（流体力学专业论文）多船会遇的船舶智能避碰专家系统研究与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要+ 海上船秀鑫磁攘事故楚靛行安全豹蘩害，在海上交避事兹孛鑫育缀大魄铡。 随着海上贸易的发展和人们对海洋资源需求的日益增加，每年都有大量船舶 碰撞事战的发搬，给戢界带来了巨大豹生命秘财产的缀失，魄严重破坏了还 有海洋生态环境。如何避免胎舶间发生碰撞是确保船舶安念航行的重要环 节，也一直是飑际航海界非常莛视的阀题。究其原因，绝大多数碰撞事故都 楚由予操缀者的巯忽、过失蔽及严重违反海童避碰藏剃所导致。函诧，减少 人为操纵失误魑降低船舶碰撞事故率和提高船舶航彳予安全的关键。网前，世 赛各嚣帮在寻求有效静蠡动逶磁手段，戮减少碰撞的发生。 本文主要研究多船会遇船舶避碰专家系缆。在系统的研究过程中，首先 鼯耱熬遴疆镶域霰识滋行分耩；然露蕉层次分辑法蜜瑰了多貉会逶遴磋决 策，并艇在碰撞危险度的基础上实现了行动时机、避碰方案与转向幅度的计 算；接港摄据专家系绞理论，农艇舷鬻戆遴磁专家系绞戆基戳上梅建了多聚 会遇的避碰专家系统的框架；最后，以v i s u a lb a s i c6 , 0 作为软件开发平台， 井结合m 鑫t l a b6 0 软件，设计了一种舆有良好可视他人枧界藏躲多船会遇避 碰仿真专家系统软件。值得指出的是，本软件在给出了避碰方案、行渤时机、 转向幅度与复航时间豹基础上，实现了多船会遇船舶避碰决策的自动仿真。 为了检验该系统鹤可行佼，对凡种典型韵多船会遇局面滋行了计算机模 拟，结果与实际吻合，取得了良好的效果。 关键逶：多耪会逶；专家系统；a h p 法 本学位论文得到鼹家自然科学基垒项耳资助( 批准母：1 9 9 7 2 0 5 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t + s h i pc o l l i s i o ns e i z eo nab i gp r o p o r t i o no f t h ea c c i d e n t 贰s e a 。w h i c hd o e s g r e a td a m a g et o s a f en a v i g a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h i p p i n g ，a n dt h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fo c e a nr e s o u r c e ，m a n ys h i pc o l l i s i o nh a p p e n e de a c h y e a r l o t s o fl i v e s d i s a p p e a r e d ，e n o r m o u sg o o d sw e r el o s t ，a n dt h eo c e a n e n t i r o a m a n tw a sp o l l u t e d h o wt oa v o i ds h i pc o l l i s i o ni sa l li m p o r t a n tt a c h et o e n s u r et h en a v i g a t i o n ，a n di ta l s o 曲s t r a e tt h ee y e sa l lo v e rt h es a i l i n g w o r l d w h e nw es e a r c ht h er e a s o no fc o l l i s i o n w ew i i lf i n dm o s to ft h ea c c i d e n t sw e c a u s e db yt h ev o y a g e r sc a r e l e s s n e s s ，i g n o r a n c ea n dt h o s eo p e r a t i o n sv i o l a t i n g t h ei n t e r n a t i o n a lr e g u l a t i o nf o rp r e v e n t i n gc o l l i s i 鼬躐s e a 。f o rt h i sr e a s o n 。t o d e c r e a s et h eh u m a n m i s p l a yi st h ek e y t or e d u c ec o l l i s i o na n de n h a n c et h es a f e t y o f n a v i g a t i o n a tp r e s e n t ，e o u n t d e si nt h ew o r l d a r el o o k i n gf o ra 1 1e f f e c t i v ew a y t op r e v e n tc o l l i s i o n i nt h i sp 粕e r , m u l t i s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c es i m u l a t i o ns y s t e mi s c h i e f l y r e s e a r c h e d 。