基于規則的船舶智能避碰決策關鍵技術分析

孫健

（上海港引航站，上海 200080）

0 引言

考慮船舶操縱性影響以及變速避碰決策要求，本文引入了優化決策概念。將船舶航行的規則要求、安全性要求、指標建設要求等以適應度函數為核心，將非線性規劃技術融入算法，對小角度交叉以及避讓決策算法有效性進行分析，建立以DCPA 為基礎的復航時機判斷方法，以滿足安全性要求。通過確定船舶操作的最佳位置以及時機，使決策模型具有針對性以及實效性。

該方法可以保障船舶智能避碰決策系統具有自主分析、自主判斷的功能，更可以實現船舶間的共同協作，減少以往決策方案的盲目性、對抗性問題，具有智能化優勢以及應用價值。

1 船舶運動數學模型

1.1 運動坐標系

船舶運動數學模型是研究避碰決策技術的關鍵，其擁有仿真控制以及智能控制的優勢。在應用中要結合水動力模型以及響應性模型兩大方向，考慮操縱性、模擬開發、自動避碰等方面的因素。如通過多樣性的角度，將采集到的數據用于船體流體力學以及力矩展開研究[1]。按照已知的物理定義以及流體動力，分析船體螺旋槳以及船舵的力矩數據，保障彼此之間有效融合。響應性模型描述了系統輸入與輸出之間的動態關系，在不同態勢下，船舶有可能出現轉向或變速等形式，而從仿真角度分析，基于分離模型的響應速度，可以對船舶在避碰中的動態特性變化實現考量，完成參數計算。提供定量基礎，船舶運動坐標系可以通過六大維度進行描述，包含前進維度、橫移維度、起伏維度、橫搖維度、縱搖維度以及坐標軸維度。通過建立慣性坐標系，對船舶在日常行駛中的狀態向量進行研究[2]。例如，船舶在行駛時，必然會朝向某一方向，而這種狀態向量可以通過“Z 軸”的形式進行描述。將其定義為隨船坐標系，取坐標原點為O 點。O點位于船舶中心或重心位置，A 點對應的X 軸則指向船首方向，而Y 軸則指向船右舷方向，Z 軸則指向船自身的龍骨方向。結合船舶在行駛中的避碰決策，以保障船舶在水體的平面運動效果。為了降低船舶在運動過程中建立數學模型的復雜程度，可簡化已有的船舶運動方式。考慮前行、橫移等各種角度的運動要求，可利用船舶正橫方向速度以及船舶重心固定坐標系統。基于牛頓第二定律以及動量矩定理，船舶在常數深水區域模型中的平面運動方程式如式（1）～（3）所示。

式（1）～（3）中：m 表示船舶整體的質量；m 可分為mx、my，分別表示船舶的坐標軸附加質量；而X、Y 則表示船舶在行駛過程中作用于船體自身的力度；h、p、r 三大等級值分別表示船體自身、螺旋槳以及船舵；u和v 表示加速度和速度。

1.2 分離型數學模型

分離型數學模型涉及環節較多，可以按照常規的物理運作模式，將作用于船體中的流體動力以及力矩分解為不同的數據，以便彼此之間進行參照、分析，保障研究結果具有參考價值。該模型通過研究改進，在20 世紀80 年代末已經成為船舶運動數學模型的研究基礎。根據船舶在避碰決策中是否處于前進航行狀態進行分析，如果處于前進航行狀態，則需要對船舶下移工作范圍以及船舶行駛工況進行研究。考慮螺旋槳輸出的推力以及轉距，結合結構參數、環境因素、操縱工況，按照一定比例，將其置于水池中進行實驗，并將獲得的螺旋槳推力實驗結果進行換算，采取分析方法，保證螺旋槳的推力以及轉矩符合已有要求[3]。

