 줍니다. 시뮬레이션 결과는 제안하는 방법이 기존의 방법보다 더 빠른 수렴 속도와 더 안전한 경로를 달성함을 보여줍니다. 또한, 순수하게 시뮬레이션 환경에서 훈련된 정책이 17톤의 무인 선박에 적용되어 실제 혼잡 해역에서 성공적으로 작동하는 것을 확인했습니다. 이러한 결과는 Sim2Sea가 실제 자율 해양 항해를 위한 신뢰할 수 있는 시뮬레이션-실제 전이 기술을 구현하는 데 효과적임을 입증합니다.

Autonomous navigation in congested maritime environments is a critical capability for a wide range of real-world applications. However, it remains an unresolved challenge due to complex vessel interactions and significant environmental uncertainties. Existing methods often fail in practical deployment due to a substantial sim-to-real gap, which stems from imprecise simulation, inadequate situational awareness, and unsafe exploration strategies. To address these, we propose \textbf{Sim2Sea}, a comprehensive framework designed to bridge simulation and real-world execution. Sim2Sea advances in three key aspects. First, we develop a GPU-accelerated parallel simulator for scalable and accurate maritime scenario simulation. Second, we design a dual-stream spatiotemporal policy that handles complex dynamics and multi-modal perception, augmented with a velocity-obstacle-guided action masking mechanism to ensure safe and efficient exploration. Finally, a targeted domain randomization scheme helps bridge the sim-to-real gap. Simulation results demonstrate that our method achieves faster convergence and safer trajectories than established baselines. In addition, our policy trained purely in simulation successfully transfers zero-shot to a 17-ton unmanned vessel operating in real-world congested waters. These results validate the effectiveness of Sim2Sea in achieving reliable sim-to-real transfer for practical autonomous maritime navigation.