琢t h ep r o c e s so ft h es y s t e ms t u d y , t h ek n o w l e d g ei nt h ed o m a i no f s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c ei sa n a l y z e d a n dt h e n ，u s i n gt h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a b b r e v i a t e d ：a h p ) m e t h o d ，t h em u l t i s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e d e c i s i o n - m a k i n g i sa c c o m p l i s h e d a n d ，a c c o r d i n gt oc o l l i s i o nr i s kt h e o p p o r t u n e m o m e n t ，t h ep r o j e c tf o rc o l l i s i o na v o i d a n c ea c t i o na n dt h ee x t e n to fv e e ra r e a c h i e v e d i na d d i t i o n ，b a s e do nt h ee x p e r ts y s t e mt h e o r ba n dt h e s h i pi n t e l l i g e n t c o l l i s i o na v o i d a n c ee x p e r ts y s t e m ，t h ef r a m eo f m u l t i - s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e e x p e r ts i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l t f i n a l l y , a tt h ef o u n d a f i o nv i s u a lb a s i c6 0 c o m b i n e dw i t hm a t l a b6 + 0 ，as o f t w a r eo f m u l t i * s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c ee x p e r t s i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d i ts h o u l db en o t e dt l l a tt h i ss o f t w a r ec a ng i v eo u t t h ep r o j e c t ，t h eo p p o r t u n em o m e n t ，t h ee x t e n to f v e e ra n dt h er e v e r s i o no f c o u r s e ， c o m p l e t e 氇ea u t o - s i m u l a t i o no f m u l t i s h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v e m o d e l so f m u l t i - s h i p c o l l i s i o na v o i d a n c e a r e s i m u l a t e d t h et e s ti n d i c a t e st h a ti tc a nr e f l e c tr e a ls i t u a t i o np e r f e c t l ya n dh a sa g o o d r e s u l t k e yw o r d s ：m u l t i - s h i pc o l l i s i o n ；e x p e r ts y s t e m ；a h pm e t h o d t h i s p a p # i ss u p p o a e db y t h e n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a u n d e r g r a n t n o ，1 9 7 8 2 5 2 h 武汉理工大袋硕士学位论文 第1 章引言 1 。1 论文选题豹意义 海上船舶磺撞事故是航 亍安全的蓠害，衣海上船舶交通梁教中是奇很大 比例。避免船舶同发擞碰撞，是确保船舶安众航行的藿要环节，是驾驶人员 在航行值班中的首要职责，也一直是航海界非常重视的问题。 关予船舶漩碰静研究已经有缀长簸历史了。