海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識的來源和決策流程初探

1、海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識的來源和決策流程初探1 引言海船避碰專家系統(tǒng)（仿人智能自動避碰控制系統(tǒng)） ，對于降低碰撞事故 具有重要的實用價值，也是實現(xiàn)完全自導(dǎo)的智能化船舶的重要組成部 分。近年來，國內(nèi)外海運(yùn)界學(xué)者對其進(jìn)行了不少理論研究，但與實用 化尚有一定距離。專家系統(tǒng)的性能取決于知識庫的質(zhì)量，而知識庫的 質(zhì)量又取決于所獲取的領(lǐng)域知識的質(zhì)量及可操作性。因此，明晰領(lǐng)域 知識的來源，對碰撞危險的判斷、決策過程予以量值化并明確其流程 是建構(gòu)實用化的海船避碰專家系統(tǒng)的必要步驟。2 領(lǐng)域知識的來源海船避碰行動的過程為：觀察 判斷決策。 1972 年國際海上避 碰規(guī)則 1（以下簡稱海規(guī) ）第五條 “了望”對觀

2、察作了規(guī)定： “每 一船舶應(yīng)經(jīng)常用視覺、聽覺以及適合當(dāng)時環(huán)境和情況下一切有效的手 段保持正規(guī)的了望，以便對局面和碰撞危險作出充分的估計。 ” 觀察的項目至少應(yīng)包括：航區(qū)水域、能見度、通航密度、本船操縱性 能、風(fēng)浪流情況、航速、吃水和可用水深的關(guān)系，雷達(dá)等助航設(shè)備可 能的誤差、來船的距離、方位、航向及動態(tài)，等等 .通過觀察所收集的信息，與專家系統(tǒng)知識庫中的領(lǐng)域知識進(jìn)行比較、推理，以確定碰撞危險程度、會遇局面的構(gòu)成、本船的權(quán)利和義務(wù)、 應(yīng)采取的避讓措施，并查核避讓行動的有效性及避讓結(jié)果，即為判斷 與決策過程。下面列出海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識的來源。2.11972 年國際海上避碰規(guī)則海規(guī)是協(xié)調(diào)海上船

3、舶避碰的技術(shù)指導(dǎo)和法律規(guī)范，其中可作為領(lǐng)域知識的內(nèi)容有：伓員莧迷鶉蔚墓娑a *?寸避讓行動的規(guī)定；？對避讓信號的規(guī)定。這些規(guī)定，也是專家系統(tǒng)知識庫的建構(gòu)的基礎(chǔ)和約束條 件，但在具體操作的量化上，尚需其他方面專家知識的補(bǔ)充。2.2 專家意見專家意見往往是良好的船藝和船員通常做法或當(dāng)時特殊情況所可能要 求的戒備的總結(jié)歸納，或基于海規(guī) 、幾何關(guān)系，操縱特性等方面考 慮的數(shù)量推導(dǎo)，是海規(guī)在具體操作和量化方面的重要補(bǔ)充。比較 典型的專家意見有：A.N科克羅夫特和J.N.F拉梅杰合著的海上避碰 規(guī)則指南 2；藤井首創(chuàng)并由 Goodwin 拓廣至開闊水域的船舶領(lǐng)域(Vessel’sdoma

4、irj)、Davis 的動界(Arena) 3 ； Colley 的 RDRR 還有本文提及的我國學(xué)者的意見。2.3駕駛員實踐經(jīng)驗大連海運(yùn)學(xué)院船藝教研室1985年通過向我國海員散發(fā) 海上避碰實況 調(diào)查表”獲得了 202次避碰實況數(shù)據(jù)3，吳兆麟和王逢辰通過統(tǒng)計獲取 的互見中能見度不良時，讓路船采取避碰行動的四個特征量：伈扇”芘魴卸 繃醬 嗬隓；？采取避碰行動時，目標(biāo)船會遇最近距離 DCPA ? 轉(zhuǎn)向避碰行動的幅度AC； ?兩船實際通過距離D。2.4自動避碰數(shù)學(xué)模型任茂東、錢玉林、楊鹽生、周顯著、趙勁松等在中國航海 、大連 海運(yùn)學(xué)院學(xué)報發(fā)表了各自的研究結(jié)果，即自動避碰數(shù)學(xué)模型的研討 及海上避碰規(guī)則

