海船避碰专家系统领域知识的来源和决策流程初探

1、海船避碰专家系统领域知识的来源和决策流程初探1 引言海船避碰专家系统（仿人智能自动避碰控制系统） ，对于降低碰撞事故 具有重要的实用价值，也是实现完全自导的智能化船舶的重要组成部 分。近年来，国内外海运界学者对其进行了不少理论研究，但与实用 化尚有一定距离。专家系统的性能取决于知识库的质量，而知识库的 质量又取决于所获取的领域知识的质量及可操作性。因此，明晰领域 知识的来源，对碰撞危险的判断、决策过程予以量值化并明确其流程 是建构实用化的海船避碰专家系统的必要步骤。2 领域知识的来源海船避碰行动的过程为：观察 判断决策。 1972 年国际海上避 碰规则 1（以下简称海规 ）第五条 “了望”对观

2、察作了规定： “每 一船舶应经常用视觉、听觉以及适合当时环境和情况下一切有效的手 段保持正规的了望，以便对局面和碰撞危险作出充分的估计。 ” 观察的项目至少应包括：航区水域、能见度、通航密度、本船操纵性 能、风浪流情况、航速、吃水和可用水深的关系，雷达等助航设备可 能的误差、来船的距离、方位、航向及动态，等等 .通过观察所收集的信息，与专家系统知识库中的领域知识进行比较、推理，以确定碰撞危险程度、会遇局面的构成、本船的权利和义务、 应采取的避让措施，并查核避让行动的有效性及避让结果，即为判断 与决策过程。下面列出海船避碰专家系统领域知识的来源。2.11972 年国际海上避碰规则海规是协调海上船

3、舶避碰的技术指导和法律规范，其中可作为领域知识的内容有：伓员苋迷鹑蔚墓娑a *?寸避让行动的规定；？对避让信号的规定。这些规定，也是专家系统知识库的建构的基础和约束条 件，但在具体操作的量化上，尚需其他方面专家知识的补充。2.2 专家意见专家意见往往是良好的船艺和船员通常做法或当时特殊情况所可能要 求的戒备的总结归纳，或基于海规 、几何关系，操纵特性等方面考 虑的数量推导，是海规在具体操作和量化方面的重要补充。比较 典型的专家意见有：A.N科克罗夫特和J.N.F拉梅杰合著的海上避碰 规则指南 2；藤井首创并由 Goodwin 拓广至开阔水域的船舶领域(Vessel’sdoma

4、irj)、Davis 的动界(Arena) 3 ； Colley 的 RDRR 还有本文提及的我国学者的意见。2.3驾驶员实践经验大连海运学院船艺教研室1985年通过向我国海员散发 海上避碰实况 调查表”获得了 202次避碰实况数据3，吴兆麟和王逢辰通过统计获取 的互见中能见度不良时，让路船采取避碰行动的四个特征量：伈扇”芘鲂卸 绷酱 嗬隓；？采取避碰行动时，目标船会遇最近距离 DCPA ? 转向避碰行动的幅度AC； ?两船实际通过距离D。2.4自动避碰数学模型任茂东、钱玉林、杨盐生、周显著、赵劲松等在中国航海 、大连 海运学院学报发表了各自的研究结果，即自动避碰数学模型的研讨 及海上避碰规则

5、指南。3磁撞危险的判断及避让时机为了避免碰撞的发生，藤井建立了单一通航道中的船舶领域模型，该模型为对称于被保护船的一个椭圆。Goodwin将此理论的应用范围拓延至开阔水域，并将模型改建为依左、右舷灯及尾灯照射范围区分的三个扇区，考虑到海规对避让责任的规定，三个扇区的外边界与 本船的距离有所不同，比如，在 Goodwin 建立的北海南部船舶领域模 型中，它们的取值分别为 0.7海里、 0.8 海里和 0.45海里。实质上，船舶领域是该船周围的有效水域。该船驾驶员将他船保持在 该区域之外，是船舶保持航行安全所需水域。船舶领域可看作在避让 时，保证两船安全驶过的最小距离在船舶 360 度方位上的分布

