船舶避碰智能决策自动化研究

1、船舶避碰智能决策自动化研究.txt这世界上除了我谁都没资格陪在你身边。听着，我允许你喜欢我。除了白头偕老，我们没别的路可选了什么时候想嫁人了就告诉我，我娶你。 本文由stwyvern贡献doc文档町能在wap端浏览体验不佳。建议您优先选择txt,或下载源文件到本机杏看。收稿口期2005-09-28 基金项目福建省自然科学基金资助项目（a0410023）作者简 介李丽娜（1962-）,女，教授，从事航海白动化技术研究.文章编号 1007-7405（2006）02-0188-05 综 述船舶避碰智能决策向动化研究 李丽娜，杨神化，曹宝 根,李子富（集美大学航海学院，福建厦门361021）摘要简要论

2、述了实现船舶自动避碰的 意义、口动避碰的基本过程及其研究内容，重点分析了国内外船舶避碰御能决策自动化的 研究现状和动向、存在的主要问题与对策，指出了船舶避碰押 能决策口动化尚待研究的课题. 关键词船舶避碰；智能决策;碰撞危险度；模糊数学;专家系统；神经网络中图分类号u 66612+4 文献标识码a0引言随着航运业的发展，船舶止朝着大型化、专业化、快速化 方向发展，海上交通环境因此口趋复杂，船舶航行密度越来越人,航道与港口水域变得相对狭 窄，使得船舶操纵问题越来越突出，船舶碰扌竜、搁浅触礁事故时有发生.据统计，每年失事的 船舶约200艘，总吨位数为120万,t占壯界船队的04%左右，这相当于每1

3、5 d失事 艘5万t级的船舶.事实说明，在船舶避碰辅助设备十分普及的今无船舶碰撞、搁浅和 触備事故仍屡屡发生.这些事故的发生，不仅造成了重大的人员伤 亡巨额财产损失，而口对 海洋坏境构成严重的威胁.在碰撞的事故原因调查中，有80%以上是由于 人为因索造成的. 解决人为因索问题町以通过两个途径:一是加强船员的技术培训及管理,提高船员的索 质及 责任感;二是捉高船舶的口动化程度，逐步实现航海口动化.rtr丁航海是一种艰苫的职业，其 特殊的工作条件和环境，使得船员的流动性较大.随着经济的发展，船员不可能长期从事航海 这个职业已成事实，这样必然导致船员海龄不高、驾驶员经验不足以及技术不娴熟等问题. 综

4、上分析，随着科学技术的迅猛发展，从技术上提高船舶的白动化程度，在决策和操作上减 少人的参与,减轻驾 驶员的负担，逐步实现船舶避碰的口动化,这才是解决人为因素问题的 根木办法.因此，船舶避碰自动化的研究对船舶安全很有实际意义，“1996年国际海上避碰 会议”就曾提出，船舶口动避碰是今后10年 乃至20年航海技术的主攻方向.1船舶自动 避碰的基本过程为了区别船舶间的碰撞和船舶搁浅触礁问题，以往人们通常把避免船舶间碰 撞的系统称为避碰系统，把避免搁浅触礁的系统称为避礁系统.实际上避碰和避礁是不可分割的统一体， 两个问题必须兼顾才能确保船舶的安全航行，因此这里所指的船舶避碰的含义是避免船舶 碰撞和搁浅

5、触備二重意思.第2期李丽娜等:船舶避碰智能决策自动化研究船舶|'|动避碰 的基本过程如图1所示.严格來讲，船舶自动避碰包括水上与水下物标信息源的自动采集 与处理、避碰信息的处理、危险判断与最佳决策的自动 生成（即避碰智能决策的自动化过程）、 决策的自动实施以及自动通报木船的操船意图等智能自动舵叮和主机自动控制系 统可以 解决避碰决策的口动实沌问题;关丁口动通报本船操船 意图问题因原有通信设备viif的局 限性尚未解决，新兴的船舶自动识别系统ais （automatic identification system）有可能 解决这个问题.2国内外研究现状及其新动向21关于避碰信息的量化处理

6、 关于避碰信 息的量化处理包括目标船运动要素和安全判据 的量化、船舶碰撞危险度的评价方法，如运用 模糊数学和神经网络方法建立船船碰撞危险度、船舶碰撞空间危险度和时间危险度的模型. 文献2将基于口适应神经网络的模糊推理用于评价船舶碰撞危险度.结果表明，基于神经网 络的模糊推理系统既能利用模糊数学的模糊语言来表达人的语言，又能利用神经网络的自学 习功能，学习已有的经验，是一种较好的学习方法文献3基于“领域”概念和模糊原理，建 立起一个用 于确定船舶间碰撞危险度的数学模型.这些研究结果显示了模糊数学、神经网络 在船舶碰撞 危险度的评价方血得到有效应用.文献4以国际海上避碰规则（以下简称规则）为依据，