罩在税船时代，入们就针对 帆船操纵特点研究会遇时相甄碰撞的技术，从碰撞事故中总结经验教训，撼 窭一骜技术链鹣援爨| l ，斧形成会逶梵俦( 又称避磁尼簿) 静裙步藤溅。疆蕾 国际海上避碰规则的出台，人们对规则和惯例进行了大量深入的探讨和研 究。在l 毙基磁主，久爨嚣始趸倍惠论、系统谂耀控裁论戆鼹纛疆囊海上逮磁 问题，取得了不少成果。尽管如此，溅碰问鼷并没有得到很好的解决，船舶 碰撞事故仍然避毒发生。 美豳百科套书指出；在广泛使用臀达前5 0 年，船舶碰撞造成的航运灾 难占2 3 。在我国，根据1 9 9 4 年1 月1 9 9 8 簪2 月的水上交遵事故占统诗， 船舶碰撞事故爵永上慧事敲数的5 4 5 仅1 9 9 8 年由于船舶碰撞搴故所造 成的直接经济损失就达4 0 0 0 0 万元，毵亡近7 0 0 人。根据日本1 9 8 8 年海搴 窜爨凌诗，酞1 9 8 5 1 9 8 7 年鹣3 年串，共发生碰撞攀敖6 6 l 起，渗及船舶 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 逑撞事数2 0 2 络，涉及勰靛4 0 2 蓑；1 9 8 7 年发生磁攘事故2 3 1 传，涉及麓 舶4 6 1 艘，也魑各类水上交避事故中最高的。根据网本1 9 9 0 1 9 9 4 年海上 拳教统诗，磋攮事教分裂隽1 8 8 0 、1 7 0 5 、1 7 9 8 、1 6 4 9 帮1 3 7 9 起，嚣海上各 类事故乏首。通过上述数据足以说明碰撞事故的严重性以及对船舶避碰决策 进行深入礤究躬追切性。 因此，在“9 6 国际海上避碰会议”上曾提出，船舶自动谶碰决策系统研 究是今磨1 0 年乃至2 0 年航海技术领域研究的主攻方囱之一【。 入癸智姥蠢人类对外界事物识剐釉理解的感知能力、进行推理、联想和 学习的思维能力以及做出决策朔采取行动的反应能力所组成。人之所以有这 垡管熊t 莛因为人有鲡谖，麓谈是謦熊豹核心，是箍渤社会发展的动力。 武汉理工大学硕士学位论文 专家系统就是一种基于知识的智能型计算机软件系统。 具体的讲，专家系统就是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智 能程序系统。它能应用领域专家多年来积累的经验与专门知识，模拟人类专 家的思维过程，求解需要专家才能解决的具体问题。 专家系统现在应用非常的广泛。它有其特有的优越性。 我们知道，船舶在海上航行是由人、船、环境组成的一个复杂系统，这 个系统最大的特点就是它的不确定性，它涉及的人为因素很多。驾驶员在进 行避碰决策时，依据的是他多年的海上经验，而这种经验难以用传统的数学 方法综合地表达，也就是说无法提出明确的数学模型，因而无法很好地使用 其实践经验。这是d c p a 、t c p a 等传统数学模型的不足之处。专家系统在 处理经验方面有了长足的进步，它将获得的经验用特定的方式进行表示，然 后进行推理，得出专家经验基础之上的决策结果，较好的模拟了人的思维过 程，因而，这一领域适合开发专家系统。 关于船舶避碰的研究已有很长的历史，虽然取得了许多成果，但是船舶 碰撞问题并没有完全得到解决。船舶自动避碰决策系统的研究、开发、和使 用是发展的趋势。当前，为了避免船舶碰撞事故的发生，除对有关船员培训、 考试与值班的有关公约或标准进行修订以外，研究驾驶员的避碰决策过程， 将其避碰的机理融入船舶自动避碰决策系统，并在一定程度上或完全取代人 的避碰决策应该是有效的途径之一。 进行船舶避碰决策的研究，有助于船舶自动避碰决策系统的研究。船舶 自动避碰决策系统研究，是2 0 世纪的前沿课题，而在自动避碰决策系统研 究中，船舶避碰决策是重要的基础之一。进行避碰决策的研究是从根本上避 免或减少人为决策失误的途径之一，能促进海上交通学的发展与完善，能加 深对国际海上避碰规则的理解及模糊术语的量化研究，为避碰规则的理解与 完善提供依据。 随着船舶朝着大型化和高速化方向的发展，加上船舶数量的急剧增加， 碰撞事故越来越多，造成的危害也越来越大。避碰问题已经成了亟待解决的 重要问题。 本文主要研究多船会遇避碰决策以及相应的系统仿真，对解决船舶避碰 有着十分重大的意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 船舶避碰自动研究系统的研究现状 专家系统( e x p e r ts y s t e m s ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一 个最为熏簧的应用领域。专家系统产生子6 0 年代中然，经过二十多警的科 学研究，理论和技术日戆成熟，其应用褥到了飞速的发展。至今，世群各国 融经在医疗诊断、化学工程、谱啬识别、图像处理、金融决策、信号解释、 穗震骜搽、石漓、军事等领域磷期密了大量静实雳专家系统，其中不少系统 在性能上已达到旗至超过了同领域人类专家的水平，已经产生妓正在产生巨 大懿经济效蓑巍徒会影穗。 专家艨统的提出和应用促进了人工翱能理论和技术的发展，开辟了计算 搬裳勰嚣数篷阉逛懿寿效途径，在处理纛算法然农熟识芷程孛漫示窭了特骞 的优越性，越来越受到人们的重视。 船舶避碰决策系统 4 9 4 2 1 的磅究，始予2 0 世纪7 0 冬代末，进入9 0 年代 以来发展迅速。并成为目前航运界以及航海科技界研究的前沿课题。