大數(shù)據(jù)在船舶港內(nèi)操縱避碰方面的應(yīng)用

◎ 黃昌均 珠海港引航站

最近幾年，隨著我國(guó)航運(yùn)和港口事業(yè)的發(fā)展，港內(nèi)航行的船舶越來(lái)越多，交通流越來(lái)越復(fù)雜，密度也越來(lái)越大，船舶相互碰撞的事故增加了很多，使得船舶在港內(nèi)的航行和操縱的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，由于粗心大意、人為操縱失誤釀成事故屢見不鮮，隨著人力資源成本的不斷上漲和導(dǎo)航技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，大數(shù)據(jù)的運(yùn)用、人工智能的升級(jí)，協(xié)助船舶操縱和避碰的技術(shù)因此變得越來(lái)越成熟。大數(shù)據(jù)協(xié)助操縱的應(yīng)用是一套非常復(fù)雜且高度智能的集成系統(tǒng)，根據(jù)過往的數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)自動(dòng)運(yùn)算得出結(jié)果，避免碰撞是這套系統(tǒng)的靈魂?？煽靠尚诺膮f(xié)助船舶防撞預(yù)報(bào)系統(tǒng)必須具備以下條件：避免碰撞移動(dòng)和不移動(dòng)的障礙物；多個(gè)物標(biāo)在港內(nèi)同一個(gè)水域內(nèi)航行時(shí)，協(xié)助避碰，保持足夠駛過讓請(qǐng)的距離；避碰后協(xié)助船舶恢復(fù)到原先的航路中來(lái)；建立港內(nèi)交通流和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)字模型，精度準(zhǔn)確，更好的貼近實(shí)況；考慮外部的相關(guān)條件；迅速、有效且精準(zhǔn)的給出系統(tǒng)反饋。

1.大數(shù)據(jù)信息集成平臺(tái)

何謂大數(shù)據(jù)？其實(shí)很簡(jiǎn)單，大數(shù)據(jù)就是海量、巨量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源于眾多船舶隨時(shí)隨地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)中，任何微小的數(shù)據(jù)都可能產(chǎn)生不可思議的價(jià)值。大數(shù)據(jù)有4個(gè)特點(diǎn)，為別為：大量、多樣、高速、價(jià)值。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，每個(gè)行業(yè)都會(huì)享受到大數(shù)據(jù)所帶來(lái)的便利。因此，大數(shù)據(jù)運(yùn)用于各大傳統(tǒng)行業(yè)是整個(gè)社會(huì)前進(jìn)發(fā)展的方向，面對(duì)發(fā)展和完善的信息化建設(shè)，大數(shù)據(jù)聚合成為常態(tài)亦是一種趨勢(shì)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)協(xié)助解決傳統(tǒng)技術(shù)克服不了的問題，從而推動(dòng)各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2.導(dǎo)航大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析與信息采集

在港內(nèi)操縱船舶時(shí)，導(dǎo)航大數(shù)據(jù)能夠通過人工智能，提前規(guī)劃出最優(yōu)的進(jìn)出港航路，通過GPS的數(shù)據(jù)得到相關(guān)類型船舶進(jìn)出港的航行軌跡，并加以計(jì)算，同時(shí)能夠計(jì)算出預(yù)防碰撞的核心操縱方式，最終得出進(jìn)出港操縱的最佳綜合方案。

（1）通過高速運(yùn)算、模仿學(xué)習(xí)等先進(jìn)的人工智能可以編制船舶進(jìn)出港的最佳航路，高度適應(yīng)當(dāng)時(shí)環(huán)境的各種安全要求，并確保船舶進(jìn)出港航路設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)，它對(duì)海圖電子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、助航設(shè)施的穩(wěn)定性也提出了更高的要求，很多港口在這方面是一個(gè)季度更新一次數(shù)據(jù)的。

（2）在信息數(shù)據(jù)方面，我們必須把與船舶動(dòng)態(tài)和航行安全息息相關(guān)的重要航行數(shù)據(jù)詳細(xì)采集。這些資料的大數(shù)據(jù)都可以在相關(guān)儀器的電子設(shè)備中實(shí)時(shí)獲得，通過人工智能的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)船機(jī)互動(dòng)、實(shí)時(shí)控制，確保船舶始終按照預(yù)設(shè)的航路穩(wěn)定的進(jìn)行操縱。在定位系統(tǒng)中，人工智能及時(shí)獲取船舶的基本位置，核對(duì)航向、航速，避免偏離航路，并在整個(gè)進(jìn)出港的過程中記錄航行軌跡數(shù)據(jù)，校對(duì)航線偏差，統(tǒng)計(jì)進(jìn)大數(shù)據(jù)庫(kù)，以便下一次更好更合理細(xì)致的規(guī)劃航路。

（3）在預(yù)防防撞的核心功能系統(tǒng)中，通過雷達(dá)數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、ECDIS數(shù)據(jù)及時(shí)獲取船舶周圍其他船舶的位置信息和附近環(huán)境的相關(guān)信息，通過人工智能的大數(shù)據(jù)，做出避免碰撞的相應(yīng)分析，再檢查核對(duì)，得出對(duì)船舶安全的影響最小最完善的避碰操縱方案。