7、以船长专家对规则的解釋和驾驶员的实践经验为基础,应用运动学原 理及平面解析儿何的知识，皐于雷达和a1s提供的信息，导出安全会遇距离的数学模型，以 此为基础又导宙紧迫局面距离和最晚就舵时机的量化模 型.最 晚施舵时机不仅反映了h标 与本船可能发生碰撞的危险性和紧迫性，而且隐含着本船对危险目标所采取的避让措施的 难易稈度，文献5船舶避碰智能决策的自动生成止是用它來衡量多船情况下危险目标的危 险度大小，决定避止参考目标.22关于避碰智能决策的自动生成与优化221模糊数学 方法 文献研究的“船舶避碰的模糊决策”，利用模糊数学结合实际调查提出了一种避碰决 策方 法，同吋给出了在船舶交叉相遇局而中止路船的

8、让路吋机和转向幅度这一-方法对于进 行避碰研究，帮助海员进行避碰决策,避免船舶碰撞有一定意义.222神经网络方法文献7采用神经网络的方法来处理电子海图系统中船舶口动避碰,利用电子海图技术在 模拟 海上坏境的基础上,考虑船舶操纵特性及其海况影响,提出一种解决自动避碰的新方法. 但在研究过程中发现，用单一网络模型不能处理所有的船舶会遇状态，而是将船舶会遇状态 确定为分级网 络，不同的会遇状态对应着不同的神经网络,构成组合神经网络群神经网络 的网络结构、网络的权值及其参量设计，以及怎样确立组合神经网络屮各个子网络之间的相 互关系这是一项非估艰巨而复 杂的工 作.因此，迄今为止神经网络方法在船舶自动避

9、碰研 究中尚未得到成功的应用.223遗传算法方法文献8捉出了将一条航路定义为遗传群 体中的一个个体,将航路上的转向点定义为个体的基189集美大学学报（自然科学版）第 11卷因，从而基于遗传算法对船舶航路进行规划，以达到安全避让來船的日的.虽然该方法 在许多地方还不够成熟,尤其是没有充分考虑规则和海员的习惯做法等，衣安全航路设 计中常会出现违 反航 海常规和避碰规则的结果，但至少提出了一个新的研究思路.文献9 在遗传算法的基础上，引 入了 bayes模型，根据国际避碰规则和海上避碰惯例计算航路的 平均信息量，把平均信息量加入遗传算法的适应度函数来优化传统的遗传算法，试验结果表 明该方法可得到更符

10、合规则和海上避止常规的次优解.224采用专家智能技术文 献10研究的避碰知识库是一种咨询式的避碰决策系统.通过归纳获得的专家信息提出了两 船间只有6种特定的会遇类型，并通过调査归纳出14种可能釆取的避碰行动.该系统存在 的主要 问题是:对于复杂的多船会遇局血，避碰决策系统无法给出避碰行动决策，对此只能 山线驶员自己根 据局血进行处理，这显然不适应自动避碰决策系统的发展.另外，山于对同 种船舶会遇局面存在多种避碰行动方案，评价每一方案优劣的标准难以确定.东京商船人 学练习船“汐路丸”上的模拟避碰决策系统是一种全自动的避碰专家系统11,它不仅给出 避碰决策，同时也能通过避碰决策系统门动控制船舶的车

11、舵等装置.但系统还存在一定问题, 其一在评价木船将采取的最优避碰航线吋，没有考虑或没有深入考虑到规则对避碰行动应 是“大幅度”的要求，同时也没有考虑如何防止或解决船舶间可能发生的避碰行动不协调问 题；其二在确定船舶碰撞危险度时,采取的是围绕木船周围的圆形领域，因此产生与实际的 偏差也是在所难免的;其三在确定船舶基本会遇局面时,只考虑了四种会遇局回（即：接近、同向航行、对遇 和交叉），这e种局面能否适应海上多船会遇的复杂局血是值得怀疑的；笫四在避碰方案中， 系统采 取选 择航线，而不是确定棊木避碰行动的方法可能存在一定的局限性，対复杂的多船 会遇将产生选择上的困难.225多种智能方法的组合1）模

12、糊避碰专家系统方法文献 12设计的模糊避碰专家系统包含了存储爭实和规则的知识库、模拟专家决策的推理机和模 糊推理策略三部分，同时为了有效的实施避碰决策，系统还运川hoc控制算法设计了鲁棒 性 此好的口动操舵仪.经过计算机模拟显示，当本船与来船或障碍物发牛碰撞危险时，系统能提 出合适的避碰行动，并通过自动操舵仪执行避碰行动，最终解决碰撞危险.2）基于神经网络 的复合避碰专家系统方法基于神经网络的复合避碰专家系统方法是基于神经网络规则抽取 技术,将神经网络的自适应学习功能和避碰专家系统的解释说明能力集成在一个统一的体 系结构中13,这种方法不仅解决了传统避碰专家系统构建过程中的知识获取“瓶颈”问

