（交通运输工程专业论文）在ais环境下的船舶避碰决策系统研究.pdf

占奎奎主銮耄工蛋鎏土主丝鲨茎 摘要 a i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，船舶自动识别系统) 是一种 可以传输大信息量、越障碍传输、抗天气影响、具有船岸、船船间信息 联网的能力和近距离目标显示的全球船载自动识别系统。它是由国际有关组织 如i m o 、i a l a 、i t u 、i e c 的共同努力，从1 9 9 2 年开始在国际海事会议上研 讨a i s 至今经过近十几年时间，才正式发布了a i s 的性能标准、技术特性、测 试标准、操作指南的决议。利用a i s 所提供的多种精确的可用于船舶避碰的数据 和信息环境，将a i s 提供的数据作为船舶避碰决策系统的信息环境来源，无疑在 目前甚至将来全球范围内的船舶避碰决策系统技术研究有着深远的意义。为了探 讨在较大范围内的船舶避碰决策技术的前提下，本论文进行了在a i s 环境下的船 舶避碰决策技术方案的研究。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据国内外的资料、发表的论文和国际海事组织的有关文件，对a i s 系 统的技术进行了归纳、整理。 ( 2 ) 分析a i s 数据对于雷达、a r p a 数据而言的优越性和a i s 数据的精度； 分析目前国内外船舶避碰决策系统的研究状况，指出长期困扰船舶避碰决策技术 发展的关键问题，从而提出了将a i s 技术应用到船舶避碰决策的设想。 ( 3 ) 确定影响船舶碰撞危险度的各因素的隶属度函数或曲线。分析了在 a i s 环境下的船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞危险度及其合成碰撞危险 度的适应于各种水域包括广阔水域、狭水道、交通繁忙水域的数学模型，以便于 确定避碰重点船。 ( 4 ) 分析避碰知识数据库的知识产生以及避碰知识库的建立。 ( 5 ) 在上述分析问题的基础上，根据船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞 危险度及其合成碰撞危险度的数学模型，实现了在a i s 环境下的船舶避碰决策相 关数据的具体算法。 关健词：a i s ，信息环境，船舶避碰，决策系统 a b s t r a c t a i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) i sa na u t o m a t i cr e c o g n i t i o n s y s t e ma m o n gt h es h i p s w h i c hc a nt r a n s m i tl a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o n ， e x c e e do b s t a c l et r a n s m i t ，r e s i s tw e a t h e rn o tt oi n f l u e n c e ，h a st h ea b i l i t y t h a ti n f o r m a t i o nn e t w o r k sa n dc l o s eq u a r t e ra c q u i s i t i o ns t a t eb e t w e e n s h i p sa n db a n k s h i p sa n do t h e rs h i p s i n t e r n a t i o n a lr e l e v a n t o r g a n i z a t i o n ss u c ha si m 0 ，u n d e rt h ej o i n te f f o r t so fi a l a ，i t u ，i e c ， d i s c u s s e da tt h ei n t e r n a t i o n a im a r i t i m ea 仟a i r sm e e t i n g a i sp a s sm o r e t h a n n e a r l y 10y e a r ss of a rs i n c e19 9 2 h a v ei u s ti s s u e dt h e p e r f o r m a n c es t a n d a r d ，t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa i s ，r e s o l u t i o no f t e s t i n gt h es t a n d a r d 。