船舶擬人智能避碰決策方法探究綜述

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1、船舶擬人智能避碰決策方法探究綜述　　摘要：回顧我校研發(fā)團(tuán)隊(duì)20年來在船舶自動(dòng)避碰技術(shù)的研究歷程，簡要介紹了船舶擬人智能避碰決策（PIDVCA）方法，重點(diǎn)論述了《機(jī)器決策》的“擬人智能”特性，并借助船舶智能操控（SIHC）仿真平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)典型會(huì)遇態(tài)勢加以驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：基于PIDVCA方法的《機(jī)器決策》可以同時(shí)安全避讓2～4個(gè)危險(xiǎn)目標(biāo)船，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，最后指出PIDVCA方法尚存的問題及日后研究方向。關(guān)鍵詞：PIDVCA機(jī)器決策SIHC仿真平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)0引言在航海技術(shù)高度發(fā)展的今天，船舶的碰撞、擱淺、

2、觸礁事故仍時(shí)有發(fā)生。這些海事事故不僅造成了重大的人員傷亡與巨額的財(cái)產(chǎn)損失，而且對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。國際海事組織的調(diào)查研究表明，有1980%以上的海事事故是由于人為因素直接或者間接造成，而解決人為因素導(dǎo)致的船舶碰撞事故的重要途徑之一是實(shí)現(xiàn)船舶智能避碰決策自動(dòng)化，因此研究具有多目標(biāo)船智能避碰輔助決策支持功能的綜合船橋系統(tǒng)，對(duì)減少或者避免海事事故發(fā)生有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外學(xué)者近二十年來基于專家系統(tǒng)原理、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多Agent技術(shù)等方法展開了廣泛的研究，其研究成果對(duì)PIDVCA研究方法頗有啟

3、發(fā)和幫助。本文針對(duì)從事船舶避碰決策研究的專家學(xué)者及船舶駕駛員關(guān)注的問題——如何確保機(jī)器自動(dòng)提供合理有效的避碰決策，亦即如何確?！稒C(jī)器決策》具有“擬人智能”的特性，基于前期研究成果進(jìn)一步凝練出PIDVCA的機(jī)器實(shí)施辦法，使專家學(xué)者及船舶駕駛員能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和認(rèn)可基于PIDVCA方法的《機(jī)器決策》，促使研究成果能盡快得到實(shí)際應(yīng)用，使我國自主開發(fā)的綜合船橋系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備的多目標(biāo)船智能避碰輔助決策技術(shù)取得源頭創(chuàng)新，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。1回顧20年的研究歷程在國家和福建省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助下，近20年來經(jīng)歷了研究方法探索

4、、PIDVCA方法論證與算法仿真驗(yàn)證及其應(yīng)用研究以及系統(tǒng)軟件開發(fā)三個(gè)階段。1.1研究方法探索期（1996年以前）19上世紀(jì)90年代初，在陳聰貴教授引導(dǎo)下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開始涉足船舶自動(dòng)避碰研究領(lǐng)域。受我國船舶自動(dòng)避碰研究領(lǐng)域開拓者吳兆麟教授在海上避碰行動(dòng)量化分析[1]的啟發(fā)，針對(duì)船用雷達(dá)的ARPA功能只能進(jìn)行危險(xiǎn)判斷而不能自動(dòng)決策以及危險(xiǎn)判據(jù)科學(xué)性存在的局限性，從平面解析幾何分析入手，通過構(gòu)建目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素計(jì)算模型以及安全會(huì)遇距離（SDA）和緊迫局面距離、最晚施舵時(shí)機(jī)（Tln）以及避碰決策實(shí)施方案量化模型，基于雷達(dá)避碰示

5、意圖提供的避碰方法構(gòu)建目標(biāo)會(huì)遇局面劃分模型及分類算法，運(yùn)用C語言編程，初步實(shí)現(xiàn)了霧航開闊水域船舶避碰決策自動(dòng)生成及自動(dòng)避碰過程監(jiān)控的單機(jī)簡單仿真實(shí)驗(yàn)。1996年以前研究初期的主要成效是形成研究思路、基本模型和算法，實(shí)現(xiàn)單機(jī)的簡單仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示有部分成功避讓的例子，但仿真結(jié)果部分態(tài)勢存在無解等問題，離當(dāng)時(shí)提出對(duì)12海里內(nèi)的會(huì)遇目標(biāo)（最多20個(gè)）自動(dòng)提供安全避碰決策的研究目標(biāo)距離較大，曾一度陷入困境和迷茫中……1.2研究方法形成期（1996～2006）通過進(jìn)一步研究，分析了研究初期存在問題的原因：一是避碰數(shù)學(xué)模型

6、的單一性難以適應(yīng)目標(biāo)交會(huì)特征的多樣性；二是時(shí)間搜索決策算法的單一性難以實(shí)現(xiàn)對(duì)海員通常做法及優(yōu)良船藝的模擬；三是研究目標(biāo)定位過高，既不切合實(shí)際，也加大了研究的難度。隨后結(jié)合上世紀(jì)90年代期間研究者以19“雷達(dá)觀測與ARPA實(shí)操訓(xùn)練”指導(dǎo)教師的身份參加航海雷達(dá)模擬器培訓(xùn)的教學(xué)實(shí)踐，從受訓(xùn)學(xué)員中經(jīng)驗(yàn)豐富的船長及高級(jí)駕駛員（以下簡稱優(yōu)秀船員）的避讓操船方法，進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)了多船會(huì)遇態(tài)勢下海員的通常做法及優(yōu)秀船員的優(yōu)良船藝，并從典型的多船會(huì)遇避碰示例得到凝練。針對(duì)研究初期存在的問題，將人工智能的思想方法應(yīng)用于總結(jié)梳理研究初期的

7、船舶自動(dòng)避碰方法[2，3]，提出了研究智能避碰決策自動(dòng)化的策略是“擬人智能”的設(shè)計(jì)理念[4]，并對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在上世紀(jì)90年代年研究成果作了總結(jié)[5]。為了更逼真地模擬海上的實(shí)際環(huán)境，2001年協(xié)同大連海事大學(xué)航海技術(shù)研究所，基于船舶操縱模擬器和電子海圖技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)建了航行安全與自動(dòng)避碰（NSACA）仿真測試平臺(tái)，通過模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)避碰模型及算法的適應(yīng)性和穩(wěn)定性問題進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化和完善。這一階段獲得了2項(xiàng)學(xué)校科研基金和2項(xiàng)省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，研究工作取得豐碩成果，發(fā)表了【2】～【5】等二十多篇文章，逐步形成了

8、船舶擬人智能避碰決策（PIDVCA）方法；創(chuàng)建了先進(jìn)的NSACA仿真測試平臺(tái)，開展了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)已建數(shù)學(xué)模型仍還有缺陷，設(shè)計(jì)的算法尚不完備，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)交會(huì)特征的內(nèi)在規(guī)律對(duì)模型及算法產(chǎn)生的影響。1.3研究方法論證與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)階段192007年以來，利用國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“船用智能避碰導(dǎo)航儀的機(jī)理及其仿真研究”的契機(jī)，圍繞實(shí)現(xiàn)“擬人智能”的理念和目標(biāo)，