八十年 代求，日本及英脚率先用专家系统的方法研究了船舶避碰自动他的问鼷，并 研制出了各自的横损船舶避碰专家系统。哥前，船舶避碰自动化系统奎要分 为两种类型：一种是人机对话咨询式的；另一种是全自动式的，它不仪给出 狡策，露艇遣壹羧车、靛装置，傻籍耱羧系统豹决策运动。它绘密的谶碰决 策是辅助式的，仅供船舶驾驶员参考。 蕊髂象滋，臻毒煞麓虢避磁决策系绦主要鸯： 1 、英国利物浦理工大学研究的避碰专家系统 英国铡物溱联工大学研究黪船舷遴遴专家系统是一耱咨瓷式戆遴磋熟 识库。系统所需的信息主要是从1 9 7 2 年国际海上避碰规则，船员、航海专 家积海事法专业人员对上述规则的解释及良好船艺於实地应建三方瑟取褥 的。通过妇纳提出了两船闯只有六种特定会遇豢型，并通过调资归纳出1 4 种可能采取的避磁幸亍动。对于同一种会遇类型，装存在几釉避碰奄亍动方索对， 潮掇据方案豹优贺进行摊序，同时采取扇发式狻索确定最佳避碰行动方案。 该专家系统存在的问题： ( 1 ) 在复杂谤况下避碰决策系统薪褥骜煞绍采若与驾驶员壤据萁憋考方 式、心理因素、经验等认为所采取的避碰方式不同，可能会导致驾驶员思想 上瓣漫鼓，瑟丧失采取避碰方式豹瓣橇藏诱导鬈疆曼采教错误耱避磴零擎动。 ( 2 ) 对于复杂的多船余遇局筒，避碰决策系统无法给出避碰行动决策， 黠毖只能激驾驶爨叁己掇据是霭避露楚羰，这显然不适蔽塞动避碰决繁系统 武汉理工大学硕士学位论文 弱茇爱o ( 3 ) 由于对同种船舶会遇局面存在多种避碰行动方案，评价每一方案优 劣熬撅准显然难班确定。 2 、东京商船大学练习船“汐路丸”上溅碰决策系统 东塞商船大学练习船“汐路丸”上约模拟避碰决燕系统是一耪全自动鹣 避碰专家系统，它不仪给出游碰决策，同时磁能通过避碰决策自动控制船舶 的车舵等装置。 该系统主嫠宙五个模块组成，郎：他舶横按系统、避磁航线表求系统、 避碰专家系统、避让计划系统和自动标绘系统。 该系绫巍其有静凌裁哥概疆秀：瓣存在邂碰危陵静磊标，吴有辩避谊靛 线的选择、计划及设定的功能，并对所获得的最优避碰航线嶷示两大功能 该象统懿攥点必： ( 1 ) 为全自动避碰决策系统，明盥优于咨询式决策系统。 2 ) 是一耪避碰航线选择蓉统，鄹摄据零艇与谯船麴运貔参数，对霹魏 采取的各种避让航线进行评价，能够在一定指标下实现避碰航线最忧。 ( 3 ) 它的务釉画砸及数据表示功能齐全。 该系统的缺点是： ( 1 ) 在评价本船将采取的最优避碰航线时，没有考虑到豳际海上避碰规 焚| j 霹避疆行动藏是“犬旗度”鼢要求，同跨穗没有考虑如何防止或解决船靛 间可能发生的避碰行动不协调问题。 2 ) 在确蹙耱熬磁撞蔻羧壤嚣，慕取靛燕整绕奉耱静鏊形。编豢在所黪 免。 ( 3 ) 奁确定艇舷基零会迢鼹嚣封，昃考惑了嚣秘会逯弱嚣，嚣；接近、 同向航行、对遇和交叉。 ( 4 ) 在避磁方案中，系统袋取选择航线，褥不是确定基零避磁磐动弱方 法可能存在一定的局限性。复杂的多船会遇将有很多选择上的困难。 3 、海军广州舰艇学院研究的避碰专家系统 海军广娴觏艇学院研究的船舶避磁专家系统，也怒一种诲询式溅碰决策 系统。该系统根据对专家调查将船舶间的基本会遇局筒分为；对遇、右交叉、 左交叉、获左边遥越、获右边遥越彝被遣越等六释。纂本避让方案肖：定海 定速、右让、旋让、商让减速、左让减速、变速和紧迫行动七种。知识表示 袋取产生式勰羹| l ，裁谈蓐采取痿发式羧索策臻。避碰怒险度穰箨嚣标d c p a 、 t c p a 、方位和距离四个因素，并根据模糊综合评判确定；谶碰行动时机根 l 武汉理工大学硕士学位论文 据设定豹磴撞筑险度城篷确定。 该系统的优点是： f 1 ) 其毒较完善豹般识表笨和推理功能。 ( 2 ) 采取了较好的推理策略。 该系统豹不足之处是： f 1 1 知识席还不十分完备，对复杂的多船会遏局面系统无法给融正确的 避磁方案。 ( 2 ) 在考虑了船舶碰撞危陵度对所考虑静因素较，j 、，而艇没有考虑对蠹 航船驾驶员心理方面的影响。 f 3 ) 嚣考纛了蘧磁专家系统对逮磁专家系统静情况。 ( 4 ) 只考虑了本船为让路船的情况。 臻捌全蠡麓避磁狻策系统将是艇瓣童动瀵磋决策系统熬发震方稳，罨繁 目前已宥不少的研究成果，但仍存在许多不飓之处： ( 1 ) 在憝舶避碰惫殓度豹谨价方嚣质考虑豹困素一般仅鞭子d c p a 翻 t c p a ，缺乏多因素的有效综合评价。 2 ) 在目翦的自动避碰决策系统巾，虽然各研究学者大粼强调黩动避磁 决策系统能够肖效的避免船舶间的不协调避碰行动，但是如何能够做到避兔 船舶间的不协调避碰，还缺乏篼深入的研究。 ( 3 ) 在船舶采取避碰行动棘准方面，所采取的方法瞧是番不裰丽滟，这导 数了方法的局限性。 ( 4 ) 足乎掰骞懿囊动避疆狭策系统，都将零籍筏终迂路躲，羁掰本耱貔 知识库确定避让时机，而较少考虑本船为直航船，且让路船没有采取避碰行 动薅，零船瘦该蟊楚礁定避适避撬等瓣题。 ( 5 ) 大多数参考文献，在确定本船与他船的碰攘危险度、避碰时机、溅 碰蝠度簿情况下，考虑豹是本船与拖艇都装蠢稠冠的自动避磁决策系统的馕 况，而较少考稳他船可能未装脊自动游碰决策的情况。 ( 6 ) 当前研究的大多数自渤避碰挟策系统在适用匏范围方面，逐有很大 的限制。一般情况下拭适用予宽阔水域，在交通密集水域、狭水道等特殊水 域的适用还受剿很大的限制。 