基于規(guī)則的船舶智能避碰決策關(guān)鍵技術(shù)分析

于宏波 朱江江

（中國人民解放軍91412部隊，廣東湛江 524002）

0.引言

避碰決策的迅速合理形成是保證船舶在會遇后依舊保持安全平穩(wěn)航行的重要手段，相應(yīng)決策模型與決策形成流程值得重點優(yōu)化。

1.基于規(guī)則的船舶智能避碰決策的理論分析

1.1 智能避碰特點及其流程設(shè)計

智能避碰主要實現(xiàn)在同一海區(qū)內(nèi)存在復(fù)數(shù)船只的條件下避碰，包括多船只之間碰撞危險的規(guī)避、兩船只相互碰撞危險的規(guī)避等。在現(xiàn)行的《國際海上避碰規(guī)則》中，對于兩船只會遇態(tài)勢、所承擔(dān)的責(zé)任進行了明確的設(shè)定，但是在多船只會遇方面僅僅提出了指導(dǎo)性意見。基于此，在多船只會遇問題的實際處理過程中，一般會將現(xiàn)行規(guī)則作為理論依據(jù)支持，按照其中的要求，辨識、判斷相應(yīng)規(guī)則中形成碰撞危險的多船只之間會遇態(tài)勢，對目標(biāo)船只可能做出的反應(yīng)、本船只在此次會遇中所處現(xiàn)實位置展開綜合性的分析，在此基礎(chǔ)上形成更具可操作性以及科學(xué)合理性的避碰方案。

在本次智能避碰決策的設(shè)計中，主要執(zhí)行以下流程：在信息感知單元，完成對本船只現(xiàn)階段真實航行狀態(tài)信息的感知、對附近目標(biāo)船只的現(xiàn)實航行狀態(tài)信息進行感知，并同時感知航行環(huán)境信息。在避碰決策規(guī)劃單元，綜合感知的信息內(nèi)容，實施參數(shù)計算以及危險程度評價；對船只會遇態(tài)勢落實精準劃分，同時判斷是否存在碰撞風(fēng)險，如果判斷不存在碰撞風(fēng)險，則直接跳轉(zhuǎn)至結(jié)束流程；如果判斷存在碰撞風(fēng)險，則立即啟動協(xié)調(diào)避讓機制（進入避碰方案確定單元）。在避碰方案確定單元，規(guī)劃避讓路徑，并在避讓后評價實際效果，引導(dǎo)船只復(fù)航，隨后轉(zhuǎn)入結(jié)束程序。

1.2 現(xiàn)行避碰方法及其問題

在當(dāng)前的船舶避碰實踐中，常用的決策方法主要有兩種，即“避碰重點船”決策方法以及“分布式”決策方法，具體如下：第一，“避碰重點船”決策方法。在發(fā)生多船只避碰情況時，確定避讓重點船只，并針對最危險的目標(biāo)設(shè)定避碰方案；判斷所形成的避碰方案是否會對其他船只造成威脅，如果是，則進行方案修正后再次轉(zhuǎn)入判斷程序；如果判斷不會對其他船只造成威脅，則啟動效果檢查程序，并判斷讓請否，如否，則進行方案修正后再次轉(zhuǎn)入判斷程序；若是，則轉(zhuǎn)入結(jié)束程序。第二，“分布式”決策方法。依托某種避讓協(xié)調(diào)機制的建立，促使避碰決策細化為多個分階段，并在所有分階段中確定出路船、決策方案，完成避碰、保證船舶正常通行[1]。綜合分析，現(xiàn)行避碰方法缺乏協(xié)同性，且存在著避讓責(zé)任缺失的問題，難以確保在避碰過程中所有船只均安全行駛，因此需要落實進一步優(yōu)化調(diào)整。

2.基于規(guī)則的船舶智能避碰決策的模型設(shè)計

2.1 協(xié)同學(xué)理論

在自然科學(xué)、社會科學(xué)的多領(lǐng)域中，協(xié)同學(xué)理論在當(dāng)前已然得到了廣泛應(yīng)用，主要以宏觀視角為切入點，研究系統(tǒng)由無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)的自組織過程。在初始階段，系統(tǒng)的最初狀態(tài)由所有子系統(tǒng)初始狀態(tài)的疊加所決定，而受到各個子系統(tǒng)在長時間發(fā)展中所產(chǎn)生的相互作用、制約作用或是競爭的影響，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、空間狀態(tài)、時間狀態(tài)均對實現(xiàn)自組織演化，由此展現(xiàn)出系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)以及自組織特性，促使系統(tǒng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且在功能結(jié)構(gòu)、空間狀態(tài)、時間狀態(tài)均有所更新。本次研究中，主要嘗試使用協(xié)同學(xué)理論解決多船只的避碰問題，為船舶避碰決策的形成提供新思路。在協(xié)同學(xué)理論的指導(dǎo)下，可以從宏觀角度入手，將所有系統(tǒng)視為多個子系統(tǒng)，在特定條件下，受到相同作用原理協(xié)同，各個子系統(tǒng)實現(xiàn)有序運動，從而構(gòu)成一個新的、穩(wěn)定性更強的系統(tǒng)[2]。實踐中，設(shè)定某一海區(qū)的特定范圍內(nèi)存在船只數(shù)量為M，且這些船只能夠形成一個交通系統(tǒng)，該海區(qū)范圍內(nèi)交通安全狀況可以通過該系統(tǒng)狀態(tài)向量進行反映。此時，該交通系統(tǒng)的狀態(tài)向量可以使用如下表達式進行表示，即：

