海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識來源和決策流程初探

—海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識來源和決策流程初探1引言海船避碰專家系統(tǒng)（仿人智能自動避碰掌握系統(tǒng)），對于降低碰撞事故具有重要的適用價值，也是完成完全自導(dǎo)的智能化船舶的重要組成部分。近年來，國內(nèi)外海運界學(xué)者對其進行了不少理論研討，但與適用化尚有肯定距離。專家系統(tǒng)的性能取決于學(xué)問庫的質(zhì)量，而學(xué)問庫的質(zhì)量又取決于所取得的領(lǐng)域?qū)W問的質(zhì)量及可操作性。因此，明晰領(lǐng)域?qū)W問的來源，對碰撞危險的推斷、決策過程予以量值化并明確其流程是建構(gòu)適用化的海船避碰專家系統(tǒng)的必要步驟。2領(lǐng)域?qū)W問的來源海船避碰行動的過程為：觀看——推斷——決策?！?972年國際海上避碰規(guī)章》[1]（簡稱《海規(guī)》）第五條“了望”對觀看作了規(guī)定：“每一船舶應(yīng)常常用視覺、聽覺以及合適當(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足的估量?！庇^看的工程至少應(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，雷達等助航裝備可能的誤差、來船的距離、方位、航向及動態(tài)，等等.通過觀看所搜集的信息，與專家系統(tǒng)學(xué)問庫中的領(lǐng)域?qū)W問進行比擬、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)實行的避讓措施，并查核避讓行動的有效性及避讓結(jié)果，即為推斷與決策過程。下面列出海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)W問的來源。2.1《1972年國際海上避碰規(guī)章》《海規(guī)》是協(xié)調(diào)海上船舶避碰的技術(shù)指導(dǎo)和法律標(biāo)準(zhǔn)，其中可作為領(lǐng)域?qū)W問的內(nèi)容有：伓員莧迷鶉蔚墓娑ǎX對避讓行動的規(guī)定；對避讓信號的規(guī)定。這些規(guī)定，也是專家系統(tǒng)學(xué)問庫的建構(gòu)的基礎(chǔ)和約束條件，但在詳細操作的量化上，尚需其他方面專家學(xué)問的補充。2.2專家看法專家看法往往是良好的船藝和船員通常做法或當(dāng)時特別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)》在詳細操作和量化方面的重要補充。比擬典型的專家看法有：A.N.科克羅夫特和J.N.F.拉梅杰合著的《海上避碰規(guī)章指南》[2]；藤井首創(chuàng)并由Goodwin拓廣至開闊水域的船舶領(lǐng)域（Vessel'sdomain）Davis的動界（Arena）[3]；Colley的RDRR；還有本文提及的我國學(xué)者的看法。2.3駕駛員實踐經(jīng)驗大連海運學(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)計取得的互見中能見度不良時，讓路船實行避碰行動的四個特征量：伈扇”芘魴卸繃醬嗬隓；實行避碰行動時，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?！?、《大連海運學(xué)院學(xué)報》發(fā)表了各自的研討結(jié)果，即自動避碰數(shù)學(xué)模型的研討及海上避碰規(guī)章指南。3磁撞危險的推斷及避讓機遇為了防止碰撞的發(fā)生，藤井建立了單一通航道中的船舶領(lǐng)域模型，該模型為對稱于被愛護船的一個橢圓。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、右舷燈及尾燈照耀范圍區(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，比方，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。本質(zhì)上，船舶領(lǐng)域是該船四周的有效水域。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。船舶領(lǐng)域邊界與該船的距離隨方位改變，其尺度約為船長的數(shù)倍。船舶領(lǐng)域是駕駛員為了防止碰撞而希望保持的有效區(qū)域，但碰撞危險存在的范圍遠大于該領(lǐng)域。為了防止船舶領(lǐng)域被其他物標(biāo)侵入，必需在更遠的距離上提前實行避讓行動，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動身，Colley提出了RDRR模型。RDRR指目標(biāo)沿相對運動線距本船領(lǐng)域邊界的距離與其接近速度之比，單位為分鐘。RDRR本質(zhì)為如會遇兩船保向保速，則他船到達本船船舶領(lǐng)域邊界所需時間。在開闊水域且互見的情況下，一些學(xué)者推舉碰撞危險存在的RDRR為20分鐘。此外，國內(nèi)外學(xué)者還進行了采納模糊集合或可拓集合論確定海船碰撞危險及避讓相對開頭距離或時辰的探討，但迄今尚未到達成熟適用的程度。以上專家依據(jù)可供學(xué)問庫建構(gòu)時推斷碰撞危險及避讓機遇的參考。當(dāng)前航海實踐中，對碰撞危險的推斷，通常是依據(jù)DCPA和TCPA是否小于置定的希望值，若小于希望則認為有碰撞危險?？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。王逢辰依據(jù)《海規(guī)》條文，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)方位互相駛近時，按所處的相對位置和答應(yīng)的或規(guī)定的行動，將船舶會遇分成四個階段。[4]。