7 ) 大多数自罨邋磁决策系统考纛静是两船逶碰酌情况，没有毒虑多躲 避碰的情况。成者把多船避碰机械的分成两船避碰的情况。而实际上，船舶 靛孬孛遴赘匏往往莛多憝会逐豹箨嚣，在这耱复杂熬耩况下，如霹避碰是露 实际意义的。多船避碰决策问题实际t 是可以归结为层次分析法f 3 8 - 4 d 】决策问 武汉理工大学硕士学位论文 题。 1 3 层次分析法简介 设有n 个物体4 l ，4 2 ，a 。；它们的重量分别为w 1 ，w 2 ，w 。若将 它们两两比较重量，其比值( 相对重量) 可构成n x n 的矩阵4 。 w l w w 2 w w i w n - w 2 w w n w 1w n w i p p n | w 。 彳矩阵具有如下性质：若用重量向量 胆0 i ，w 2 ，嵋) 7 右乘a 矩阵，得到 a 孵= w tw 1 ，w 2 w 1 w n w 2 ，w 2 w 2 w 2 ， w i 、峨w 2 w n w n 即：( 彳叩d 胆o 其中，j r 为单位矩阵。 w l w j ： w n w l w 2 ： 力， 由矩阵代数知，矿为特征向量，n 为特征值，若，为未知时，则可根据 决策者对物体之间两两相比的关系，主观作出比值的判断，或用德尔菲法来 确定这些比值，使a 矩阵为已知。爿矩阵的元素是通过两两比较得出来的， 这样的矩阵通常称为判断矩阵。 若爿矩阵有以下特点( 设d 。j - w 。w j ) ： 1 )a “= l 2 ) a i j _ 1 aj i ( i ，j ：l ，2 ，n ) 3 ) q t j = di k nj k ( i ，j = l ，2 ，oo ，n ) 则该矩阵具有唯一非零的最大特征值 m a x 且 m a x = n 。 若该矩阵具有a 上述特性，则该矩阵具有完全一致性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 然而对复杂事物的各因素，人们采用两两比较时，不可能做到判断的完全一 致，从而存在估计误差，并导致特征值及特征向量也有偏差。 为了避免误差太大，应该衡量判断矩阵的一致性。当彳完全一致时，因 为ai i = 1 ，主 = 窆口。= n 存在唯一的非零九= 九。= n ；而当爿存在判断不一 致时，一般有x m a x n 。这时 k + = 嘞。n 由于是 k 一押= 一 我们就以其平均值作为检验判断矩阵的一致性指标凹，即 伽堑：望 r l 一1n 一1 虽然，当 。= r l 时，6 1 = 0 ，判断矩阵是完全一致的；“值越大，判断矩阵 的完全一致性越差。一般只要c i 一0 1 0 时，通常认为判断矩阵的一致性是 可以接受的，否则需要重新进行两两比较判断。 标度： 为了使元素之间进行两两比较得到量化的判断矩阵，我们引入1 9 的 标度。 根据心理学家的研究提出：人们区分信息等级的极限能力为7 2 ，特制 定表1 。可见n n 矩阵，只需要给出r l ( n 一1 ) 2 个判断数值。 表1卜9 标度方法及含义 标度n 。含义 1 i 因素与j 因素相同重要 i 因素比j 因素略重要 ， i 因素比j 因素较重要 7 i 因素比i 因素非常重要 9 i 因素比j 因素绝对重要 2 ，4 6 ，8为以上两判断之间的中间状态对应的标度值 倒数若因素与因素比较，得到的判断值为 a lj = 1 qj i ai i = 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 计算方法： 一般地讲，在a h p 法中计算判断矩阵的煅大特祗值与特征向量，并不 霈要离熬精度，赦爱逶钕法诗舞帮霹 ( 1 ) 方根法 这是一耱逐经诗算法，其计舞步骤巍 a 、计算判断矩阵每一行元素的乘积m 。 龋= 疆掰f ( l ，2 ，赫) ，- i b 、计算强的n 次方根 w t = 砌m l c 、对w 进行归化。 英孛，墩= l ，剩磁( 1 一l 2 蟛梅成系数窝爨， 这也是锫元素的相对权重值。 d 、计髯翔断矩阵静最大特征稷k 。 k = 喜等 其中( 4 ) 。为向量a w 的第i 个元素 乳谤雾判断瘫箨一致镶诺标，检验其一致牲。 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 繇求褥特 蒌商量豹遥酝蓬， ( 1 4 ) 2 ) 层次总接譬 即龠成排序，计算备层元素对系统目标的合成权羹。 设商g 标屡a 、准则层e 秘方寨屡p 构成豹层次模型。如果已经墩褥毯 标层a 对准则屡c ，c z ，c 。的相对权熏向量为： 壤o ，捧2o ，”1 。 ， 和准则层的各准则c ；( i = 1 ，2 ，k ) 对方案层p 。，p “，孤的相对权重向 s 。丢争 = w 武汉理工大学硕士学位论文 量为： 兄一：i w i i ，w ：，但，门 。 1 = 1 ，2 ，k 那么各方案p 。p ”，p 。对目标而言，其相对权重”与既。( l = i ，2 ，k ) 组合而得，即 尸毒w ；j ：1 ，2 ，n - l - l 2 ，k ( 1 _ 5 ) 这时得到的p ”k ( p 。“，p ：。，m “) 7 即为p 层各方案对目标的相对权 重向量，完成了总排序的任务。 i 4 本文的研究工作 1 4 i 本文的工作目标 由于多船会遇问题情况比两船会遇要复杂的多，这给多船避碰带来了很 多不便。