船舶智能決策關鍵技術實現方案研究

周丹　張寶晨　文捷　耿雄飛

摘 要：為研究船舶智能航行關鍵技術智能決策實現過程方案，對智能決策的實現過程進行分析，并對智能決策過程中的關鍵問題確定航線智能規劃目標、建立航線規劃模型、確定避碰決策目標、碰撞危險度等進行了分析，提出智能決策實現過程方案。

關鍵詞：智能決策;航線智能規劃;智能避碰

中圖分類號：U675.7? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0047-02

近年來通信、感知、人工智能、自動化、船聯網、計算機、大數據等技術的快速發展為智能船舶的發展提供了有利的工具，智能船舶應運而生。

船舶智能決策是智能船舶的核心[1-2]，船舶智能決策是在對與船舶航行有關的環境、交通、航線、組織管理、航行狀態等信息進行獲取、處理、分析，做出行動決策的過程。同時進行航行監測，不斷進行信息更新、分析、決策，自主航行。

1船舶智能決策關鍵技術研究現狀

船舶智能決策關鍵技術中船舶智能避碰一直是研究的熱點的與難點。船舶智能避碰是建立在人們對船舶避碰過程中一系列的行為特征進行研究[3-4]的基礎上并應用而產生的船舶自動避碰系統與智能避碰。早起的自動避碰系統包括咨詢式避碰專家系統，能夠實時推薦避碰決策方案，以供駕駛人員進行參考全自動避碰決策系統;全自動式船舶避碰決策系統，它能夠自動給出避碰決策，并能自動控制船舶的車和舵;智能駕駛決策輔助系統，是一種智能駕駛決策輔助系統。近年來，近些年來，學者們能夠完整的論述船舶自動避碰系統，在密集水域和開放水域都試用了智能輔助船舶自動避碰技術[5]，在集成避碰系統方面也逐漸成熟，得到了較好的效果。

船舶智能決策的另一關鍵技術航線規劃，目前，航線規劃方法主要分為三種類型。基于事例的學習規劃方法， 這類方法的基本原理是依靠過去的經驗進行學習及問題的求解，通過修改事例庫中與當前情況相似的舊的事例來獲得行動方案。基于環境模型的規劃方法，通常將現實世界抽象為網絡/圖和網格兩種環境模型，然后采用圖搜索算法在起始港和目的港之間尋找最優航線。基于行為的航線規劃方法，將包容式結構中建立的基于行為的規劃方法應用于航線規劃是一種新的發展趨勢。

已有的船舶智能避碰與航線規劃均為針對避碰與航線規劃單過程的智能系統，而非針對船舶智能航行系統的智能決策，若船舶實現航行智能自主將與單智能避碰與單航線規劃不同，本文對船舶智能決策關鍵技術船舶智能避碰與航線智能規劃進行分析，提出船舶智能決策關鍵問題與實現過程方案。

2 智能決策

船舶航行智能決策對船舶航行感知的不同信息，進行大數據處理、計算機分析，以船舶、交通研究的各項理論、智能決策理論與技術為基礎，對船舶航行行為進行智能決策和規劃。船舶智能決策主要包括船舶航線智能規劃、船舶智能避碰兩部分。

2.1航線智能規劃

航線智能規劃是對船舶從起始港到目的港的路線智能規劃設計，其目標是選擇最優航行路徑實現路徑最短、時間最優、安全性最好、能源消耗最小等。

實現航線智能規劃，首先，需對影響船舶航線規劃的不同因素條件進行智能感知，包括環境條件、氣象條件、交通條件、貨物條件、船舶條件、航行任務要求等。其次，實現航線智能規劃需對影響確定優化目標的因素進行感知，并智能確定優化目標，在不同的條件下，目標的選擇不同，目標的優先級也不同。船舶航行智能規劃不同目標之間存在相互博弈，需根據具體情況而定。船舶航線優化問題可抽象為帶有復雜約束條件的多目標動態優化問題，通過構建船舶航線優化響應模型，并進行求解，得到優化算法，實現航線的動態優化。船舶航線智能規劃過程如圖1所示。