o p e r a t i o nm a n u a if o r m a l l y u t i l i z em a n yk i n d so f a c c u r a t ed a t u ma n dm e s s a g ee n v i r o n m e n to 仟e r e db ya i s ，w h i c hc a nb e u s e df o rs h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c e r e g a r dd a t ao f f e r e db ya i sa st h e i n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n t a is o u r c ef o rs h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c ed e c i s i o n s y s t e m ，u n d o u b t e d l y ，t h e r ea r ef a r - r e a c h i n gm e a n i n g sf o rg l o b a lr a n g e s h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c es y s t e m a t i ct e c h n i c a fr e s e a r c ho fd e c i s i o na t p r e s e n te v e nc o m e i no r d e rt op r o b ei n t oi tb a s eo nt h ep r e m i s et h a tt h e s h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c ed e c i s i o nt e c h n o l o g yi nb i g g e rr a n g e ，t h i sp a p e r c o m b i n e st h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n dc a r r i e do nt h es t u d y i n go f t e c h n o l o g i c a is c h e m eo fd e c i s i o no ft h es h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c eb a s e o na i sj n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n t m a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o i l o w i n g s e v e r a lr e s p e c t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt od o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a im a t e r i a l s p u b l i s h e d p a p e r a n dt h er e l e v a n td o c u m e n t so fi n t e r n a t i o n a lm a r i t i m e o r g a n i z a t i o n ，s u m su pa n dp u t st h et e c h n o l o g yo fa i ss y s t e mi no r d e r i n c l u d i n g a i si n t e r f a c es t a n d a r d ，d a t af o r m 。d a t a t y p e a n d a i s i n f o r m a t i o nn e t w o r ke t c f i n i s ht h er e a l t i m es h i p sd a t at ob ed r a w n 。 s t o r e d t r a n s m i t t e da n di d e n t i f i e d ( 2 ) a n a l y s et h es u p e r i o r i t ya st or a d a r a r p ad a t ao fa i sd a t aa n dt h e p r e c i s i o no fa i sd a t a ；a n a l y s et h er e s e a r c hs t a t eo fs h i p sc o l l i s i o n a v o i d a n c ed e c i s i o ns y s t e md o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ia tp r e s e n t p o i n t o u tt h ek e yp r o b l e mt h a tp e r p l e x e st h ed e v e l o p m e n to ft h ed e c i s i o n t e c h n o l o g yo fs h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c ef o ral o n gt i m e 。