6、。船舶 领域边界与该船的距离随方位变化，其尺度约为船长的数倍。船舶领域是驾驶员为了避免碰撞而希望保持的有效区域，但碰撞危险 存在的范围远大于该领域。为了避免船舶领域被其他物标侵入，必须 在更远的距离上提前采取避让行动，这一距离称为动界。 Davis 等人在 调查统计的基础上提出了动界模型， 该模型是一个半径为 2.7 海里的圆 将假想的船置于动界圆心使真船向左下方偏离，真船与假船（圆心） 距离为 1.7海里，方向从假想船船首向顺时针方向起算 199 度处。同样考虑保持船舶领域不受其他物标侵入，但不从距离而是从时间因 素出发，Colley提出了 RDRR模型。RDRR指目标沿相对运动线距本船 领

7、域边界的距离与其接近速度之比，单位为分钟。RDRF实质为如会遇两船保向保速，则他船到达本船船舶领域边界所需时间。在开阔水域 且互见的情况下，一些学者推荐碰撞危险存在的 RDRR为20分钟。此外，国内外学者还进行了采用模糊集合或可拓集合论确定海船碰撞 危险及避让相对开始距离或时刻的探讨，但迄今尚未达到成熟实用的 程度。以上专家依据可供知识库建构时判断碰撞危险及避让时机的参考。当前航海实践中，对碰撞危险的判断，通常是根据DCPA和TCPA是否小于置定的期望值 ,若小于期望则认为有碰撞危险。考虑到现阶段大多 数海船的航行速度，为简化避让模型，可以考虑将时间因素转化合并 为距离因素。王逢辰根据海规条文

8、，特别是号灯可见距离的规定，提出了互见 中两船以不变的罗经方位相互驶近时，按所处的相对位置和允许的或 规定的行动，将船舶会遇分成四个阶段。 4。3.1 自由行动阶段在远距离， 碰撞危险存在之前， 两船可以自由采取行动。 两船距离以 6 海里为界。3.2 致有构成碰撞危险阶段当两船接近到有碰撞可能性时开始， 海规规定让路船应及早采取大 幅度行动，以便两船能在安全距离上驶过， 直航船此时必须保向保速。 两船距离，一般可以在 3 到 6 海里左右。3.3 紧迫局面阶段当两船接近到单凭让路船的行动已经不能达到在安全距离上驶过时， 紧迫局面已经形成。这一阶段两船距离一般可以认为从小于 3 海里开 始到

9、1 海里左右。3.4 紧迫危险阶段由于接近中的两船，在开始形成紧迫局面以后，没有及时按海规 采取行动以避免紧迫局面，而导致碰撞即将发生，即出现紧迫危险。 这时双方都应采取最有效避免碰撞的行动，包括背离规则的规定，以 达到避免碰撞或减轻碰撞损失。 此时两船距离大约是本船船长的几倍。笔者认为，王逢辰的这个划分是比较合理的，经比较和分析，第(2)阶段和第 (4)阶段分别与动界和船舶领域相对应，因此，如采用动界和船舶领域的数量模型对各阶段开始时不同方位上两船距离进行细化，可 作为知识库中碰撞危险及避让时机（距离）判断的领域知识。4 局面的构成及避让决策流程海规对船舶在互见中的行动规则和船舶在能见度不良

10、时的行动规 则分别作了规定。因此，应根据观察信息对能见度状况作出判断。 海 规第三条对能见度不良作了定义， 但无量化的规定。 根据海上习惯， 当能见度小于 5海里时，即应备车航行； 当能见度 2海里时，应按海 规第三十五条的规定鸣放雾号。实际执行中，即使有轻雾，两船可 能在大于 2 海里的距离上互见，此时应执行互见中的行动规则。4.1 能见度不良时的避让行动雷达是能见度不良时的主要助航设备，当应用雷达避碰时，对于一般船舶推荐选用12海里距离标尺。一般认为（128）海里为判定碰撞危险 阶段；（86）海里为避让行动阶段；（64）海里为查核阶段；4海里以 内为即将形成紧迫局面阶段。一般认为，能见度不良时会让安全标准 是DCPA不少于2海里。能见度不良时的避让措施包括减速和转向。 海规第十九条 5 款规定：除已断定不存在碰撞危险外，每一船舶当听到他船的雾号显似在本船 正横以前，或者与正横以前的他船不能避免紧迫局面时，应将航速减 到能维持其航向的最小速度。必要时，应把船安全停住 ，？?"科克罗夫特2认为，在需要转向避让时，为使他船用雷达容易观察到， 转向幅度至少应达到30度，若航速不变，最好在 60度以上。有关规 则1规定：转向时应尽可能避免：伋员蛔吩酱 猓 哉 崆暗拇安扇/蜃笞 颍*?对正横或正横后的船舶采取朝着它转向。科克罗特还推荐，当