船舶智能决策关键技术实现方案研究

周丹　张宝晨　文捷　耿雄飞

摘 要：为研究船舶智能航行关键技术智能决策实现过程方案，对智能决策的实现过程进行分析，并对智能决策过程中的关键问题确定航线智能规划目标、建立航线规划模型、确定避碰决策目标、碰撞危险度等进行了分析，提出智能决策实现过程方案。

关键词：智能决策;航线智能规划;智能避碰

中图分类号：U675.7            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）10-0047-02

近年来通信、感知、人工智能、自动化、船联网、计算机、大数据等技术的快速发展为智能船舶的发展提供了有利的工具，智能船舶应运而生。

船舶智能决策是智能船舶的核心[1-2]，船舶智能决策是在对与船舶航行有关的环境、交通、航线、组织管理、航行状态等信息进行获取、处理、分析，做出行动决策的过程。同时进行航行监测，不断进行信息更新、分析、决策，自主航行。

1船舶智能决策关键技术研究现状

船舶智能决策关键技术中船舶智能避碰一直是研究的热点的与难点。船舶智能避碰是建立在人们对船舶避碰过程中一系列的行为特征进行研究[3-4]的基础上并应用而产生的船舶自动避碰系统与智能避碰。早起的自动避碰系统包括咨询式避碰专家系统，能够实时推荐避碰决策方案，以供驾驶人员进行参考全自动避碰决策系统;全自动式船舶避碰决策系统，它能够自动给出避碰决策，并能自动控制船舶的车和舵;智能驾驶决策辅助系统，是一种智能驾驶决策辅助系统。近年来，近些年来，学者们能够完整的论述船舶自动避碰系统，在密集水域和开放水域都试用了智能辅助船舶自动避碰技术[5]，在集成避碰系统方面也逐渐成熟，得到了较好的效果。

船舶智能决策的另一关键技术航线规划，目前，航线规划方法主要分为三种类型。基于事例的学习规划方法， 这类方法的基本原理是依靠过去的经验进行学习及问题的求解，通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得行动方案。基于环境模型的规划方法，通常将现实世界抽象为网络/图和网格两种环境模型，然后采用图搜索算法在起始港和目的港之间寻找最优航线。基于行为的航线规划方法，将包容式结构中建立的基于行为的规划方法应用于航线规划是一种新的发展趋势。

已有的船舶智能避碰与航线规划均为针对避碰与航线规划单过程的智能系统，而非针对船舶智能航行系统的智能决策，若船舶实现航行智能自主将与单智能避碰与单航线规划不同，本文对船舶智能决策关键技术船舶智能避碰与航线智能规划进行分析，提出船舶智能决策关键问题与实现过程方案。

2 智能决策

船舶航行智能决策对船舶航行感知的不同信息，进行大数据处理、计算机分析，以船舶、交通研究的各项理论、智能决策理论与技术为基础，对船舶航行行为进行智能决策和规划。船舶智能决策主要包括船舶航线智能规划、船舶智能避碰两部分。

2.1航线智能规划

航线智能规划是对船舶从起始港到目的港的路线智能规划设计，其目标是选择最优航行路径实现路径最短、时间最优、安全性最好、能源消耗最小等。

实现航线智能规划，首先，需对影响船舶航线规划的不同因素条件进行智能感知，包括环境条件、气象条件、交通条件、货物条件、船舶条件、航行任务要求等。其次，实现航线智能规划需对影响确定优化目标的因素进行感知，并智能确定优化目标，在不同的条件下，目标的选择不同，目标的优先级也不同。船舶航行智能规划不同目标之间存在相互博弈，需根据具体情况而定。船舶航线优化问题可抽象为带有复杂约束条件的多目标动态优化问题，通过构建船舶航线优化响应模型，并进行求解，得到优化算法，实现航线的动态优化。船舶航线智能规划过程如图1所示。

船舶航线智能规划分为全局航线智能规划和局部航线智能规划。航行前在对某些航行环境等条件未知，航线规划的基本思路是首先粗略地规划出从起始港到目的港的全局计划航线，在航行的过程中不断通过AIS、VTS、雷达等各种传感器获取和更新海域环境信息、交通信息等，并在此基础上在线重新规划到目的港的全局航线和从当前位置到周围一定范围内的局部航线优化航线。全局航线规划以整个航行过程为对象，主要考虑与全局航行相关的条件因素，而局部航线规划则重点以局部的航迹、位置、船舶行为和时间规划为主要对象，受船舶周围条件因素的影响。

2.2船舶智能避碰

船舶智能避碰是船舶智能航行的核心关键问题也是难点问题。船舶智能避碰可分为两类，一类为船舶智能避让礁石、浅水区域或其他静态碍航物等，另一类为船舶之间的避碰。其中第一类，船舶智能避碰可依赖于船舶自动导航系统进行航线智能规划实现;第二类则主要依靠船舶智能避碰决策系统，以下主要针对船船间智能避碰进行论述。

传统的船舶驾驶员避碰决策过程主要以驾驶员的经验为主，海上避碰规则对避碰行为的规定也仅为避碰行为需满足“早大宽”。驾驶员根据经验对与他船之间的会遇进行分析，采取避碰措施。船舶智能避碰需對本船与他船会遇，会遇避碰场景，最近会遇距离，碰撞危险度，两船相互之间应保持的最近通过距离，采取避碰决策的时间与转向幅度等进行分析判断决策。

船舶智能避碰须依赖船舶航线智能规划，通过航线智能规划能够更早的对碰撞危险进行判断与预测，从而更加有利于船舶对避碰/复杂避碰更早的做出避碰决策方案。若实际避碰过程中仍可能发生碰撞危险或紧迫危险的局面，则驾驶员对避碰行动进行调整，或采取连续的避碰措施。船舶智能航行的避碰过程为：

（1）根据船舶的局部航线规划预测船舶未来航迹。

（2）监测并预测本船与他船在不同时刻的会遇情况。

（3）若会遇，则判断碰撞局面、会遇局面与最近通过距离（DCPA）。

（4）若碰撞局面為非复杂避碰，则可对船舶实际航迹进行监测，判断会遇局面，确定DCPA;若碰撞局面为复杂碰撞，例如多船会遇，复杂交通等，则需根据航迹规划的预测航迹，根据避碰局面，做出避碰决策，及早大幅度避让。

（5）确定到达最近通过距离点的距离与时间（TCPA）。

（6）确定碰撞危险度。

（7）确定某危险度下的船舶领域。

（8）根据碰撞危险度选择采取避碰行动的时间，并根据确定的船舶领域，确定能够安全避让的避碰幅度。

（9）实际避碰过程中发生碰撞危险或紧迫危险的局面，则应对避碰行动进行调整。

其中碰撞危险度、船舶领域、采取避碰行动的时间、避碰行动与幅度等的选择需考虑船舶智能航行决策在时间、操作精度等上与驾驶员操作的差异。

3 结语

船舶航线智能规划、智能避碰是智能船舶的关键技术，目前技术的研发还处于起步阶段。本文提出了船舶航线智能规划与智能避碰的实现过程方案，还需进一步的深入研究，尤其是船舶智能避碰决策目前还存在理论与技术上需要突破的难题。

参考文献：

[1]严新平，柳晨光. 智能航运系统的发展现状与趋势[J].智能系统学报，2016，11（6）：807-817.

[2]高宗江，张英俊，孙培廷等.无人驾驶船舶研究综述[J].大连海事大学学报，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.