（4）在綜合操縱管理系統(tǒng)中，將自動(dòng)接收的船舶航行駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的優(yōu)化整理，高度運(yùn)算分析，并結(jié)合船舶通訊系統(tǒng)里的內(nèi)容，制定出最佳的操縱方案。這樣可以將碰撞危險(xiǎn)降到最低，提高船舶在港內(nèi)操縱的安全性，保證操縱方案的穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)決策的相關(guān)信息傳輸?shù)酱翱刂频挠嘘P(guān)部門，更加完善港內(nèi)操縱船舶的大數(shù)據(jù)。這些大數(shù)據(jù)的應(yīng)用為船舶在港內(nèi)的操作提供更多更有效的方案，也為船舶更加安全的運(yùn)行提供更多更好的有利條件。

圖1 大數(shù)據(jù)信息集成平臺(tái)

圖2 大數(shù)據(jù)的信息采集設(shè)備

3.導(dǎo)航大數(shù)據(jù)的操縱應(yīng)用

3.1 操縱大數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

船舶在港內(nèi)操縱時(shí)，由于船舶所處的平面和大多數(shù)障礙物所處的平面都位于同一海平面上，它們之間的數(shù)據(jù)差異就是一個(gè)二維空間，因此處于范圍可控的比例之中。這樣我們就可以使用專業(yè)的函數(shù)來(lái)模擬船舶數(shù)據(jù)以及可能影響船舶安全的其它物體數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的物體具有高精度高數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，固定不動(dòng)的物體具有高精度低數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型。這樣就把整個(gè)平面模擬成基于數(shù)學(xué)公式的一種大數(shù)據(jù)。那么采集的數(shù)據(jù)會(huì)變得相當(dāng)精準(zhǔn)，運(yùn)算也會(huì)變得更加精細(xì)，自然得出的數(shù)據(jù)就會(huì)變得更加準(zhǔn)確。在很多科研項(xiàng)目中，這種高精度的大數(shù)據(jù)算法經(jīng)常用于人工智能機(jī)器人的復(fù)雜障礙避讓運(yùn)動(dòng)中。

3.2 模擬決策模型

針對(duì)港內(nèi)操縱的決策模型，基于計(jì)算機(jī)邏輯的方法進(jìn)行人工智能網(wǎng)絡(luò)的自我學(xué)習(xí)，建立一種動(dòng)態(tài)模擬船舶域模型。經(jīng)過研究，考慮到人、機(jī)、環(huán)、管因素的影響，建立了統(tǒng)一的領(lǐng)域模型。環(huán)境因子子模型的構(gòu)建只適用于兩個(gè)物體之間的避碰，必須對(duì)它進(jìn)行改良和優(yōu)化，基于“模擬視覺”的避碰智能決策模型依賴于模擬邏輯的并行多決策模塊，將決策適用于連續(xù)避碰的操作。模擬邏輯和 ARPA雷達(dá)數(shù)據(jù)、AIS訊號(hào)數(shù)據(jù)形成一個(gè)確保最優(yōu)避讓操作結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)模型。這一整套復(fù)雜的模擬決策系統(tǒng)模型為單船提供可靠有效的智能防撞決策保障。

3.3 大數(shù)據(jù)在操縱應(yīng)用中的要求

大數(shù)據(jù)港內(nèi)操縱航行系統(tǒng)由綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、開闊水域和狹窄水道自動(dòng)避碰系統(tǒng)、航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)、惡劣天氣航行系統(tǒng)、應(yīng)急事態(tài)處理系統(tǒng)、靠離泊控制系統(tǒng)等組成。

操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置，應(yīng)在系統(tǒng)出現(xiàn)單一故障（僅適用活動(dòng)部件，不包括單艙失火或水線以下單艙進(jìn)水的情況）的情況下，仍能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的操縱航行功能。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)滿足MSC.252(83)決議修正的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）性能標(biāo)準(zhǔn)要求。自動(dòng)避碰系統(tǒng)的避碰決策和避碰操作應(yīng)能滿足“國(guó)際海上避碰規(guī)則”要求。惡劣天氣航行系統(tǒng)應(yīng)能使得船舶在黑夜、暴雨、大霧等惡劣天氣環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)自主航行。應(yīng)急事態(tài)處理系統(tǒng)應(yīng)能使船舶自主航行功能受損時(shí)，進(jìn)入故障安全模式。

4.結(jié)論與展望

在大數(shù)據(jù)和人工智能的實(shí)踐運(yùn)用中，一些專業(yè)的智能船舶制造企業(yè)更早地把它們應(yīng)用于船舶航行操縱的測(cè)試。大數(shù)據(jù)的重中之重是完成“防撞知識(shí)庫(kù)"，并考慮現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中環(huán)境和突發(fā)情況對(duì)船舶安全的影響，在測(cè)試和實(shí)踐中不斷改進(jìn)算法，可以更準(zhǔn)確地優(yōu)化碰撞避碰決策，參考數(shù)據(jù)的選擇非常重要，通信和協(xié)調(diào)也必不可少，只有把他們?nèi)烤C合在一起才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能避碰。