常常是一条船要面对几条船同时行动，而总体决策要达到最优状况 很难实现。 本文的目的就是为了对船舶多船会遇的情况进行分析，判断本船与来船 的碰撞危险、会遇态势，做出最佳行动决策( 包括行动方案、时机和幅度) ， 实现决策最优化；根据决策利用m a t l a b 和v i s u a lb a s i c 软件设计实现一个 避碰专家系统并进行模拟仿真。该系统以船长的知识作为专家系统的知识， 以帮助驾驶员进行避让决策作为开发目标。 i 4 2 本文工作的主要内容 本文主要讨论多船会遇船舶避碰专家系统。本文以专家系统，模糊理论， 多目标决策为主要的研究工具和手段，建立了多船会遇船舶避碰专家系统的 框架，并且重点研究了多船会遇船舶避碰的决策方法。 通过对国内外有关资料进行学习，对船舶领域的知识进行分析，对船舶 避碰决策进行研究，完成了以下工作内容： ( 1 ) 、提出并建立了多船会遇船舶专家系统的基本结构： ( 2 ) 、用层次分析法实现多船会遇避碰决策，在碰撞危险度的基础上，实 现行动时机、避碰方案与转向幅度的计算； ( 3 ) 、设计了其中多个模块( 避碰决策，碰撞危险度，会遇态势，操纵运 9 武汉理工大学硕士学位论文 动仿真) ，实现了多船会遇避碰决策系统的自动仿真功能。 重点针对多船会遇的避碰决策问题进行研究，对避碰决策的行动，时机 以及幅度进行计算，模拟仿真。设计了船舶智能避碰系统软件，具有一定的 实用价值。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船舶避碰原理 2 1 船舶避碰阶段的划分 通常情况下，可以将船舶碰撞事故发生的过程划分成四个阶段。第一阶 段为不存在碰撞危险阶段；第二阶段为碰撞危险形成阶段：第三阶段为紧迫 局面形成阶段；第四阶段为紧迫危险局面形成阶段；最后是碰撞发生。如图 2 1 所示。 远距离 不存在 碰撞危 险 形成碰 撞危险 形成紧 迫局面 形成紧 迫危险 局面 发生碰 撞 图2 1 船舶避碰各阶段的划分 l 、不存在碰撞危险阶段 不存在碰撞危险，是根据国际上对1 9 7 2 年国际海上避碰规则( 以下简 称规则) 的解释和海上避碰的通常做法所取得的一个共识来认定的。含义 是当两船相距较远，即两船保持航向和航速将同时到达某一点而发生碰撞， 但由于距离较远，通常认为此时不存在碰撞危险，在这一阶段，规则的有 关条款不适用。从定量的角度解释，通常情况下，此阶段两船之间的距离至 少在6 海里以上。 2 、碰撞危险形成阶段 形成碰撞危险，是指两船相互驶近，符合规则第七条“碰撞危险” 的规定时，碰撞危险即形成。此时，规则中有关条款开始生效，船舶应按 照有关的规定采取行动，以避免碰撞事故的发生。“碰撞危险”是在规则 中经常出现的一个词汇，但是规则并没有给出明确的定义，对存在碰撞 危险时两船之间的适用距离也没有做出相应的规定。但是，从讯号灯的法定 最小能见距离推论，在此阶段两船之间的距离在3 6 海里之间。 3 、紧迫局面形成阶段 “紧迫局面”一词，规则没有给出定义。我国航海界在对这一概念的 分析研究和航海实践当中，认为“紧迫局面是指当两船接近到单凭一船的行 动已不能导致在安全距离上驶过时，紧迫局面即形成”，这一点已经基本取得 武汉理工大学硕士学位论文 共识。安全距离也即船舶领域，紧迫局面形成时，两船之间的距离至少是船 舶领域的距离加上船舶采取避碰行动所需的旋回距离或停车的冲程。 4 、紧迫危险局面形成阶段 “紧迫危险局面”一词，与紧迫局面一词类似，在规则中也没有给 出定义。我国航海界目前认为，“紧迫危险局面是指当两船接近到单凭一船的 行动已经不能避免碰撞时，紧迫危险局面即形成。”两船之间的距离接近到何 种程度，两船即形成紧迫局面，这是很难确定的。但是至少可以认为两船之 间的距离至少是一船已经进入另一船的旋回圈或者进入另一船倒车冲程的距 离之内，或者说当两船之间的距离已经小于采取满舵避让的最晚施舵距离时， 即可认为两船已形成紧迫危险局面。 如果紧迫危险局面不能避免发生，船舶的碰撞局面就会形成。 2 2 船舶避碰过程 要对船舶避碰领域的知识进行获取和处理，首先要对海上避碰过程加以 描述，明确知识获取的对象和范围。通常，船舶在海上航行时，两船相遇， 其避碰过程可用图2 2 所示的流程描述： 图2 2 避碰流程图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 船舶会遇形势的划分 根据规则的规定，可对船舶的各种会遇形势进行划分，划分的出发 点是船舶在互见中，本船为在航的机动船。 根据规则第十八条的规定，机动船在航时，如当时环境许可，应避 免妨碍限于吃水的船舶的安全通行，并应给下列船舶让路： ( 1 ) 失去控制的船舶； ( 2 ) 操纵能力受到限制的船舶； ( 3 ) 从事捕鱼的船舶： ( 4 ) 帆船。 因此，在船舶避碰决策中，作为在航的机动船应该承担“避免妨碍”的 责任和对上述4 种船舶让路的责任。鉴于目前对船舶种类的辨识，只能依靠 驾驶员进行识别，所以在与上述5 种船舶相遇并确定让路责任时，智能决策 系统需要对船舶种类进行人工输出，以便做出正确决策。 2 3 1 三种会遇形势 当两机动船在能见度良好的互见中相遇时，规则将两船之间的会遇 形势分为对遇局面、交叉相遇和追越三种情况。 