t h u sa p p l i e da i s t e c h n o l o g yt ot h ei m a g i n a t i o nt h a ts h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c ed e c i s i o n a f t e rp u t t i n gf o r w a r d ( 3 ) a n a l y s et h ea l g o r i t h mt h a ta p p l yt oi n c l u d i n gv a r i o u sk i n d so f w a t e ra r e a sw i d ew a t e ra r e a s ，n a r r o ws t a r t l a n e t r a 仟i ch e a v yw a t e r a r e a s w h i c hb a s e do na i si n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n tf o rs h i p sc o l l i s i o n a v o i d a n c eo nt i m ec o l l i s i o nd a n g e r o u sd e g r e ea n ds p a c ec o l l i s i o n d a n g e r o u sd e g r e ea n ds y n t h e s i z ec o l l i s i o nd a n g e r o u sd e g r e e ，c o n f i r m t h ek e ys h i po fc o l l i s i o na v o i d a n c e ( 4 ) a n a l y s et h ek n o w l e d g es o u r c eo fd a t a b a s eo fc o l l i s i o na v o i d a n c e k n o w l e d g ea n dh o ws e tu pt h er e p o s i t o r yo fc o l l i s i o na v o i d a n c e ( 5 ) d e s i g nt h es h i p sc o l l i s i o na v o i d a n c ee m u l a t i o ns y s t e mo fd e c i s i o n b a s e do na i si n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n to nt h ea b o v e m e n t i o n e d f o u n d a t i o n so fa n a l y s i n gt h eq u e s t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n o f f e r e db ym a r i t i m ea f f a i r so f f i c ev - i sc e n t r eo fg u a n g z h o u ，s u c ha s s h i p ss a i l i n gs t a t i cs t a t e ，d y n a m i cs t a t ee t c ，c a r r yo nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n to fe m u l a t i o n ，h a sm a d ev e r yg o o dr e s u l t ，h a v es t r o n g e r p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：a i s ，i n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h e s h i p s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，d e c i s i o ns y s t e m f a ns h a o y o n g ( m t e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs h ix i na n dc a o t a i nl i ny u r o n c j 论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成聚。论文中除了特剐 加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已经发表或撰写过的 硬究戏栗，不包含本人或其能用途饺用过豹成栗。其他弼志对本研究豹启 发所做的贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保骜、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文复印件，允许论文被鸯阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分 肉容，可以采蠲影印、缩印或者其他复制手段保存论文。像密的论文在解密后遵 守次规定。 作者签名：1 瓤导师签名：趋目期：堕二已! 山 圭鎏奎墨盔耋e 堡鎏- 占耋笔鲨銮 前言 随着船舶朝着大型化、高速化、专业化方向的迅速发展，以及船舶数 量与水域交通密度及化学品船、油船、l p g 船等专业化船舶的危险货物装 载量的不断增加，一旦发生碰撞事故，造成的人员伤亡、财产损失、海洋 和河流污染、海上资源及生态环境破坏等后果尤为严重。