海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)的來(lái)源和決策流程初探

1、海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)的來(lái)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(dòng)避碰控制系統(tǒng)） ，對(duì)于降低碰撞事故 具有重要的實(shí)用價(jià)值，也是實(shí)現(xiàn)完全自導(dǎo)的智能化船舶的重要組成部 分。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外海運(yùn)界學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了不少理論研究，但與實(shí)用 化尚有一定距離。專家系統(tǒng)的性能取決于知識(shí)庫(kù)的質(zhì)量，而知識(shí)庫(kù)的 質(zhì)量又取決于所獲取的領(lǐng)域知識(shí)的質(zhì)量及可操作性。因此，明晰領(lǐng)域 知識(shí)的來(lái)源，對(duì)碰撞危險(xiǎn)的判斷、決策過(guò)程予以量值化并明確其流程 是建構(gòu)實(shí)用化的海船避碰專家系統(tǒng)的必要步驟。2 領(lǐng)域知識(shí)的來(lái)源海船避碰行動(dòng)的過(guò)程為：觀察 判斷決策。 1972 年國(guó)際海上避 碰規(guī)則 1（以下簡(jiǎn)稱海規(guī) ）第五條 “了望”對(duì)觀

2、察作了規(guī)定： “每 一船舶應(yīng)經(jīng)常用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及適合當(dāng)時(shí)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(duì)局面和碰撞危險(xiǎn)作出充分的估計(jì)。 ” 觀察的項(xiàng)目至少應(yīng)包括：航區(qū)水域、能見(jiàn)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(lái)船的距離、方位、航向及動(dòng)態(tài)，等等 .通過(guò)觀察所收集的信息，與專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行比較、推理，以確定碰撞危險(xiǎn)程度、會(huì)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(dòng)的有效性及避讓結(jié)果，即為判斷 與決策過(guò)程。下面列出海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)的來(lái)源。2.11972 年國(guó)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(shí)的內(nèi)容有：伓員莧迷鶉蔚墓娑a *?寸避讓行動(dòng)的規(guī)定；？對(duì)避讓信號(hào)的規(guī)定。這些規(guī)定，也是專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)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(shí)的補(bǔ)充。2.2 專家意見(jiàn)專家意見(jiàn)往往是良好的船藝和船員通常做法或當(dāng)時(shí)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(jiàn)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(kāi)闊水域的船舶領(lǐng)域(Vessel’sdoma

4、irj)、Davis 的動(dòng)界(Arena) 3 ； Colley 的 RDRR 還有本文提及的我國(guó)學(xué)者的意見(jiàn)。2.3駕駛員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)大連海運(yùn)學(xué)院船藝教研室1985年通過(guò)向我國(guó)海員散發(fā) 海上避碰實(shí)況 調(diào)查表”獲得了 202次避碰實(shí)況數(shù)據(jù)3，吳兆麟和王逢辰通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲取 的互見(jiàn)中能見(jiàn)度不良時(shí)，讓路船采取避碰行動(dòng)的四個(gè)特征量：伈扇”芘魴卸 繃醬 嗬隓；？采取避碰行動(dòng)時(shí)，目標(biāo)船會(huì)遇最近距離 DCPA ? 轉(zhuǎn)向避碰行動(dòng)的幅度AC； ?兩船實(shí)際通過(guò)距離D。2.4自動(dòng)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(guó)航海 、大連 海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)發(fā)表了各自的研究結(jié)果，即自動(dòng)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(xiǎn)的判斷及避讓時(shí)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(duì)稱于被保護(hù)船的一個(gè)橢圓。Goodwin將此理論的應(yīng)用范圍拓延至開(kāi)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(gè)扇區(qū)，考慮到海規(guī)對(duì)避讓責(zé)任的規(guī)定，三個(gè)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(shí)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(shí)，保證兩船安全駛過(guò)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(zhǎng)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(xiǎn) 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(dòng)，這一距離稱為動(dòng)界。 Davis 等人在 調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了動(dòng)界模型， 該模型是一個(gè)半徑為 2.7 海里的圓 將假想的船置于動(dòng)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(shí)針?lè)较蚱鹚?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(shí)間因 素出發(fā)，Colley提出了 RDRR模型。RDRR指目標(biāo)沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)質(zhì)為如會(huì)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(shí)間。在開(kāi)闊水域 且互見(jiàn)的情況下，一些學(xué)者推薦碰撞危險(xiǎn)存在的 RDRR為20分鐘。此外，國(guó)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(xiǎn)及避讓相對(duì)開(kāi)始距離或時(shí)刻的探討，但迄今尚未達(dá)到成熟實(shí)用的 程度。以上專家依據(jù)可供知識(shí)庫(kù)建構(gòu)時(shí)判斷碰撞危險(xiǎn)及避讓時(shí)機(jī)的參考。當(dāng)前航海實(shí)踐中，對(duì)碰撞危險(xiǎn)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(xiǎn)?？紤]到現(xiàn)階段大多 數(shù)海船的航行速度，為簡(jiǎn)化避讓模型，可以考慮將時(shí)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(hào)燈可見(jiàn)距離的規(guī)定，提出了互見(jiàn) 中兩船以不變的羅經(jīng)方位相互駛近時(shí)，按所處的相對(duì)位置和允許的或 規(guī)定的行動(dòng)，將船舶會(huì)遇分成四個(gè)階段。 4。3.1 自由行動(dòng)階段在遠(yuǎn)距離， 碰撞危險(xiǎn)存在之前， 兩船可以自由采取行動(dòng)。 兩船距離以 6 海里為界。3.2 致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)階段當(dāng)兩船接近到有碰撞可能性時(shí)開(kāi)始， 海規(guī)規(guī)定讓路船應(yīng)及早采取大 幅度行動(dòng)，以便兩船能在安全距離上駛過(guò)， 直航船此時(shí)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(dòng)已經(jīng)不能達(dá)到在安全距離上駛過(guò)時(shí)， 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(kāi) 始到