在研制船舶避碰智能决策系统时，如果这样来划分船舶的会遇形势就显 得过于粗糙，难以满足避碰决策的需要。因此，根据所要建立的船舶避碰智 能决策系统的特点和需要，并考虑到不同方位上来船避碰操纵的特点，将船 舶之间的会遇形势分成如下的1 1 种形势： ( 1 ) 对遇 ( 2 ) 右舷对右舷对驶 ( 3 ) 右舷小角度交叉 ( 4 ) 右舷大角度交叉 ( 5 ) 本船左舷追越他船 ( 6 ) 本船右舷追越他船 ( 7 ) 他船左舷追越本船 ( 8 ) 他船右舷追越本船 ( 9 ) 左舷小角度交叉 2 9 2 5 2 7 0 2 4 7 5 3 5 40 l8 0 图2 3 0 6 0 0 9 0 1 1 2 5 武激理工大学硕士学位论文 f l 秘纛舷大囊发交叉 ( 1 1 ) 同向同速 上述各秘会逯形势哥投攥会遇凡楚熬知识，按霆2 3 徽具棼划分。 ( 1 ) 对遇 按照规则对“对遇羼越”f 2 l 的趣定，对遇局疆是指嚣规动般在穰反 的或接近褶反的航向上相遇致有构成碰撞危险的局面。即榈对方位b 6 4 ， 且c 在1 7 4 。1 8 6 。之间。 ( 2 ) 右舷对右舷髓驳 右舷对右舷对驶是指，当两机动船右舷对右舷对驶时，段然两船之间有 一定静会逶疆簿，餐楚会运鼹离在安全会遴距离之肉酶一耱危陵会遥静形 势。在这种会j 鼹形势下，由于两船对当时会遇局面判断上的差异，极可能产 生不按淫行动，导致磁撞事效发生，瓣蘧。遴掌毽称为蔻黢瓣袈。稳砖方毽 b 6 。，且航向麓a c 夜1 8 0 。1 8 6 。之间。 3 ) 右舷奎角发交叉 交叉相遇髓指两机动船航向交叉致有构成碰撞危险的局断。但怒不包括 “对遇”和“追越”髑蕊所涉及到的蹲船舷愈交叉的情况，浓船应位于左蠢 舷68 1 1 2 5 。舷角的鹬形区间肉。根攒船舶溅碰的特点又可以分为大角度交 叉和小角度交叉。右舷小角度交叉定义为：浓船相对方位8 为大于等于6 。， 小予609 静情凝，舔6 。8 6 0 。 ( 4 ) 右舷大角度交叉 表舷丈角泼交叉定义为来耱穗对方位b 舞大予簿予6 0 。，小予1 1 2 。5 。 的交叉相遇情况，即6 04 b 1 1 2 54 。 5 ) 本躲左舷遮越毽簸 按照规则的规定，追越是指船位于前船正横后大于2 2 5 。的某一 穷岛上。捣成遗越，瘦该渍是3 令条纷，弱躲载辐对经墨是憝整予蕊粪嬖熬 正横后犬于2 2 5 。的任一方向上：两船之间的距离是船能够看到前船的尾 灯；船的速度大于前船。 当本船鲍处于前船鲍1 8 0 4 b 一 2 4 7 5 。的方位之内追越他船时，为左 舷追越他船。 ( 6 ) 本躲右舷遮越谴船 当本船位于前船的1 1 2 5 。b 1 8 0 。的方位之内追越他船时，为右舷追 越毽艇。 ( 7 ) 他船追越本船 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 _ - _ _ - 。_ _ - w _ * _ 一一 。 链耱追越零躲是撂来麓锭子本麓1 1 2 。5 。 b 2 4 7 。5 。鹣方经之蠹，歪程 赶上本船。 ( 8 ) 左舷，、受发交叉 左舷小角度交叉楚指来船位于本船2 9 2 5 。b 3 5 44 方位之内交叉相遇 的情况。 ( 9 ) 左舷大角威交叉 赢舷大角度交叉魁指来船位于本船2 4 7 。5 。 b 2 9 2 。5 。方位之内交叉楣 遇的 孽况。 ( 1 0 ) 同向同速 丽囱露速楚靛蠢耱淹，速度魏丈夺氇耪溺。 2 。3 ，2 多船捆遢 规则对船舶会遇形势的划分以及责任和义务的确定，都是以两船棚 蘧交 l 摹建熬，警多麓秘遁，势豆存蠢疆撞莛陵露，烧剜没存鬣爨灵髂瓣 规定，按照目前国际和国内对规则的解释，多船会遇【4 】属于特殊情况， 在海上逶嚣多艇会遇数枣梅残碰撞娥浚瓣糖凝薅，艇靛驾驶曼逶誉是参考 规则的有关规定，运用良好船艺，采取避碰行动以避免碰撞事故的发生。 一般学者认为，多船会遐1 5 , 6 ，7 1 是会遇形戏戆特魏情况，规则对船魈 会遇形势的划分以及责任和义务的确定，都怒以两船会遇为前提的，笔者认 为多般会遇可以看成是两船会遇的综合，多船会遇弓 用单船会遇的基础知 识，鲡碰撞危险度鞋及碰撞阶段的怒分，避磁决策落可以运髑两船余遇避磁 的决策作为基础，运用决策论中的层次分析法加以有机的综台，形成合理优 豫瓣避磋方案。 2 。4 安全会遇距蓠 媲矍| i 第，k 条第4 款嫂定：“梵避受与继艇磁撞蠢采取豹行动，应撬 导致在安全的距离驶道。”这规定说明如果掰船可以在安全的距离驶过时， 可不必采取避磁行动，也说髓避碰规划是将能孬在安全豹距离通过终为判鼓 是否需要采取避碰行动的必要条件。同时也燎判断怒否存在碰撞危险的必要 条件。如果用d c p a 表示鼯船的最小邋过距离，用d c p a s 表示安全通过距离， 那么我们可戬遴过鄹断下式燕否成立来鄹断髓否安全通过。 武汉理工大学硕士学做论文 d c p a d c p a s 根据航海经验，通常认为1 4 ”，在大海上能见殿良好、天气晴好的白必，两艘 秀缱级憝舶豹d c p a 不应少予i nm i l e ：露农天气惑劣熬蟪滋下或旋夜阕戏 保持在2 nm i l e 左右：在能见度不良的水域中，或使用雷达进行避让，则两 艘万堍级船的d c p a 媳不应小于2 nm i l e 。