基于规则的船舶智能避碰决策关键技术分析

于宏波 朱江江

（中国人民解放军91412部队，广东湛江 524002）

0.引言

避碰决策的迅速合理形成是保证船舶在会遇后依旧保持安全平稳航行的重要手段，相应决策模型与决策形成流程值得重点优化。

1.基于规则的船舶智能避碰决策的理论分析

1.1 智能避碰特点及其流程设计

智能避碰主要实现在同一海区内存在复数船只的条件下避碰，包括多船只之间碰撞危险的规避、两船只相互碰撞危险的规避等。在现行的《国际海上避碰规则》中，对于两船只会遇态势、所承担的责任进行了明确的设定，但是在多船只会遇方面仅仅提出了指导性意见。基于此，在多船只会遇问题的实际处理过程中，一般会将现行规则作为理论依据支持，按照其中的要求，辨识、判断相应规则中形成碰撞危险的多船只之间会遇态势，对目标船只可能做出的反应、本船只在此次会遇中所处现实位置展开综合性的分析，在此基础上形成更具可操作性以及科学合理性的避碰方案。

在本次智能避碰决策的设计中，主要执行以下流程：在信息感知单元，完成对本船只现阶段真实航行状态信息的感知、对附近目标船只的现实航行状态信息进行感知，并同时感知航行环境信息。在避碰决策规划单元，综合感知的信息内容，实施参数计算以及危险程度评价；对船只会遇态势落实精准划分，同时判断是否存在碰撞风险，如果判断不存在碰撞风险，则直接跳转至结束流程；如果判断存在碰撞风险，则立即启动协调避让机制（进入避碰方案确定单元）。在避碰方案确定单元，规划避让路径，并在避让后评价实际效果，引导船只复航，随后转入结束程序。

1.2 现行避碰方法及其问题

在当前的船舶避碰实践中，常用的决策方法主要有两种，即“避碰重点船”决策方法以及“分布式”决策方法，具体如下：第一，“避碰重点船”决策方法。在发生多船只避碰情况时，确定避让重点船只，并针对最危险的目标设定避碰方案；判断所形成的避碰方案是否会对其他船只造成威胁，如果是，则进行方案修正后再次转入判断程序；如果判断不会对其他船只造成威胁，则启动效果检查程序，并判断让请否，如否，则进行方案修正后再次转入判断程序；若是，则转入结束程序。第二，“分布式”决策方法。依托某种避让协调机制的建立，促使避碰决策细化为多个分阶段，并在所有分阶段中确定出路船、决策方案，完成避碰、保证船舶正常通行[1]。综合分析，现行避碰方法缺乏协同性，且存在着避让责任缺失的问题，难以确保在避碰过程中所有船只均安全行驶，因此需要落实进一步优化调整。

2.基于规则的船舶智能避碰决策的模型设计

2.1 协同学理论

在自然科学、社会科学的多领域中，协同学理论在当前已然得到了广泛应用，主要以宏观视角为切入点，研究系统由无序状态转变为有序状态的自组织过程。在初始阶段，系统的最初状态由所有子系统初始状态的叠加所决定，而受到各个子系统在长时间发展中所产生的相互作用、制约作用或是竞争的影响，系统的功能结构、空间状态、时间状态均对实现自组织演化，由此展现出系统的协同效应以及自组织特性，促使系统转入稳定状态，且在功能结构、空间状态、时间状态均有所更新。本次研究中，主要尝试使用协同学理论解决多船只的避碰问题，为船舶避碰决策的形成提供新思路。在协同学理论的指导下，可以从宏观角度入手，将所有系统视为多个子系统，在特定条件下，受到相同作用原理协同，各个子系统实现有序运动，从而构成一个新的、稳定性更强的系统[2]。实践中，设定某一海区的特定范围内存在船只数量为M，且这些船只能够形成一个交通系统，该海区范围内交通安全状况可以通过该系统状态向量进行反映。此时，该交通系统的状态向量可以使用如下表达式进行表示，即：

在该表达式中，该交通系统的状态向量使用q进行表达；该交通系统中船舶i的状态向量使用qi进行表达；船舶i的位置向量使用x进行表达。

2.2 排队论理论

排队在日常生活中极为常见，而任何一个排队系统均可以视为随机服务系统。根据应用领域的不同，排队系统也存在着一定的差异性，但是其基本构成表现出明显的相似水平。通常来说，排队系统主要包含着3个基本部分，包括服务机制、排队与排队规则、输入过程。

将排队论理论引入多船只避碰决策中具有极高的可行性，此时，可以设定排队系统为正在相互靠近的船只、正在作出避碰决策的船只、多船只避碰决策模型。其中，所有还没有生成碰撞危险依次等候的船只自然构成一个行列，而等待避碰决策生成的船只行列可以视为“排队”。基于排水系统的多船避碰决策模型中主要包含着三部分，即输入（聚）、服务机构以及输出（散）。在该模型中，输入（聚）主要代表着包含在该系统中船只的达到规律，依托构成多船只会遇的船只数量总数、达到方式（单个到达、成批达到）、相机达到时间的间隔分布（船只达到时间规律）这三项内容完成对船只达到该交通系统的规律作出表述。服务机构主要代表着所使用的碰撞决策系统，说明该排队系统中服务台数量、船只接受服务的形式。输出（散）主要代表着海区范围内船只的安全驶离。

2.3 多阶段避碰策略设计

结合前文的分析能够了解，当前所使用的船舶避碰决策方式存在着避让责任缺失的问题，基于此，需要依托避碰梯度的设置形成包含优先权的服务排队规则，促使服务对象由单艘船只拓展至一类船舶。这种多阶段避碰策略流程如下所示：对海区内处于会遇态势下的所有船只信息展开采集，确定两个优先集P1与P2中的船只对象；判断P1中包含船只的总体数量，如果判断数量为0，则作出保向保速决策；如果判断数量为1，则代表两船会遇；如果判断数量不低于2，则对第一优先级中船只的避碰路径协同优化；对避碰决策方案的有效性展开核实；实现船舶复航，再次返回确定两个优先集P1与P2中的船只对象这一步骤，直至会遇碰撞危机解除。

2.4 协同进化机制

前文对当前所使用的船舶避碰决策方式的分析还发现其中存在着缺乏协同性的问题，基于此，需要引入协同进化机制完善多船只避碰决策模型。在本次研究中，主要应用了多层编码多种群遗传算法完成船只避让决策模型。实践中，主要将单一的个体编码由单层细化为多层，针对所有层级中的编码对应第一优先级中一条船只的避碰决策方案；多船只避碰决策方案利用单个染色体进行整体性表达，以此体现出对船只避碰决策模型在船只数量方面限制的有效突破[3]。

依托多层编码遗传算法编码技术完成个体编码后，实施种群初始化，其限定条件具体如下：

随后，要搭建起适应度函数，区分种群中不同个体的优劣性，实现最优解的获取。在多船只避碰决策模型中，设定所有船只均实施单次转向，则依托航线航程、船只安全程度作为构建适应度函数的评价指标，则有：

其中，所有船只的运行轨迹坐标为（xji,yji）；第一优先级中船只的总数为N；船只之间的会遇距离最小值为De；船只路径长度为D；船只领域半径为Ds；权重系数为τ。

3.总结

现行避碰方法缺乏协同性，且存在着避让责任缺失的问题，难以确保在避碰过程中所有船只均安全行驶，因此需要落实进一步优化调整。通过融合协同学理论、排队论理论、多阶段避碰策略设计以及协同进化机制，能够形成一种基于规则的船舶智能避碰决策的模型，为多船舶避碰问题的高效决策处理提供了新思路。