船舶拟人智能避碰决策方法探究综述

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1、船舶拟人智能避碰决策方法探究综述　　摘要：回顾我校研发团队20年来在船舶自动避碰技术的研究历程，简要介绍了船舶拟人智能避碰决策（PIDVCA）方法，重点论述了《机器决策》的“拟人智能”特性，并借助船舶智能操控（SIHC）仿真平台，通过设计典型会遇态势加以验证。研究结果表明：基于PIDVCA方法的《机器决策》可以同时安全避让2～4个危险目标船，达到了预期的研究目标，最后指出PIDVCA方法尚存的问题及日后研究方向。关键词：PIDVCA机器决策SIHC仿真平台模拟实验0引言在航海技术高度发展的今天，船舶的碰撞、搁浅、

2、触礁事故仍时有发生。这些海事事故不仅造成了重大的人员伤亡与巨额的财产损失，而且对海洋生态环境构成了严重的威胁。国际海事组织的调查研究表明，有1980%以上的海事事故是由于人为因素直接或者间接造成，而解决人为因素导致的船舶碰撞事故的重要途径之一是实现船舶智能避碰决策自动化，因此研究具有多目标船智能避碰辅助决策支持功能的综合船桥系统，对减少或者避免海事事故发生有着重要的现实意义。国内外学者近二十年来基于专家系统原理、模糊数学、神经网络技术和多Agent技术等方法展开了广泛的研究，其研究成果对PIDVCA研究方法颇有启

3、发和帮助。本文针对从事船舶避碰决策研究的专家学者及船舶驾驶员关注的问题——如何确保机器自动提供合理有效的避碰决策，亦即如何确保《机器决策》具有“拟人智能”的特性，基于前期研究成果进一步凝练出PIDVCA的机器实施办法，使专家学者及船舶驾驶员能进一步认识和认可基于PIDVCA方法的《机器决策》，促使研究成果能尽快得到实际应用，使我国自主开发的综合船桥系统及关键设备的多目标船智能避碰辅助决策技术取得源头创新，并达到世界先进水平。1回顾20年的研究历程在国家和福建省自然科学基金等项目资助下，近20年来经历了研究方法探索

4、、PIDVCA方法论证与算法仿真验证及其应用研究以及系统软件开发三个阶段。1.1研究方法探索期（1996年以前）19上世纪90年代初，在陈聪贵教授引导下，研发团队开始涉足船舶自动避碰研究领域。受我国船舶自动避碰研究领域开拓者吴兆麟教授在海上避碰行动量化分析[1]的启发，针对船用雷达的ARPA功能只能进行危险判断而不能自动决策以及危险判据科学性存在的局限性，从平面解析几何分析入手，通过构建目标运动要素计算模型以及安全会遇距离（SDA）和紧迫局面距离、最晚施舵时机（Tln）以及避碰决策实施方案量化模型，基于雷达避碰示

5、意图提供的避碰方法构建目标会遇局面划分模型及分类算法，运用C语言编程，初步实现了雾航开阔水域船舶避碰决策自动生成及自动避碰过程监控的单机简单仿真实验。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，实现单机的简单仿真。实验结果显示有部分成功避让的例子，但仿真结果部分态势存在无解等问题，离当时提出对12海里内的会遇目标（最多20个）自动提供安全避碰决策的研究目标距离较大，曾一度陷入困境和迷茫中……1.2研究方法形成期（1996～2006）通过进一步研究，分析了研究初期存在问题的原因：一是避碰数学模型

6、的单一性难以适应目标交会特征的多样性；二是时间搜索决策算法的单一性难以实现对海员通常做法及优良船艺的模拟；三是研究目标定位过高，既不切合实际，也加大了研究的难度。随后结合上世纪90年代期间研究者以19“雷达观测与ARPA实操训练”指导教师的身份参加航海雷达模拟器培训的教学实践，从受训学员中经验丰富的船长及高级驾驶员（以下简称优秀船员）的避让操船方法，进一步领会了多船会遇态势下海员的通常做法及优秀船员的优良船艺，并从典型的多船会遇避碰示例得到凝练。针对研究初期存在的问题，将人工智能的思想方法应用于总结梳理研究初期的

7、船舶自动避碰方法[2，3]，提出了研究智能避碰决策自动化的策略是“拟人智能”的设计理念[4]，并对研发团队在上世纪90年代年研究成果作了总结[5]。为了更逼真地模拟海上的实际环境，2001年协同大连海事大学航海技术研究所，基于船舶操纵模拟器和电子海图技术联合创建了航行安全与自动避碰（NSACA）仿真测试平台，通过模拟实验，进一步对避碰模型及算法的适应性和稳定性问题进行改进、优化和完善。这一阶段获得了2项学校科研基金和2项省自然科学基金项目的资助，研究工作取得丰硕成果，发表了【2】～【5】等二十多篇文章，逐步形成了

8、船舶拟人智能避碰决策（PIDVCA）方法；创建了先进的NSACA仿真测试平台，开展了大量的仿真实验，从实验中发现已建数学模型仍还有缺陷，设计的算法尚不完备，同时发现了目标交会特征的内在规律对模型及算法产生的影响。1.3研究方法论证与应用系统开发阶段192007年以来，利用国家自然科学基金项目“船用智能避碰导航仪的机理及其仿真研究”的契机，围绕实现“拟人智能”的理念和目标，