13、题，而但还解决了神经网络避碰决策过程的“黑箱”现象，提為了系统决策结果的可信度， 但系统研究廿前还停留在单船避碰问题上.3）基于专家系统原理、数理分析和模糊数学相结 合的人工智能化方法如文献4, 5, 14,笔者根据建立的碰撞危险判据和危险度等要素的彊 化模型及避碰智能自动化算法；以确保安全（所谓安全即在符合规则要求及航海习惯情况 卞，木船与口标船在安全 会 遇距离最小值以外最大的会遇距离上通过）的前提下使木船航迹 偏移达到最小为避碰决策的优化指 标，利用visualc卄编制船舶避碰智能白动化实现软件， 在系统搜索与推理以及运用各种避碰算法进行学习、分析判断的过程中形成动态避碰知识 库并获取相

14、关的动态避碰信息，实现了宽水域避碰押能决策的口动牛成.研究方法较好地实 现了专家定性的经验知识与定量分析的有机融合，但受限水域避碰决策述需深入研究和优 化.190第2期李丽娜等:船舶避碰智能决策自动化研究4）基于专家系统、智能控制、 模糊决策、神经网络等技术的人工智能化方法文献15在建模和实现的过程中分别引入了诸 如模糊理论、人工神经网络和面向对象的设计等技术，建立了基于多库模式的船舶避碰智能 决策支持系统（1dssvca）,主要包括避碰规则知识库及其管理了系统、避碰案例模糊数据廉 及其管理子系统、避碰规则文本库及其管理子系统、避碰模型库及其管理子系统，并通过多 库协同器运用航海避碰的相关知识

15、对各个子系统进行总控、调度、通信和协调该系统能够综合运用各个库中的知识进行判断和推理，并最终给出较为 合理的避让方 案，从而实现了智能决策的作用然而，要使系统真正实用化还需耍对各个库 中所存储的知识述行充 实和完 善，系统的运行机制也有待进一步改进文献16针对目前 国内外有关专家在船舶智能避碰决策与控制系统的整体设计和某些局部决策模型方面还没 有达成相对统一的共识,距实际应用还存在一定差距的情况，分析总结了国内外相关研究成 杲及其不足，提出了更符合船舶驾驶员思维习惯的系统总体结构模型的设想，并给出了主要 子系统的决策流程图.该系统结构有利于将专家系统、智能控制、模糊决策和神经网络等技 术综合运

16、用在避碰决策的整个过程中，以便能从根本上解决现有研究成果中知识库的“瓶 颈”问题.综上分析，关于船舶碰撞危险度的评价方法已取得了显著成绩关于自动避碰智能 化方法，对 船舶避碰这样一个复朵、不确定的问题，以专家系统为核心的多种稠能方法的组 合是发展趋势.近年來，围绕知识获取的瓶颈引入机器学习方法，但是这种学习方法尚处于 理论研究和计算机仿真模拟阶段，有的仍处于研究方法的探讨阶段，如应川神经网络和模糊 数学的研究方法;有的虽有结果，但可能因其性能局限以及信息源的可信度等原因未见应丿u. 关于受限水域船舶自动避碰问题的研 究刚刚开 始，国外较成熟的研究成果（如文献12, 17, 18）尚处于计算机仿

17、真模拟阶段，而国内则刚起步（如文献19）,尚未见到较成熟的研究结 果.3结束语为了使“航行更安全、海洋更清洁”，船舶自动避碰仍然是新壯纪航海学术界 普遍关注的问题，国内外专家学者近十年来的研究结果表明：宽水域船舶避碰信息的量化处 理与避碰智能决策 的自动化 方法研究已取得不同程度的成果，多种智能方法的组合是今后 研究的主流，也是改善和提高现有系统性能的研究方法;在ecdts上开发避碰智能决策口 动化系统，或者将宽水域船舶避碰信息的暈化处理和避碰智能决策的白动化方法的研究成 果与ecdts相融合是自动避碰研究必然的发展趋势，也是根本解决受限水域避碰智能决策 白动化的重要方法.笔者以船舶操纵模拟和

18、电子海图信息系统为基础的“航行安全与自动 避碰（nsaca）仿真测试平台” 20,是开发研究智能避碰软件的测试手段，这种仿真手段不 仅在某种意义上可以得到近似海上的试验效果，而h在一定时间内在检验智能避碰软件应对各种复杂船舶会遇局血的模拟试验方血是海上试验不对比拟的（关于试验结果分析 将另文报道），也就是说具有相当的灵活性，明显优于海试.山此町见,新的航海技术ecdts 和a1s以及nsaca仿真测试平台的应川，对船舶自动避碰的研究将产生积极的影响.参考 文献1蒋丹东，朱利民，贾欣乐智能式航迹自动舵的海上试验研究j.中国造船，199&(3):22-30. 2姚杰,吴兆麟，方祥麟.船舶避

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