在數學模型建立中，要考慮螺旋槳的工作特性，而且曲線自變量取值的范圍不宜過大。要結合螺旋槳的動態仿真研究，重新完成定義比對。考慮推力系數以及轉機系數等宏觀參數，將取值范圍界定于有限范圍內。螺旋槳在工作中，自身的特性曲線在不同類型之間的差異不大，因此，僅通過單純的數據實驗，便可得知不同螺旋槳工作的解析表達方法[4]。在螺旋槳與船體的相互作用下，二者之間產生的速度以及壓力區別等有可能存在互相干擾的問題。考慮二者作為整體研究的復雜性，分別對螺旋槳以及船體在對方影響流場中的工作特點進行研究。在半流系數中，存在水流以及速度隨船體運動的現象，這種隨船體運動的水流被稱為半流模式。

由于螺旋槳實際產生的推力與傳統船舶運動存在明顯差別，故應在泰勒公式的基礎上，考慮傳輸變化對半流系數的影響。結合推力減額系數，可以分析抽吸作用。增大船槳前方水流速度，整個抽吸區域內的壓力自然降低，而水壓不變，就會引起船體阻力增加。螺旋槳對船體產生的干涉流體動力被稱為阻力增額或推力減額，采用推力減額系數，考慮船速變化對于推力減額系數的綜合影響[5]。

2 基于規則的船舶智能避碰決策

2.1 遺傳算法

考慮到全局的優化問題，可以利用電子計算機模擬智能決策系統，并通過提取船舶在行駛過程中避碰決策的關鍵數據值建設研究框架。遺傳算法從本質上分析，是一種高效可行的全局優化方法，能夠在基于規則的船舶智能避碰系統中發揮關鍵優勢。例如，其具備以下幾項特征。

第一，能夠對已有的問題進行廣泛性考量，對問題參數編碼進行設計，保障其符合結構對象的操作要求。

第二，群體性有參考特征，采用點對點的方式進行搜索，保障處理搜索空間以及概率變遷方法朝更優化的方向邁進。通過獲取明確的全局搜索能力，避免出現模糊算法[6]。

第三，不借助任何外界輔助信息，將優化問題編碼解決后，可以建立適應度函數以及遺傳算法的種族優化，保障目標函數的連續性以及微觀性。

因此，在數據模型、自動駕駛、生物技術等領域，遺傳算法有高度的應用優勢。遺傳算法的概念是在遺傳學基礎上形成的，其考慮了個體、種群基因與染色體編碼、二進制編碼、浮點數編碼等特點。基于待求問題優化指標，建立適應度評價標準，可以提高現有方法的搜索能力，將變量范圍內的目標函數轉化為對應搜索區域內的適應度函數。但應注意此算法需要滿足概率要求，且有可能出現函數分布值過大而影響算法性能的問題。將基于規則的船舶智能避碰決策系統以目標函數界限值估量，在期望選擇策略以及最優保存策略中，該種遺傳算法的計算特征將被優化，實現多點交叉以及均勻交叉的能力。標準遺傳算法為船舶智能避碰系統提供了優良的解決路徑，便于執行個體操作，其通過將通用的編碼技術和簡單的遺傳操作方法等進行改進，奠定了后續的理論推進基礎[7]。

2.2 船舶避碰動態系統數學模型

在船舶避碰動態系統數學模型建設中，建立合理的避讓方案，考慮船舶避讓效果的影響，可以將船舶避碰動態系統數學模型以及控制算法融入整個運算決策中。例如，所有算法的輸出方案都要通過船舶運動控制器執行，要考慮在運作過程中船舶的碰撞危險，并對已知效果進行判斷。該算法可以對每一艘船舶的位置、航線速度等進行評估，并依據后期的適應度函數，對已知方案進行計算[8]。

在幾何模型的參考等級中，通過平面幾何的方法，求取方位角、橫向交角。按照決策的實質性，描述船舶碰撞的全過程，并將這些船舶碰撞參數作為傳播決策依據的執行方向，保障決策模型的精度以及可靠性。在轉向避讓策略中，為了檢驗其回旋性能，要基于樣本操作數據完成仿真實驗，無論在近距、橫距或是懸回直徑上都較為相似，滿足了船舶避碰操縱裝置對于性能的要求。打造速度非線性響應模型，轉向100°，在PAD 控制器下不同的動態特性曲線有著顯著變化。結合仿真工具，該系統包含了數字系統、推力計算系統、船舶阻力系統以及半流數字結合系統等。

