海船避碰专家系统领域知识的来源和决策流程初探.doc

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*?对避让行动的规定；?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（Vesselsdomain）、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。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域边界的距离与其接近速度之比，单位为分钟。RDRR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，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，当雷达探测到不同方位来船时，本船航向改变的避碰操纵图。4.2船舶在互见中的避让行动4.2.1根据船舶种类确定的避让责任互见中，除了海规在狭水道、分道通航制水域、追越的条款中另有规定，本船与他船构成会遇局面时，首先应依照船舶种类确定避让责任。海规第十八条根据各类船舶操纵性能优劣、避让能力的大小，确定了船舶间的责任和业务，其排列顺序为，水上飞机、机动船、帆船、从事捕鱼的船舶、限于吃水的船舶、操纵能力受到限制的船舶和失去控制的船舶。排在前面的船舶种类，义务大些，权利小点，排在后面的相对权利大些，义务小点。4.2.2一般情况下会遇局面的构成及避让海规第十三条、第十四条、第十五条根据会遇中两船的相对方位和航向及碰撞可能性分别定义了追越、对遇和交叉相遇三种局面（后两种局面只适用于会遇中两船均为机动船），下面分别讨论本船在不同局面中的避让责任及避让决策。1)对遇局面：本船与他船避让责任相同，海规规定两船各应向右转向，为符合海规对避让行动“早、大、宽”的要求，开始转向时，两船距离应处于上述4第(2)阶段，转向幅度应不少于10度。2)交叉相遇局面：如有他船在本船左舷，本船为被让路船，本船应保向、保速。如有他船在本船右舷，本船为让路船。一些学者将此局面分为小角度交叉和大角度交叉两种情况。小角度交叉时，本船处于他船舷角6度(Q(30度（也有学者认为6度(Q(45度的方位。此时两船相对速度大，两船接近快，本船应向右转向显示红舷灯，从被让路船船尾后方驶过，并鸣放操纵声号和（或）显示操纵号灯。大角度交叉时，本船处于他船舷角30度(Q(1125度的方位。此时，相对速度小，两船接近慢，相持时间较长。本船可根据观察信息，视两船横距大小或航行环境，从以下三种避让措施中选择最优者：伒绷酱峋嘟闲。胰糜欣眩蟛嗨蚩砝刹扇蠓认蜃笞颍栽龃蠛峋啵匾笨勺笞蝗弥焙酱韧挪僮萆藕停颍允静僮莺诺啤*?若右让或左让均有困难，可采取减速或停车，让直航船从本船前方驶过。?当两船横距较大，可采取大幅度向右转向避让，从直航船尾驶过，并鸣放操纵声号和（或）显示操纵号灯。3)追越局面：若本船为被迫越船，则本船为被让路船（直航船），本船应保向保速。若本船为追越船，则本船为让路船。当与前船距离达到上述4第(2)阶段（或动界边界），应用声号征得前船同意后开始追越行动。超越前船过程中，本船首尾线最好与被追越船首尾线呈发散角度，至少应成平行线。为防止发生船吸，两船的横距应保持一安全值，甄德福认为，此时安全通过距离至少为被追越船船长的4倍，直至驶过让清为止。以上局面中，如本船为被规定保向、保速的被让路船，当发现让路船没有按海规要求采取避让行动，则本船应在发出警告声号后，独自采取避碰行动，如由于航行环境等原因单凭让路船的行动不能避免碰撞时，本船也应采取最有效避碰的行动。在避让过程中，本船应采用ARPA试操船或本文上述我国学者建立的数学模型对避让行动的有效性及避让结果进行核查。5结论1)综述了海船避碰专家系统知识库领域知识的来源。2)对海船避碰过程中，碰撞危险以及避让时机（距离）进行了讨论，提出采用王逢辰划分的船舶行动阶段，并以动界和船舶领域模型进行数量化，可作为知识库对碰撞危险和避让时机进行判断的基础。3)笔者提出了专家系统避让决策的初步流程。第 8 页 共 8 页