在該表達式中，該交通系統(tǒng)的狀態(tài)向量使用q進行表達；該交通系統(tǒng)中船舶i的狀態(tài)向量使用qi進行表達；船舶i的位置向量使用x進行表達。

2.2 排隊論理論

排隊在日常生活中極為常見，而任何一個排隊系統(tǒng)均可以視為隨機服務(wù)系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，排隊系統(tǒng)也存在著一定的差異性，但是其基本構(gòu)成表現(xiàn)出明顯的相似水平。通常來說，排隊系統(tǒng)主要包含著3個基本部分，包括服務(wù)機制、排隊與排隊規(guī)則、輸入過程。

將排隊論理論引入多船只避碰決策中具有極高的可行性，此時，可以設(shè)定排隊系統(tǒng)為正在相互靠近的船只、正在作出避碰決策的船只、多船只避碰決策模型。其中，所有還沒有生成碰撞危險依次等候的船只自然構(gòu)成一個行列，而等待避碰決策生成的船只行列可以視為“排隊”。基于排水系統(tǒng)的多船避碰決策模型中主要包含著三部分，即輸入（聚）、服務(wù)機構(gòu)以及輸出（散）。在該模型中，輸入（聚）主要代表著包含在該系統(tǒng)中船只的達到規(guī)律，依托構(gòu)成多船只會遇的船只數(shù)量總數(shù)、達到方式（單個到達、成批達到）、相機達到時間的間隔分布（船只達到時間規(guī)律）這三項內(nèi)容完成對船只達到該交通系統(tǒng)的規(guī)律作出表述。服務(wù)機構(gòu)主要代表著所使用的碰撞決策系統(tǒng)，說明該排隊系統(tǒng)中服務(wù)臺數(shù)量、船只接受服務(wù)的形式。輸出（散）主要代表著海區(qū)范圍內(nèi)船只的安全駛離。

2.3 多階段避碰策略設(shè)計

結(jié)合前文的分析能夠了解，當(dāng)前所使用的船舶避碰決策方式存在著避讓責(zé)任缺失的問題，基于此，需要依托避碰梯度的設(shè)置形成包含優(yōu)先權(quán)的服務(wù)排隊規(guī)則，促使服務(wù)對象由單艘船只拓展至一類船舶。這種多階段避碰策略流程如下所示：對海區(qū)內(nèi)處于會遇態(tài)勢下的所有船只信息展開采集，確定兩個優(yōu)先集P1與P2中的船只對象；判斷P1中包含船只的總體數(shù)量，如果判斷數(shù)量為0，則作出保向保速決策；如果判斷數(shù)量為1，則代表兩船會遇；如果判斷數(shù)量不低于2，則對第一優(yōu)先級中船只的避碰路徑協(xié)同優(yōu)化；對避碰決策方案的有效性展開核實；實現(xiàn)船舶復(fù)航，再次返回確定兩個優(yōu)先集P1與P2中的船只對象這一步驟，直至?xí)雠鲎参C解除。

2.4 協(xié)同進化機制

前文對當(dāng)前所使用的船舶避碰決策方式的分析還發(fā)現(xiàn)其中存在著缺乏協(xié)同性的問題，基于此，需要引入?yún)f(xié)同進化機制完善多船只避碰決策模型。在本次研究中，主要應(yīng)用了多層編碼多種群遺傳算法完成船只避讓決策模型。實踐中，主要將單一的個體編碼由單層細化為多層，針對所有層級中的編碼對應(yīng)第一優(yōu)先級中一條船只的避碰決策方案；多船只避碰決策方案利用單個染色體進行整體性表達，以此體現(xiàn)出對船只避碰決策模型在船只數(shù)量方面限制的有效突破[3]。

依托多層編碼遺傳算法編碼技術(shù)完成個體編碼后，實施種群初始化，其限定條件具體如下：

隨后，要搭建起適應(yīng)度函數(shù)，區(qū)分種群中不同個體的優(yōu)劣性，實現(xiàn)最優(yōu)解的獲取。在多船只避碰決策模型中，設(shè)定所有船只均實施單次轉(zhuǎn)向，則依托航線航程、船只安全程度作為構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)的評價指標(biāo)，則有：

其中，所有船只的運行軌跡坐標(biāo)為（xji,yji）；第一優(yōu)先級中船只的總數(shù)為N；船只之間的會遇距離最小值為De；船只路徑長度為D；船只領(lǐng)域半徑為Ds；權(quán)重系數(shù)為τ。

3.總結(jié)

現(xiàn)行避碰方法缺乏協(xié)同性，且存在著避讓責(zé)任缺失的問題，難以確保在避碰過程中所有船只均安全行駛，因此需要落實進一步優(yōu)化調(diào)整。通過融合協(xié)同學(xué)理論、排隊論理論、多階段避碰策略設(shè)計以及協(xié)同進化機制，能夠形成一種基于規(guī)則的船舶智能避碰決策的模型，為多船舶避碰問題的高效決策處理提供了新思路。