尽管i m o 和各国 主管当局在制定、实施船舶避碰规则，强制配备各种通信、导航设备，建 立港口v t s 和船舶报告制度等方面进行着不懈的努力，但船舶碰撞海事仍 屡屡发生。因此，如何防止海上船舶碰撞事故即船舶避碰决策研究也就成 为国内外航海学术界十分关注的前沿课题之一。近三十年来，国内外航海 界的专家、学者从避碰自动化、智能化的发展方向，致力于该领域的研究 和探索，取得了一定的成果，但在理论上尚不够系统、完善和成熟，从实 际应用上，实验室验证不够充分，实船试验更是少之又少。在人为因素被 证明是海损事故主要原因的现今，为了大幅度避免和减少在船舶交通日益 增大和交通形式日趋复杂情况下频发的碰撞事故，加强船舶避碰决策系统 研究是十分必要的。 人们在长期研究船舶航行安全保障技术中越来越深刻地认识到船一 船、船岸间相互交换信息及船舶识别的重要性，同时也深感到在船舶避 碰应用中相关的通信导航现状存在着诸多局限性。传统的船舶自动避碰系 统是依赖于船舶交通管理系统( v t s ) 建立的，而v t s 是基于岸基雷达为 基础获取信息。尽管现在的导航雷达、a r p a 在船舶避碰应用中起到重要 作用，但雷达提供的信息有限，其工作易受气象、海况和地形的影响，尤 其在恶劣的气象，海况下难以确保检测信息的可靠性，基于雷达目标信息 源的a r p a 及各种。避碰专家系统”因此缺乏坚实基础；a r p a 具有较强避 碰功能但不能识别目标船，其自动跟踪功能存在误跟踪和丢失率高、精度 与分辨率不高等局限性，越是需要a r p a 发挥避碰作用的狭水道、船舶密 度大以及气象、海况复杂、恶劣等环境下，a r p a 越显得无能为力，甚至 失去实用意义。 全球船载自动识别系统a i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 是在现代通信发展的基础上产生的一种信息量大、跨越障碍传输、抗天气 影响、具有船一岸、船一船间信息联网的能力和近距离目标实时显示的系 统。a i s 能够自动实时地在信息显示器上提供目标船的船名、船位、航向、 航速等各种静态、动态信息，基于a i s 信息的自动标绘功能，提供的两船 d c p a 、t cp a 等碰撞参数，不受气象，海况因素的影响，比a r p a 的自动 标绘更精确、更实时、更可靠。因此，在a i s 信息环境下而开发的自动避 立盆譬虿丝工监篮篮鐾登盗墓蚕筌娈耋 碰专家系统将提供从未有过的信息条件。为此，提出“在a i s 环境下的船 舶避碰决策系统研究”的课题，本课题作为海上交通管理系统v t s 的重要 组成部分，课题的研究将总结归纳前人研究成果，为下一步研究提供参考 方向；课题的研究有助于船舶自动避碰决策系统的研究起到开阔思路的作 用，减少或避免人为决策失误造成的碰撞事故；也为船舶自动避碰决策系 统的建立打下一定的理论基础，实现海上交通安全运输的智能化、船与船、 船与岸信息一体化和海上信息共享，以期达到保障船舶航行安全、提高航 运效率和保护海洋环境为目的。 2 第一章船舶避碰决策研究概况 随着船舶朝着大型化、高速化、专业化方向的迅速发展，以及船舶数 量与水域交通密度及化学品船、油船、l p g 船等专业化船的危险货物装 载量的不断增加，一旦发生碰撞事故，造成的人员伤亡、财产损失、海洋 和河流污染、海上资源及生态环境破坏等后果尤为严重。尽管i m o 和各 国主管当局在制定、实施船舶避碰规则，强制配备各种通信、导航设备， 建立港口v t s 和船舶报告制度等方面进行着不懈的努力，但船舶碰撞海 事仍屡屡发生。因此，如何防止海上船舶碰撞事故即船舶避碰决策研究也 就成为国内外航海学术界十分关注的前沿课题之一。近三十年来，国内外 航海界的专家、学者从避碰自动化、智能化的发展方向，致力于该领域的 研究和探索，取得了一定的成果，但在理论上尚不够系统、完善和成熟， 从实际应用上，实验室验证不够充分，实船试验更是少之又少。在人为因 素被证明是海损事故主要原因的现今，为了大幅度避免和减少在船舶交通 日益增大和交通形式日趋复杂情况下频发的碰撞事故，加强船舶避碰决策 系统研究是十分必要的。 t t 船舶避碰决策研究的重要性 1 1 1 船舶避碰决策研究是当前航海学术界前沿课题 从2 0 世纪7 0 年代末至整个9 0 年代，船舶自动( 智能或专家) 避碰系 统的研究受到国际航海学术界的高度重视，虽然取得了一定的进展，但是 船舶碰撞的问题并没有完全得到解决：正如d b c h a r t e r ，j r 所提到的。虽然 许多高新技术应用到船舶避碰中。但是现在仍然有上百艘船舶和成千上万 的人命由于船舶碰撞而丧失【1 】。美国百科全书指出：在广泛使用雷达前5 0 年，船舶碰撞造成的航运灾难占2 3 【1 l 。在我国，根据1 9 9 4 年1 月至1 9 9 8 年2 月的水上交通事故统计i z 】，船舶碰撞事故占水上总事故数的5 4 5 ， 仅1 9 9 8 年由于船舶碰撞事故所造成的直接经济损失就达4 0 0 0 0 万元，死 亡近7 0 0 人根据日本1 9 8 8 年海事审判统计【3 4 l ，从1 9 8 5 至1 9 8 7 年的 三年中。共发生事故6 6 1 起，涉及船舶1 3 0 9 艘，其中，1 9 8 5 年发生碰撞 事故2 2 8 件，涉及船舶4 4 6 艘，1 9 8 6 年发生碰撞事故2 0 2 件，涉及船舶4 0 2 艘，1 9 8 7 年发生碰撞事故2 3 1 件。