5、指南。3磁撞危險的判斷及避讓時機(jī)為了避免碰撞的發(fā)生，藤井建立了單一通航道中的船舶領(lǐng)域模型，該模型為對稱于被保護(hù)船的一個橢圓。Goodwin將此理論的應(yīng)用范圍拓延至開闊水域，并將模型改建為依左、右舷燈及尾燈照射范圍區(qū)分的三個扇區(qū)，考慮到海規(guī)對避讓責(zé)任的規(guī)定，三個扇區(qū)的外邊界與 本船的距離有所不同，比如，在 Goodwin 建立的北海南部船舶領(lǐng)域模 型中，它們的取值分別為 0.7海里、 0.8 海里和 0.45海里。實質(zhì)上，船舶領(lǐng)域是該船周圍的有效水域。該船駕駛員將他船保持在 該區(qū)域之外，是船舶保持航行安全所需水域。船舶領(lǐng)域可看作在避讓 時，保證兩船安全駛過的最小距離在船舶 360 度方位上的分布

6、。船舶 領(lǐng)域邊界與該船的距離隨方位變化，其尺度約為船長的數(shù)倍。船舶領(lǐng)域是駕駛員為了避免碰撞而希望保持的有效區(qū)域，但碰撞危險 存在的范圍遠(yuǎn)大于該領(lǐng)域。為了避免船舶領(lǐng)域被其他物標(biāo)侵入，必須 在更遠(yuǎn)的距離上提前采取避讓行動，這一距離稱為動界。 Davis 等人在 調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出了動界模型， 該模型是一個半徑為 2.7 海里的圓 將假想的船置于動界圓心使真船向左下方偏離，真船與假船（圓心） 距離為 1.7海里，方向從假想船船首向順時針方向起算 199 度處。同樣考慮保持船舶領(lǐng)域不受其他物標(biāo)侵入，但不從距離而是從時間因 素出發(fā)，Colley提出了 RDRR模型。RDRR指目標(biāo)沿相對運(yùn)動線距本船 領(lǐng)

7、域邊界的距離與其接近速度之比，單位為分鐘。RDRF實質(zhì)為如會遇兩船保向保速，則他船到達(dá)本船船舶領(lǐng)域邊界所需時間。在開闊水域 且互見的情況下，一些學(xué)者推薦碰撞危險存在的 RDRR為20分鐘。此外，國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了采用模糊集合或可拓集合論確定海船碰撞 危險及避讓相對開始距離或時刻的探討，但迄今尚未達(dá)到成熟實用的 程度。以上專家依據(jù)可供知識庫建構(gòu)時判斷碰撞危險及避讓時機(jī)的參考。當(dāng)前航海實踐中，對碰撞危險的判斷，通常是根據(jù)DCPA和TCPA是否小于置定的期望值 ,若小于期望則認(rèn)為有碰撞危險?？紤]到現(xiàn)階段大多 數(shù)海船的航行速度，為簡化避讓模型，可以考慮將時間因素轉(zhuǎn)化合并 為距離因素。王逢辰根據(jù)海規(guī)條文