9、1 海里左右。3.4 緊迫危險(xiǎn)階段由于接近中的兩船，在開(kāi)始形成緊迫局面以后，沒(méi)有及時(shí)按海規(guī) 采取行動(dòng)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(xiǎn)。 這時(shí)雙方都應(yīng)采取最有效避免碰撞的行動(dòng)，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(shí)兩船距離大約是本船船長(zhǎng)的幾倍。筆者認(rèn)為，王逢辰的這個(gè)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(dòng)界和船舶領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)，因此，如采用動(dòng)界和船舶領(lǐng)域的數(shù)量模型對(duì)各階段開(kāi)始時(shí)不同方位上兩船距離進(jìn)行細(xì)化，可 作為知識(shí)庫(kù)中碰撞危險(xiǎn)及避讓時(shí)機(jī)（距離）判斷的領(lǐng)域知識(shí)。4 局面的構(gòu)成及避讓決策流程海規(guī)對(duì)船舶在互見(jiàn)中的行動(dòng)規(guī)則和船舶在能見(jiàn)度不良

10、時(shí)的行動(dòng)規(guī) 則分別作了規(guī)定。因此，應(yīng)根據(jù)觀察信息對(duì)能見(jiàn)度狀況作出判斷。 海 規(guī)第三條對(duì)能見(jiàn)度不良作了定義， 但無(wú)量化的規(guī)定。 根據(jù)海上習(xí)慣， 當(dāng)能見(jiàn)度小于 5海里時(shí)，即應(yīng)備車航行； 當(dāng)能見(jiàn)度 2海里時(shí)，應(yīng)按海 規(guī)第三十五條的規(guī)定鳴放霧號(hào)。實(shí)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(jiàn)，此時(shí)應(yīng)執(zhí)行互見(jiàn)中的行動(dòng)規(guī)則。4.1 能見(jiàn)度不良時(shí)的避讓行動(dòng)雷達(dá)是能見(jiàn)度不良時(shí)的主要助航設(shè)備，當(dāng)應(yīng)用雷達(dá)避碰時(shí)，對(duì)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(xiǎn) 階段；（86）海里為避讓行動(dòng)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(jiàn)度不良時(shí)會(huì)讓安全標(biāo)準(zhǔn) 是DCPA不少于2海里。能見(jiàn)度不良時(shí)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(xiǎn)外，每一船舶當(dāng)聽(tīng)到他船的霧號(hào)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(shí)，應(yīng)將航速減 到能維持其航向的最小速度。必要時(shí)，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(shí)，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(shí)應(yīng)盡可能避免：伋員蛔吩醬 猓 哉 崆暗拇安扇/蜃笞 潁*?對(duì)正橫或正橫后的船舶采取朝著它轉(zhuǎn)向。科克羅特還推薦，當(dāng)