涉及船舶4 6 1 艘，也是各类水上交通事故 中最高的。根据日本1 9 9 0 至1 9 9 4 年海上事故统计【5 1 碰撞事故分别为 1 8 8 0 、1 7 0 5 、1 7 9 8 、1 6 4 9 和1 3 7 9 起，居海上各类事故之首。 通过上述有关碰撞事故统计的数据，我们可以清晰认识到船舶碰撞事 故的严重性以及对船舶避碰决策系统研究的迫切性。因此，在“9 6 国际海 3 上避碰会议”上曾提出，船舶自动避碰决策系统研究是今后1 0 年甚至2 0 年航海技术领域研究的主攻方向之一咧。随着1 9 7 4 年国际海上人命安全 公约在1 9 9 5 年修正案的出台，船舶自动避碰决策问题的研究日益受到 国际社会的高度重视，同时也成为船舶自动( 智能或专家) 避碰系统研究 的核心内容之一。 1 1 2 传统船舶自动避碰系统存在的问题 人们在长期研究船舶航行安全保障技术中越来越深刻地认识到船一 船、船一岸间相互交换信息及船舶识别的重要性，同时也深感到在船舶避 碰应用中相关的通信导航现状存在着诸多局限性。传统的船舶自动避碰系 统是依赖于船舶交通管理系统( v t s ) 建立的，而目前绝大部分v t s 是基 于岸基雷达为基础获取信息。尽管现在的导航雷达、a r p a 在船舶避碰应 用中起到重要作用，但雷达提供的信息有限，其工作易受气象、海况和地 形的影响，尤其在恶劣的气象、海况下难以确保检测信息的可靠性，基于 雷达目标信息源的a r p a 及各种“避碰专家系统”因此缺乏可靠的基础； a r p a 具有较强避碰功能但不能识别目标船，其自动跟踪功能存在误跟踪 和丢失率高、精度与分辨率不高等局限性，越是需要a r p a 发挥避碰作用 的狭水道、船舶密度大以及气象、海况复杂、恶劣等环境下，a r p a 越显 得无能为力，甚至失去实用意义。目前船舶间通信通常依靠v h f 无线电 话，由于这种靠人工操作、频道拥挤的通信方式以及有时还存在语言障碍 等原因，在关键时刻难以在避让操船前达成避碰协议，往往因延误宝贵时 间或不明对方操船意图，采用不相协调的避让动作而酿成碰撞海事。在港 口v t s 中，目前利用v h f d f 及雷达观测进行人工船舶识别方式， 操作费时，获取的信息有限，至今未解决船舶自动识别问题，后者一直是 困绕着船舶航行安全、船舶交通管理及航海科技发展的一大难题。此外， 基于港口交管雷达信号的v t s 雷达数据处理子系统，由于采用常规恒载 频非相参脉冲雷达信号体制的局限性，导致对动态目标跟踪的精度、分辨 率及可靠性均不尽如人意，这种目标信息源的缺陷和先进的计算机处理能 力已越来越不相称，也不能适应现代港口v t s 技术发展的需求，实际已 成为v t s 目标跟踪处理技术发展的瓶颈。 1 2 船舶避碰决策研究的现状与发展趋势 1 2 1 船舶避碰决策研究现状 船舶避碰智能化是当前国际航海学术界研究的前沿热点课题之一。2 1 世纪以来，南安普顿大学等单位不断地从事着船舶智能避碰决策系统领域 的研究，我国有关单位也在这方面进行了大量和深入的研究。 4 南安普顿大学在传统的飞弹制导原理基础上，提出了旨在于躲避物标， 而不是捕获物标的两船避碰决策方法。也就是根据来船方位、距离和相对 运动线变化情况确定碰撞危险度，并做出相应的避碰决策。虽然该方法在 许多地方还不够成熟，尤其是没有充分考虑规则和海员的习惯做法等， 但至少为我们提出了一个新的研究思路，对研究高速船避碰有一定的帮助。 船舶智能避碰决策与控制系统的关键在于如何建立科学、合理的船舶领域、 碰撞危险度、避碰行动时机、避碰行动和复航决策模型。大连海事大学孙 立成教授在这方面进行了深入的研究并取得了显著的成绩【n 。在分析国内 外现有船舶领域模型的基础上，结合对船舶驾驶员避碰行为的统计结果，建 立了更符合海上实际情况的船舶领域模型；在充分考虑不同方位来船避碰 操纵特点的基础上，将互见中会遇形势分为对遇、右舷对右舷对遇等8 种， 再考虑能见度情况等，将开阔水域中机动船的会遇形势分为7 类共1 6 种模 式，更加符合驾驶员的实际做法。有利于船舶智能避碰决策与控制系统对碰 撞危险度、避碰时机和避碰行动的正确决策，并更好地解决避碰中可能出现 的不协调避让问题 海军大连舰艇学院杨宝璋教授等研制的舰船避碰自动化系统中1 8 】，采用 人工神经网络方法求取碰撞危险度，并综合考虑了d c p a 、t c p a 、会遇形 势、能见度和船舶通航密度对碰撞危险度的影响，并将碰撞危险度作为判断 是否存在碰撞危险、确定碰撞危险程度、划分不同的会遇阶段、选择避让 行动时机和多船会遇情况下来船碰撞危险度排序的决策依据。分别采用几 何避碰数模、矩阵对策和微分对策方法，建立了简单会遇、复杂情况和紧迫 局面与紧迫危险避碰决策模型。 船舶碰撞危险度是国内外航海界专家、学者在船舶避碰研究领域中的 一个最基本的概念，是任何研究者所不能回避的问题，特别是在船舶自动 避碰系统研究中，由于船舶碰撞危险度的模糊性和不确定性等，在国内外 的研究中，尚无公认的度量方法。迄今为止，涉及船舶碰撞危险度确定算 法研究的文献很多，归纳起来大致可以分以下几种： 4 ) o c e a 和t c p a 加权确定算法： 人工神经网络算法； 模糊集算法； 使用可拓展集算法。 不管上述的哪一种确定方法，其所获得的原始数据均依赖于船用雷达 等，其所确定的数据本身就有一定的误差( 雷达自身的不足) ，而且数据也 不能实时更新，这样对确定出来的碰撞危险度准确性就值得怀疑。 