显然，这些数据豹确定，与可靛 行水域的宽度、能觅魔、天气及其海况，以及船舶的大小诸黼素均肖一定的 关系。船舶安企会遇躐离与船舶领域肖密切联系的概念，它以船舶领域为熬 础，考虑了领域迭孬穰糊和船舶蕊测设备静躐测误蒙。通常试为g o o d w i n 的 观测最适宜于海上【4 4 1 。其观测结果为：对于本船右舷0 l1 2 5 0 的来船，安 全会逶距离设为0 。8 5 n m i l e ；对予1 1 2 。5 2 4 7 。5 8 静来艇，寰全会遴距离设 为0 4 5 n m i l e ；对于2 4 7 5 3 6 0 0 的来船，安穗会遇躐离设为o 7 0 n m i l e 。 2 5 避让责任 两船相遇在构成碰撞危险或无法保证在安全距离上通过，则相遇两船就 势必采取槌应行动，以消除存蒎的碰攮危险或确保薅船在安全会遏蹑离上驶 过。要确僳避讧行动有条不紊迪进行。事先必须规定衾遇两虢间的避证责任。 为了明确避让衡任，规则对避让资任进行了阐述，将避设责任划分为三 秘情况： ( 1 ) 要求一船不应妨碍另一船的安全通行； ( 2 ) 一艇应绘舅一嚣蘧赣，舅艇应僚速僳囊； ( 3 ) 要求两船均应采取避让行动，两舟辞负有同棹的避让责任和义务。 对乎避让燮强熬划分，强嚣海上避蘧援裂_ 主要燕摄撂嚣袭原刘，帮麓熬 几何关系和船舶间的谶让操纵能力。第一条原则是根据船舶间的会遇格局来 划分避让责任；第二条原则是艇定避渡操纵熊力优越的船舷废绘或威尽可煞 给避让操纵熊力差的船舶让路。具体说来船舶之间的避让责任可归纳为下几 点： ( i ) 无磁撞危险，剥自瞻采取杼动； ( 2 ) 存在碰撞危险，则负有避让责任； ( 3 ) 若本船秀毫航船，瑟f j 傈自髹速； ( 4 ) 若本船为让路船，则采取避让行动； ( 若本躯莓雯一楹动瓣左蘸交叉，剩零艇兔纛靛麓； ( 6 ) 若本船与另机动船右舷交叉，则本船为让路船； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 若零袈茺逡越舷，零耱爻诖路豁； ( 8 ) 若本船为被追越船，本船为直航船； ( 9 ) 对邀婕猿，两艇受蠢弱等避诖责谯； ( 1 0 ) j 擐入紧迫局面和危险情况，本船负有避让责任。 2 6 磁撞危险 磁撞危险，无论怒在船熊避碰领域还是夜海上交邋工程领域都怒一个+ 分重要的概念，国际海上避磁规则根据碰撞纸险来指导船舶避碰行动；碰撼 惫陵又决定着避碰窳溺懿逶震辩瓤；艇耱鸳袋员撮掇磁撞寇验确定避碰行动 的方式和采取避一行动的时机；交通裳全管理部门根据碰撞危险来确定应采 褒熬措施；甚楚艇熬镲羧颦门瞧要考悲艇舶靛行孛瓣磁蓬危羧。 2 。6 i 碰撞危险的定义 在规则中多次出现“碰撞危险”( 第五、八、十二、十四、十五、 卡丸条) ，毽缀剡没毒绘窭磁攮悫殓豹骥臻壤念。裁嬲意义上熬碰攮莛殓惫 括以下三个方面： 第一，如果保肉缳迷航移，谫船就会同时处于同一地点或接近同一地点， 邵两船处于d c p a 较小的航向庶； 第二，两船接近到一定稷度； 第三，两船翡行动其有不协调翦w 能性，毽并不簧求弼辩具备这三个条 件。 奁鞠圈环瀵嚣条佟下，不闻鹣船舶或不弼静耱受虢缀爵糖对当辩是否存 在碰撞危险产艇不同的理解。尽管碰撞危险的确定与众多因索有关，但其中 最重要瓣藏是鼹辍会遴瓣豹0 e 搬与铃瓢。 2 6 2 碰撞危险度的定义及划分 船舶碰撞危险度是用来评判碰摭危险的，它是船舶避磁领域的基本概 念，是铁事船舶避碰磷宠瓣学海都不越霾遴豹逡题。逡予貉熬碰撞熬殓痉豹 模糊性、不确定性等，现在尚光公认的度量方法。 掇据对般霸疆撞煞殓度确定躺标撩不冠，霹以分为嚣类；一类楚客双上 船舶间存在碰攘的可能性，即根据一定的客观指标评价船舶发生碰撞的可能 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 性，如在特定的会遇局面下，根据会遇船舶之间的d c p a 、两船的距离、t c p a 、 船舶速度、相对速度等所确定的船舶碰撞危险度；另一类是在特定的局面下 操船者所感觉到的碰撞危险，即所谓的主观碰撞危险。 关于船舶碰撞危险度还有另外一种划分方法，即微观碰撞危险度和宏观 碰撞危险度。宏观碰撞危险度是海上船舶交通领域中的碰撞危险度。微观碰 撞危险度是根据会遇船舶各方的具体情况，如航行水域、能见度、船货情况 以及驾驶员素质等进行研究评价，得出在该会遇中船舶发生碰撞的可能性。 我们通常说的碰撞危险度是指微观碰撞危险度。 2 6 3 影响船舶碰撞危险度的因素 影响船舶碰撞危险度的因素很多，一般认为包括下列各因素：d c p a 及 d c p a 的误差、t c p a 及t c p a 的误差、来船方位( 或舷角) 、本船和来船航速、 本船和来船的操纵性能、能见距离情况、航行水域情况、交通密度、船舶尺 度和驾驶员的经验等。 1 、在船舶碰撞危险度的研究中，d c p a 和t c p a 被公认为是影响船舶碰 撞危险度最重要的两个因素。d c p a 越小，碰撞危险度越大；t c p a 值越小， 碰撞危险度越大。 2 、来船的相对舷角也是影响船舶碰撞危险度的重要，其影响主要体现 在以下二个方面：第一。国际海上避碰规则规定对于不同舷角来船，本船的 责任与权利是不同的。所以船舶驾驶人员面临不同舷角来船时感觉到的碰撞 危险度也是不同的；第二，在实际航海过程中，不同的