8、，特別是號燈可見距離的規(guī)定，提出了互見 中兩船以不變的羅經(jīng)方位相互駛近時，按所處的相對位置和允許的或 規(guī)定的行動，將船舶會遇分成四個階段。 4。3.1 自由行動階段在遠(yuǎn)距離， 碰撞危險存在之前， 兩船可以自由采取行動。 兩船距離以 6 海里為界。3.2 致有構(gòu)成碰撞危險階段當(dāng)兩船接近到有碰撞可能性時開始， 海規(guī)規(guī)定讓路船應(yīng)及早采取大 幅度行動，以便兩船能在安全距離上駛過， 直航船此時必須保向保速。 兩船距離，一般可以在 3 到 6 海里左右。3.3 緊迫局面階段當(dāng)兩船接近到單憑讓路船的行動已經(jīng)不能達(dá)到在安全距離上駛過時， 緊迫局面已經(jīng)形成。這一階段兩船距離一般可以認(rèn)為從小于 3 海里開 始到

9、1 海里左右。3.4 緊迫危險階段由于接近中的兩船，在開始形成緊迫局面以后，沒有及時按海規(guī) 采取行動以避免緊迫局面，而導(dǎo)致碰撞即將發(fā)生，即出現(xiàn)緊迫危險。 這時雙方都應(yīng)采取最有效避免碰撞的行動，包括背離規(guī)則的規(guī)定，以 達(dá)到避免碰撞或減輕碰撞損失。 此時兩船距離大約是本船船長的幾倍。筆者認(rèn)為，王逢辰的這個劃分是比較合理的，經(jīng)比較和分析，第(2)階段和第 (4)階段分別與動界和船舶領(lǐng)域相對應(yīng)，因此，如采用動界和船舶領(lǐng)域的數(shù)量模型對各階段開始時不同方位上兩船距離進(jìn)行細(xì)化，可 作為知識庫中碰撞危險及避讓時機(jī)（距離）判斷的領(lǐng)域知識。4 局面的構(gòu)成及避讓決策流程海規(guī)對船舶在互見中的行動規(guī)則和船舶在能見度不良

10、時的行動規(guī) 則分別作了規(guī)定。因此，應(yīng)根據(jù)觀察信息對能見度狀況作出判斷。 海 規(guī)第三條對能見度不良作了定義， 但無量化的規(guī)定。 根據(jù)海上習(xí)慣， 當(dāng)能見度小于 5海里時，即應(yīng)備車航行； 當(dāng)能見度 2海里時，應(yīng)按海 規(guī)第三十五條的規(guī)定鳴放霧號。實際執(zhí)行中，即使有輕霧，兩船可 能在大于 2 海里的距離上互見，此時應(yīng)執(zhí)行互見中的行動規(guī)則。4.1 能見度不良時的避讓行動雷達(dá)是能見度不良時的主要助航設(shè)備，當(dāng)應(yīng)用雷達(dá)避碰時，對于一般船舶推薦選用12海里距離標(biāo)尺。一般認(rèn)為（128）海里為判定碰撞危險 階段；（86）海里為避讓行動階段；（64）海里為查核階段；4海里以 內(nèi)為即將形成緊迫局面階段。一般認(rèn)為，能見度不良時會讓安全標(biāo)準(zhǔn) 是DCPA不少于2海里。能見度不良時的避讓措施包括減速和轉(zhuǎn)向。 海規(guī)第十九條 5 款規(guī)定：除已斷定不存在碰撞危險外，每一船舶當(dāng)聽到他船的霧號顯似在本船 正橫以前，或者與正橫以前的他船不能避免緊迫局面時，應(yīng)將航速減 到能維持其航向的最小速度。必要時，應(yīng)把船安全停住 ，？?"科克羅夫特2認(rèn)為，在需要轉(zhuǎn)向避讓時，為使他船用雷達(dá)容易觀察到， 轉(zhuǎn)向幅度至少應(yīng)達(dá)到30度，若航速不變，最好在 60度以上。有關(guān)規(guī) 則1規(guī)定：轉(zhuǎn)向時應(yīng)盡可能避免：伋員蛔吩醬 猓 哉 崆暗拇安扇/蜃笞 潁*?對正橫或正橫后的船舶采取朝著它轉(zhuǎn)向?？瓶肆_特還推薦，當(dāng)