在船舶操縱項對船舶避碰參數的仿真測試中，要考慮對遇局面。例如，兩艘船舶在對應的初始階段，其航速、航線角度分別為13kn、0°。目標船的初始速度以及航線角度將隨著航行距離的變化而變化，要基于避讓行動方式，辨別該模型在建設中二者相遇左旋、右旋的行駛比例，以避免出現碰撞。假設兩艘船舶之間的動態避讓參數以及角度為自變量，可以采用仿真算法[9]，預估DCPA 值三條曲線變化分別為10.2%、13.6%以及17.0%。假設兩船初始航線角度分別為1°至60°，就可以通過傳統幾何算法，對船舶仿真過程中的實際DCPA、TCPA 以及預估DCPA、TCPA進行計算。

而在大小度交叉相遇局面中，兩船在相遇的初始階段，其初始速度、航線角度分別為13.6kn、0°，要結合船舶避碰模型以及避讓行動完成判斷。在兩船構成大角度交叉相遇局面時，可以采取右轉向或減速方式，使他船先行通過，避免出現碰撞。通過兩大案例研究，可以表明無論是采用轉向或是變速避讓的方法，船舶操縱性對于兩船之間的避讓效果都有著直接影響，即轉向角度以及主機轉速、降速程度呈正向關聯，隨船舶轉向角度的改變，主機轉速的降速程度增大。

2.3 混合遺傳算法船舶轉向決策方法

考慮傳統的多種族協同優化標準，勻稱算法最終的優化成果主要由交叉算子以及變異算子決定。作為產生新個體的主要方法，決定了算法的全局優化能力。在實際應用參數中，若設置不合理，極有可能出現早收斂現象，使優化方案的執行受到干擾。為了保障遺傳算法的合理性、船舶避碰決策模型的魯棒性以及穩定性，通過多種協同進化的方式，對船舶避碰路徑進行算法優化，包含個體編碼、種群初始化適應度、評價遺傳操縱等多項步驟，以維持種群多樣性。該遺傳算法采用了相同的進化策略以及遺傳算子，對不同的搜索空間中多個種群執行進化操作。不同種群的控制參數取值不同，按照一定的遷移率，采用不同種群中染色體間的遺傳信息交互方法，使其邁向更優方向。

例如，通過何種方式實現種群間的信息交換，是多重算法的核心問題，更是決策的核心問題。標準遺傳算法中，交叉概率以及變異概率參數組合設定將直接影響最終的優化效果。多種算法中遺傳算子的變量范圍以及不同控制參數的組合不宜過大，可以建立移民算子，使其替換目標種群中的最差個體，達到信息交流的目的。建立人工算子，以某一凈化群體為主，選擇最優個體，通過人工選擇算子，實現最優個體之間的操作規定。而在算法終止條件中，利用進化種群在優化過程中的知識積累，減少不合理數據。在編碼技術中，通過二進制編碼方法，以船舶在不同轉向處的坐標作為決策變量執行，在編碼方式串長度以及搜索空間的制約下，最優算法的精度以及效率可以分別予以控制。將二維坐標轉換為一維坐標，設置A、B兩大垂直線段，各垂直線段之間具有明顯的數字對應關系。這種坐標編碼的前提是，要保證船舶在轉向過程中其動態特性變化能夠被認知且能通過實例操作，同時，要了解該操作性對于編碼方程的影響。

3 結語

綜上所述，通過收集文獻以及分析計算結果，在現階段的理論模型中歸納危險碰撞量化方法，按照已知的局面類型，保障整體研究方向有明顯的唯一性以及協調性特征，并通過敏感度分析方式，對局面構成要素進行精煉。必要的船舶動態模型計算研究應基于分離型數學模型以及響應型數學模型，實現動態位置的精準測試。由于存在船舶操縱性考慮不足的問題，因此需要在仿真實驗中對傳統的避碰幾何方法進行預估，以完成參數比較，為后續多個目標優化條件的可行性避碰路徑研究奠定基礎，通過構建目標函數，執行深度優化，最終達到保證船舶安全的目的。