1 2 2 对船舶避碰决策系统研究的评价 船舶避碰决策的研究可分为经验避碰、建立数学模型、a p a r 雷达辅助 避碰、建立避碰专家系统和建立避碰智能决策支持系统等几个不同阶段。 这些方法对辅助船舶避碰都起到了一定的作用，但还不能从根本上解决避 碰难题，主要的缺点是这些方法中避碰各方缺乏交流，避碰各方只能根据一 些很少的观测信息判断对方所采取的行动，带有很大的主观性和盲目性。诸 如英国利物浦工业大学的开阔水域中多船避碰知识库系统的设计，日本东 京商船大学的“海上导航专家系统”中避碰予系统，有一定代表性。各种 研究的基本思路都是要建立知识库( 存储由雷达检测的相遇船动态数据、 避碰规则、船长经验、专家解析、本船与来船操纵性、运动状态等数据) ， 根据分析相遇船和本船的态势及本船运动状态，查询知识库并得到避碰方 案，或由推理机将相关数据、信息有机地综合成专家系统，经过学习、推 理，自动给出避碰方案并实施之。但是，在一个完整的自动避碰系统应具 备的功能中，有一个长期不曾具备，因而长期影响着系统实用的功能，那 就是：具有能发送( 或接收) 本船( 或他船) 的避让操船意图，并对其作 出相应处理的功能。而没有这种功能，就不能做到“知已知彼”，就构不成 一个完整的避让方案。在实际海上航行中，因不清楚对方意图而采取不相 协调的避让动作，结果酿成事故，也正是缺乏此项功能的反映。信息流通 不畅，致使不能正确领会对方意图，决策失误，避碰各方为了使自己的船舶 避免受到损害，必然采取他所认为的最有利于自己的行动措施，避碰各方之 间存在着利益的冲突，其关系是竞争对手的关系，其对抗行动引起灾难性后 果的可能性极大。作为一个为了避免碰撞的系统整体，他们之间存在着信息 和能量的内耗，这种避碰行动，不利于系统整体的发展。目前对船舶避碰决 策的研究，包括船舶避碰专家系统、船舶避碰智能决策支持系统等都忽视了 信息交流这一重要环节，仅仅考虑自身应采取的行动，没有考虑到决策行动 的相关性，致使系统无法形成有序的结果。决策的科学性难以得到保证。所 以，应该在船舶智能避碰决策支持系统的基础上探索新的研究方法。 1 2 3 未来船舶避碰决策系统的发展趋势 综上所述，我们认为，未来的船舶自动避碰决策系统应该满足下面条 件： ( 1 ) 应该是在a i s 信息环境下的有全自动避碰决策系统，而不是咨询式 的避碰决策系统。 ( 2 ) 船舶智能避碰决策是一个十分复杂的问题，不仅有海上避碰规则 等具体规定的约束，还在一定程度上受到当时的交通环境和船舶驾驶员心 理、生理和行为特性等个人因素的影响。因此必须具备一个完善的系统、 完整的避碰知识库。 6 ( 3 ) 国内外至今还没有在会遇形势、碰撞危险度和船舶避让行动与避让 时机的决策模型等方面达成相对一致的认识，因此系统应该能综合考虑 d c p a ，t c p a ，距离、几何会遇态势、船速比和转向避让或减速避让的有 效性等因素的影响，具备更加科学、合理，更加接近驾驶员通常做法的碰撞 危险度决策模型。 ( 4 ) 船舶智能避碰决策系统中要解决的不协调避让问题，不仅仅是传统 意义上右舷对右舷对遇和直航船与让路船之间的不协调避让问题，更重要 的是要解决下列几个问题： 装备船舶智能避碰决策系统的船舶和未装备该系统的船舶间可能发 生的不协调避让问题； 装备a i s 系统的船舶和未装备该系统的船舶间可能发生的不协调避 让问题； 装备不同的船舶智能避碰决策系统的船舶间可能发生的不协调避让 问题。 1 2 4 在a l s 环境下的船舶避碰决策研究的意义 全球船载自动识别系统a i s ( a u t o m a t i ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 是在现代通信发展的基础上产生的一种信息量大、跨越障碍传输、抗天气 影响、具有船一岸、船一船间信息联网的能力和近距离目标实时显示的系 统。在国际有关组织如i m o 、i a l a 、i t u 、i e c 的努力下，从1 9 9 2 年开 始在国际会议上研讨a i s ，至今仅仅经过约1 0 几年时间，已经正式发布了 a i s 的性能标准、技术特性、测试标准、操作指南的决议，发展之迅速反 映了客观迫切需求。2 0 0 2 年1 2 月，m s c7 3 届会议最终通过了s o l a s 公约 新v 章，修订后的新v 章于2 0 0 2 年7 月1 日生效。新v 章的第2 0 条中规 定，航行于国际航线的3 0 0 总吨以上的船舶和缔约国航行于国内航线的5 0 0 总吨以上的船舶，将从2 0 0 2 年7 月1 日起到2 0 0 8 年7 月1 日分阶段配备 船舶自动识别系统( a i s ) 。伴随着船舶自动识别系统a i s 在船舶上的强制 安装，在a i s 环境下的船舶避碰决策相关理论及应用研究也就十分重要。 由于a i s 能够自动实时地在信息显示器上提供目标船的船名、船位、 航向、航速等各种静态、动态信息，基于a i s 信息的自动标绘功能，提供 的两船d c p a 、t cp a 等碰撞参数，不受气象、海况因素的影响，比a r p a 的 自动标绘更精确、更实时、更可靠。因此，在a i s 信息环境下而开发的自 动避碰专家系统将提供从未有过的信息条件。