3.1自由行動階段在遠距離，碰撞危險存在之前，兩船可以自由實行行動。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頭，《海規(guī)》規(guī)定讓路船應(yīng)及早實行大幅度行動，以便兩船能在安全距離上駛過，直航船此時必需保向保速。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)不能到達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為從小于3海里開頭到1海里左右。3.4緊迫危險階段由于接近中的兩船，在開頭形成緊迫局面以后，沒有按時按《海規(guī)》實行行動以防止緊迫局面，而導(dǎo)致碰撞即將發(fā)生，即顯現(xiàn)緊迫危險。這時雙方都應(yīng)實行最有效防止碰撞的行動，包括背離規(guī)章的規(guī)定，以到達防止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。筆者認為，王逢辰的這個劃分是比擬合理的，經(jīng)比擬和分析，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，如采納動界和船舶領(lǐng)域的數(shù)量模型對各階段開頭時不同方位上兩船距離進行細化，可作為學(xué)問庫中碰撞危險及避讓機遇（距離）推斷的領(lǐng)域?qū)W問。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)章和船舶在能見度不良時的行動規(guī)章分別作了規(guī)定。因此，應(yīng)依據(jù)觀看信息對能見度狀況作出推斷。《海規(guī)》第三條對能見度不良作了定義，但化的規(guī)定。依據(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)章。4.1能見度不良時的避讓行動雷達是能見度不良時的主要助航裝備，當(dāng)應(yīng)用雷達避碰時，對于一般船舶推舉選用12海里距離標(biāo)尺。一般認為（12～8）海里為判斷碰撞危險階段；（8～6）海里為避讓行動階段；（6～4）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從前，或者與正橫從前的他船不能防止緊迫局面時，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]認為，在需要轉(zhuǎn)向避讓時，為使他船用雷達簡單觀看到，轉(zhuǎn)向幅度至少應(yīng)到達30度，若航速不變，最好在60度以上。有關(guān)規(guī)章[1]規(guī)定：轉(zhuǎn)向時應(yīng)盡可能防止：伋員蛔吩醬猓哉崆暗拇安扇∠蜃笞潁X對正橫或正橫后的船舶實行朝著它轉(zhuǎn)向?？瓶肆_特還推舉，當(dāng)雷達探測到不同方位來船時，本船航向轉(zhuǎn)變的避碰操縱圖。4.2船舶在互見中的避讓行動依據(jù)船舶種類確定的避讓責(zé)任互見中，除了《海規(guī)》在狹水道、分道通航制水域、追越的條款中另有規(guī)定，本船與他船構(gòu)成會遇局面時，首先應(yīng)按照船舶種類確定避讓責(zé)任?！逗Ｒ?guī)》第十八條依據(jù)各類船舶操縱性能優(yōu)劣、避讓力量的大小，確定了船舶間的責(zé)任和業(yè)務(wù)，其排列挨次為，水上飛機、機動船、帆船、從事捕魚的船舶、限于吃水的船舶、操縱力量受到限制的船舶和失去掌握的船舶。排在前面的船舶種類，義務(wù)大些，權(quán)利小點，排在后面的相對權(quán)利大些，義務(wù)小點。一般情況下會遇局面的構(gòu)成及避讓《海規(guī)》第十三條、第十四條、第十五條依據(jù)會遇中兩船的相對方位和航向及碰撞可能性分別定義了追越、對遇和交叉相遇三種局面（后兩種局面只適用于會遇中兩船均為機動船），下面分別商量本船在不同局面中的避讓責(zé)任及避讓決策。1）對遇局面：本船與他船避讓責(zé)任相同，《海規(guī)》規(guī)定兩船各應(yīng)向右轉(zhuǎn)向，為符合《海規(guī)》對避讓行動“早、大、寬”的要求，開頭轉(zhuǎn)向時，兩船距離應(yīng)處于上述[4]第（2）階段，轉(zhuǎn)向幅度應(yīng)不少于10度。2）交叉相遇局面：如有他船在本船左舷，本船為被讓路船，本船應(yīng)保向、保速。如有他船在本船右舷，本船為讓路船。一些學(xué)者將此局面分為小角度交叉和大角度交叉兩種情況。小角度交叉時，本船處于他船舷角6度（Q（30度（也有學(xué)者認為6度（Q（45度〉的方位。此時兩船相對速度大，兩船接近快，本船應(yīng)向右轉(zhuǎn)向顯示紅舷燈，從被讓路船船尾前方駛過，并鳴放操縱聲號和（或）顯示操縱號燈。大角度交叉時，本船處于他船舷角30度（Q（112．5度的方位。此時，相對速度小，兩船接近慢，相持時間較長。本船可依據(jù)觀看信息，視兩船橫距大小或航行環(huán)境，從以下三種避讓措施中選擇最優(yōu)者：伒繃醬峋嘟閑。胰糜欣眩蟛嗨蚩砝剎扇〈蠓認蜃笞潁栽齟蠛峋啵匾笨勺笞蝗Γ彌焙醬韌ü⒚挪僮萆藕停ɑ潁┫允靜僮鶯諾啤X若右讓或左讓均有困難，可實行減速或停車，讓直航船從本船前方駛過。當(dāng)兩船橫距較大，可實行大幅度向右轉(zhuǎn)向避讓，從直航船尾駛過，并鳴放操縱聲號和（或）顯示操縱號燈。3）追越局面：若本船為被迫越船，則本船為被讓路船（直航船），本船應(yīng)保向保速。若本船為追越船，則本船為讓路船。當(dāng)與前船距離到達上述[4]第（2）階段（或動界邊界），應(yīng)用聲號征得前船同意后開頭追越行動。超越前船過程中，本船首尾線最好與被追越船首尾線呈發(fā)散角度，至少應(yīng)成平行線。為防止發(fā)生船吸，兩船的橫距應(yīng)保持一安全值，甄德福認為，此時安全通過距離至少為被追越船船長的4倍，直至駛過讓清為止。以上局面中，如本船為被規(guī)定保向、保速的被讓路船，當(dāng)發(fā)現(xiàn)讓路船沒有按《海規(guī)》要求實行避讓行動，則本船應(yīng)在發(fā)出警告聲號后，單獨實行避碰行動，如由于航行環(huán)