船舶航線智能規劃分為全局航線智能規劃和局部航線智能規劃。航行前在對某些航行環境等條件未知，航線規劃的基本思路是首先粗略地規劃出從起始港到目的港的全局計劃航線，在航行的過程中不斷通過AIS、VTS、雷達等各種傳感器獲取和更新海域環境信息、交通信息等，并在此基礎上在線重新規劃到目的港的全局航線和從當前位置到周圍一定范圍內的局部航線優化航線。全局航線規劃以整個航行過程為對象，主要考慮與全局航行相關的條件因素，而局部航線規劃則重點以局部的航跡、位置、船舶行為和時間規劃為主要對象，受船舶周圍條件因素的影響。

2.2船舶智能避碰

船舶智能避碰是船舶智能航行的核心關鍵問題也是難點問題。船舶智能避碰可分為兩類，一類為船舶智能避讓礁石、淺水區域或其他靜態礙航物等，另一類為船舶之間的避碰。其中第一類，船舶智能避碰可依賴于船舶自動導航系統進行航線智能規劃實現;第二類則主要依靠船舶智能避碰決策系統，以下主要針對船船間智能避碰進行論述。

傳統的船舶駕駛員避碰決策過程主要以駕駛員的經驗為主，海上避碰規則對避碰行為的規定也僅為避碰行為需滿足“早大寬”。駕駛員根據經驗對與他船之間的會遇進行分析，采取避碰措施。船舶智能避碰需對本船與他船會遇，會遇避碰場景，最近會遇距離，碰撞危險度，兩船相互之間應保持的最近通過距離，采取避碰決策的時間與轉向幅度等進行分析判斷決策。

船舶智能避碰須依賴船舶航線智能規劃，通過航線智能規劃能夠更早的對碰撞危險進行判斷與預測，從而更加有利于船舶對避碰/復雜避碰更早的做出避碰決策方案。若實際避碰過程中仍可能發生碰撞危險或緊迫危險的局面，則駕駛員對避碰行動進行調整，或采取連續的避碰措施。船舶智能航行的避碰過程為：

（1）根據船舶的局部航線規劃預測船舶未來航跡。

（2）監測并預測本船與他船在不同時刻的會遇情況。

（3）若會遇，則判斷碰撞局面、會遇局面與最近通過距離（DCPA）。

（4）若碰撞局面為非復雜避碰，則可對船舶實際航跡進行監測，判斷會遇局面，確定DCPA;若碰撞局面為復雜碰撞，例如多船會遇，復雜交通等，則需根據航跡規劃的預測航跡，根據避碰局面，做出避碰決策，及早大幅度避讓。

（5）確定到達最近通過距離點的距離與時間（TCPA）。

（6）確定碰撞危險度。

（7）確定某危險度下的船舶領域。

（8）根據碰撞危險度選擇采取避碰行動的時間，并根據確定的船舶領域，確定能夠安全避讓的避碰幅度。

（9）實際避碰過程中發生碰撞危險或緊迫危險的局面，則應對避碰行動進行調整。

其中碰撞危險度、船舶領域、采取避碰行動的時間、避碰行動與幅度等的選擇需考慮船舶智能航行決策在時間、操作精度等上與駕駛員操作的差異。

3 結語

船舶航線智能規劃、智能避碰是智能船舶的關鍵技術，目前技術的研發還處于起步階段。本文提出了船舶航線智能規劃與智能避碰的實現過程方案，還需進一步的深入研究，尤其是船舶智能避碰決策目前還存在理論與技術上需要突破的難題。

參考文獻：

[1]嚴新平，柳晨光. 智能航運系統的發展現狀與趨勢[J].智能系統學報，2016，11（6）：807-817.

[2]高宗江，張英俊，孫培廷等.無人駕駛船舶研究綜述[J].大連海事大學學報，2017，43（2）：2-7.

[3]P.V.Davis， M.J.Dove， C.T.Stockel. A computer simulation of marine traffic using domains and arenas [J].The Journal of Navigation， 1980， 33（2）： 215-222

[4]Wang， Y. Y.. An Empirically-Calibrated Ship Domain as a Safety Criterion for Navigation in Confined Waters. The Journal of Navigation， 2016，69， 257-276 .

[5]M.D.Nguyen，V.T.Nguyen and H.Tamaru，Automatic Collision Avoiding Support System for Ships in Congested Waters and at Open Sea[J].International conference on Control， Automation and Information Sciences， 2012， 5（6）：96-101.