为此，提出“在a i s 环境下 的船舶避碰决策系统研究”的课题，本课题作为海上交通管理系统v t s 的 重要组成部分，课题的研究将总结归纳前人研究成果，为下一步研究提供 参考方向；课题的研究有助于船舶自动避碰决策系统的研究起到开阔思路 的作用，减少或避免人为决策失误造成的碰撞事故；也为船舶自动避碰决 7 在譬虿鎏工篮篮盟誊鐾达蚕蚕錾2 瑟 策系统的建立打下一定的理论基础，实现海上交通安全运输的智能化、船 与船、船与岸信息一体化和海上信息共享，以期达到保障船舶航行安全、 提高航运效率和保护海洋环境为目的。 1 3 本论文的主要内容和创新性 1 3 1 本文的主要内容 本论文首先对a i s 系统从理论和技术方面进行系统全面的归纳、整理、 总结和研究；然后结合其具体的应用进行深入全面的研究，提出在a i s 环境 下的船舶避碰决策系统研究的技术方案；最后在此基础上，利用建立的船舶碰撞 危险度数学模型实现船舶避碰决策相关数据的具体算法。具体内容如下： ( 1 ) 根据国内外的资料、发表的论文和国际海事组织的有关文件，对a i s 系 统的技术进行了归纳，整理。 ( 2 ) 分析a i s 数据对于雷达、a r p a 数据而言的优越性和a i s 数据的精度； 分析目前国内外船舶避碰决策系统的研究状况，指出长期困扰着船舶避碰决策技 术发展的关键问题，从而提出了将a i s 技术应用到船舶避碰决策的设想。 ( 3 ) 分析了在a i s 信息环境下的船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞危险 度及其合成碰撞危险度的数学模型。 ( 4 ) 分析避碰知识数据库的知识来源以及如何建立避碰知识库。 ( 5 ) 在上述分析问题的基础上，根据船舶避碰的时间碰撞危险度和空问碰撞 危险度及其合成碰撞危险度的数学模型，实现了在a s 环境下的船舶避碰决策相 关数据的具体算法。 1 3 2 本文的创新性 本论文研究的创新性主要在于：在船舶避碰决策系统研究中，提出了 在m s 环境下的船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞危险度及其合成的 船舶碰撞危险度的数学模型，并以此数学模型实现避碰数据具体的算法。 确定影响船舶碰撞危险度的各因素的隶属度函数或曲线。研究中综合了国 内外船舶避碰决策系统的研究状况，指出长期困扰船舶避碰决策技术发展的关 键问题，提出了将a i s 技术应用到船舶避碰决策的设想。对船舶碰撞危险度提出 的在a i s 环境下的船舶避碰数学模型具有较强的创新性。 本论文研究的意义在于：本论文研究的方向仅针对在广阔海域的船舶避碰决 策，但在a i s 环境下的船舶避碰决策的提出对目前甚至将来航海界中船舶自动避 碰系统的全面研究具有较强的现实意义。由于a i s 技术特性的进一步提高，其抗 干扰能力及其显示的实时信息将对狭水道船舶避碰、恶劣天气环境下的船舶避碰 均带来了史无前例的指导意义。在a i s 环境下的船舶避碰数学模型的建立，对未 来航海中的船舶自动避碰决策系统的进一步完善也具有相当大的实用价值。 8 1 4 本论文的章节安排 本论文主要包括以下五个部分： ( 1 ) 第一章为概述，阐述船舶避碰决策研究的现状、意义和未来船 舶避碰决策系统应满足的条件，指出长期困扰船舶避碰决策技术发展的关键 问题，提出了将a i s 技术应用到船舶避碰决策的设想。 ( 2 ) 第二章主要是根据国内外的资料、发表的论文和国际海事组织的有 关文件，阐述a i s 系统的技术特性，分析a i s 数据对于雷达、a r p a 数据而言 的优越性以及a i s 数据的精度。 ( 3 ) 第三章对船舶碰撞危险度的数学模型进行研究，确定影响船舶 碰撞危险度的各因素的隶属度函数或曲线。结合a i s 的技术特性建立了在 m s 环境下的船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞危险度及其合成碰撞 危险度的数学模型。对船舶避碰决策系统的研究具有指导意义。 ( 4 ) 第四章分析船舶避碰决策系统中的知识数据库的知识来源，提出如何 建立船舶避碰决策知识库的思路。 ( 5 ) 第五章主要是根据船舶避碰的时间碰撞危险度和空间碰撞危险度及其 合成碰撞危险度的数学模型，实现了在a i s 环境下的船舶避碰决策相关数据的具 体算法。 9 垄譬互喾工篮篮塑垄鹜鎏薹蚕錾盔銮 第二章a i s 的主要功能及其应用 众所周知，目标船的航行动态信息( 位置、航向、航速) 的实时获取 和处理以及对目标船的跟踪是有效进行船舶避碰的前提条件，目前广泛应 用的是自动雷达标绘仪( a r p a ) ，a r p a 以其独特的优势在上个世纪七、八 十年代得到了飞速的发展，但a r p a 用于船舶避碰存在多方面的局限性， 如：所提供的信息量有限，不能给出目标船标识；存在近距离盲区及阴影 区；对信息的处理有一定的延迟而不能提供实时数据；易受天气条件的影 响；未能与通信设备有机结合；无法实现船舶之间和船岸之间的信息自动 交换等。近年来发展起来的船舶自动识别系统( a i s ) 很好地解决了上述 问题。a i s 目前已被确定为通用船舶识别系统，它是一种工作在海上v h f 频 段的船载自动广播系统，通过该系统可以连续自动地向其它船舶或岸台播 发和接收船舶的静态数据和动态数据，是一种新型的船舶避碰设备，它在 船舶上应用，将引起船舶避碰手段的某种变革，它在船舶港口交通管理系 统( v t s ) 中应用，也将引起v t s 对船舶交通管理的某种变革，甚至可实 现世界范围内的船舶通航管理。 2 0 0 0 年5 月国际海事组织( i m o ) 海上安全委员会( m s c ) 第7 3 次会 议上通过了新修订的s o l a s 公约第v 章关于强制安装船舶自动识别系统 ( a i s ) 的决议，规定了从2 0 0 2 年7 月1 日起对所有3 0 0 总吨及以上的 国际航行船舶和5 0 0 总吨及以上的非国际航行船舶，以及所有客船，应按 统一的时间表配备一台船舶自动识别系统( a i s ) 设备。 2 1a i s 系统结构及功能 2 1 1a i s 的系统结构 a i s 由船台设备和岸台系统两部份构成，其构成示意图如图2 1 所示。 a i s 采用专用的国际频道，按规定的通信方式和运行模式，在其信号覆 盖( v h f ) 区域内，自动向邻近的岸台和其他船舶播发本船的呼号和船 名、船长和船宽、船舶与货物类型、船位、航向和航速等航行状态及安全 信息。同时，能自动接收来自配备a i s 设备的船舶所播发的上述信息，以 及岸台a i s 播发的相关信息。 一个典型的a i s 船台由1 台v h f 发射机、2 台v h ft d m a 接收机、 1 台v h fd s c 接收机、1 台带有标准的船用电子通信接口 ( i e c 6 1 1 6 2 ，n m e a 0 1 8 3 ，2 0 0 0 ) 的信息处理控制装置以及各种必要的传感 器组成，如图2 2 所示。 从构成示意图中可知，该系统由四大部分组成。 1 0 奉霸 询问和应吾 目标船1 图2 t i s 的系统构成 1 数据的采集部分 接收来自g p s d g p s 接收机的本船船位经纬度，对地航速，同步u t c 以及来自电罗经的本船对地航行等信息，各种信息转换成数字信号并输入 信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。 2 信息处理器 这是a i s 的核心部分，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静 态信息以及船舶吃水、危险货物类型、航线等航行相关信息；处理、存储 本船动态信息；将存储的本船最新航行数据和必要的静态信息以及与航行 相关的其他信息进行编码后送发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数 据进行解码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶的航行数据等信息送 信息显示器显示；信息处理器中包括船舶静、动态数据库以及对信息的处 理、管理控制、时隙选择、同步监测、显示等相应软件。 3 信息显示器 用于显示各种数据及状态信息，监视系统运行状况。通常与雷达、 a r p a 和电子海图显示器融为一体。 4v h f 收发机部分 v h f 收发机由系统信息处理器控制，用v h fc h 8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 、 8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m h z ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规 定的高斯滤波最小偏频移键控( g m s k ) 信号，已调信号中含有本船和他 船航行信息，a i s 同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个 频率上交替进行。此外，主管部门还可以指配a i s 的区域性频率。 ；p sd c p so n s s 卜 一通前盛器卜_ 器 陀螺罗经卜 船 导a 班 计程仪 卜 航信 设 j 酗ja b 备处1 综合：亲器 雷达a l t p a 卜 通理 器 接 一e 6卜 口 一 1 i 输人装置l v d r 卜 图2 2a i s 系统构成框图 2 1 2a i s 的功能特点 1 系统工作特点：在所有区域内自主和连续工作；由交管监视中心指 配工作模式，以便于主管部门控制数据传输的间隔和时隙：数据的传输响 应来自于船舶或主管部门的询问，有轮询和受控两种模式。 2 系统传输的静态信息：i m o 编码( 如有) 、呼号和船名、船舶的长度 和宽度、船舶类型、定位天线在船上的位置。 3 系统传输的动态信息：船位、国际协调时、对地航向、对地航速、 航迹向、航行状态、转向率、横倾角( 选用项) 、纵倾和横摆( 选用项) 。 4 系统传输的航行相关信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预 计到达时问、航行计划( 选用项) 、简明的安全信息。 5 技术特点；a i s 采用自组织时分多址联接( s o t d m a ) 工作模式， 无线传输的带宽为2 5 k h z 1 2 5 k h z ，f m g m s k 调制方式和n r z i 数据编 码方式，数据传输的比特率为9 6 0 0 b i 讹。 2 1 3a i s 系统实现的主要功能 1 增强船对船模式的避碰能力，减少船舶碰撞事故； 2 可作为沿海各国获取有关船舶及其所载货物信息的途径； 3 作为v t s 的助航工具，增强对港区船舶的识别和监控。 2 2a i s 系统采用的关键技术 2 2 1h d l c 高级数据链路控制技术 a i s 系统中的s o t d m a 是一个基于高级数据链路通信( h d l c ) 数据 包结构的同步系统，采用普通的无纠错编码的8 b i t 字符。s o t d m a 发射 格式