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海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)的來源和決策流程初探 1引言 海船避碰專家系統(tǒng)（仿人智能自動(dòng)避碰控制系統(tǒng)），對(duì)于降低碰撞事故具有重要的實(shí)用價(jià)值，也是實(shí)現(xiàn)完全自導(dǎo)的智能化船舶的重要組成部分。近年來，國內(nèi)外海運(yùn)界學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了不少理論研究，但與實(shí)用化尚有一定距離。專家系統(tǒng)的性能取決于知識(shí)庫的質(zhì)量，而知識(shí)庫的質(zhì)量又取決于所獲取的領(lǐng)域知識(shí)的質(zhì)量及可操作性。因此，明晰領(lǐng)域知識(shí)的來源，對(duì)碰撞危險(xiǎn)的判斷、決策過程予以量值化并明確其流程是建構(gòu)實(shí)用化的海船避碰專家系統(tǒng)的必要步驟。 2領(lǐng)域知識(shí)的來源 海船避碰行動(dòng)的過程為：觀察——判斷——決策?！?972年國際海上避碰規(guī)則》[1]（以下簡稱《海規(guī)》）第五條“了望”對(duì)觀察作了規(guī)定：“每一船舶應(yīng)經(jīng)常用視覺、聽覺以及適合當(dāng)時(shí)環(huán)境和情況下一切有效的手段保持正規(guī)的了望，以便對(duì)局面和碰撞危險(xiǎn)作出充分的估計(jì)?！? 觀察的項(xiàng)目至少應(yīng)包括：航區(qū)水域、能見度、通航密度、本船操縱性能、風(fēng)浪流情況、航速、吃水和可用水深的關(guān)系，雷達(dá)等助航設(shè)備可能的誤差、來船的距離、方位、航向及動(dòng)態(tài)，等等. 通過觀察所收集的信息，與專家系統(tǒng)知識(shí)庫中的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行比較、推理，以確定碰撞危險(xiǎn)程度、會(huì)遇局面的構(gòu)成、本船的權(quán)利和義務(wù)、應(yīng)采取的避讓措施，并查核避讓行動(dòng)的有效性及避讓結(jié)果，即為判斷與決策過程。下面列出海船避碰專家系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)的來源。 2.1《1972年國際海上避碰規(guī)則》 《海規(guī)》是協(xié)調(diào)海上船舶避碰的技術(shù)指導(dǎo)和法律規(guī)范，其中可作為領(lǐng)域知識(shí)的內(nèi)容有：伓員莧迷鶉蔚墓娑ǎ*?對(duì)避讓行動(dòng)的規(guī)定；?對(duì)避讓信號(hào)的規(guī)定。這些規(guī)定，也是專家系統(tǒng)知識(shí)庫的建構(gòu)的基礎(chǔ)和約束條件，但在具體操作的量化上，尚需其他方面專家知識(shí)的補(bǔ)充。 2.2專家意見 專家意見往往是良好的船藝和船員通常做法或當(dāng)時(shí)特殊情況所可能要求的戒備的總結(jié)歸納，或基于《海規(guī)》、幾何關(guān)系，操縱特性等方面考慮的數(shù)量推導(dǎo)，是《海規(guī)》在具體操作和量化方面的重要補(bǔ)充。比較典型的專家意見有：A.N.科克羅夫特和J.N.F.拉梅杰合著的《海上避碰規(guī)則指南》[2]；藤井首創(chuàng)并由Goodwin拓廣至開闊水域的船舶領(lǐng)域（Vesselsdomain）、Davis的動(dòng)界（Arena）[3]；Colley的RDRR；還有本文提及的我國學(xué)者的意見。 2.3駕駛員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 大連海運(yùn)學(xué)院船藝教研室1985年通過向我國海員散發(fā)“海上避碰實(shí)況調(diào)查表”獲得了202次避碰實(shí)況數(shù)據(jù)[3]，吳兆麟和王逢辰通過統(tǒng)計(jì)獲取的互見中能見度不良時(shí)，讓路船采取避碰行動(dòng)的四個(gè)特征量：伈扇”芘魴卸繃醬嗬隓；?采取避碰行動(dòng)時(shí)，目標(biāo)船會(huì)遇最近距離DCPA；?轉(zhuǎn)向避碰行動(dòng)的幅度AC；?兩船實(shí)際通過距離D。 2.4自動(dòng)避碰數(shù)學(xué)模型 任茂東、錢玉林、楊鹽生、周顯著、趙勁松等在《中國航海》、《大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)》發(fā)表了各自的研究結(jié)果，即自動(dòng)避碰數(shù)學(xué)模型的研討及海上避碰規(guī)則指南。 3磁撞危險(xiǎn)的判斷及避讓時(shí)機(jī) 為了避免碰撞的發(fā)生，藤井建立了單一通航道中的船舶領(lǐng)域模型，該模型為對(duì)稱于被保護(hù)船的一個(gè)橢圓。Goodwin將此理論的應(yīng)用范圍拓延至開闊水域，并將模型改建為依左、右舷燈及尾燈照射范圍區(qū)分的三個(gè)扇區(qū)，考慮到《海規(guī)》對(duì)避讓責(zé)任的規(guī)定，三個(gè)扇區(qū)的外邊界與本船的距離有所不同，比如，在Goodwin建立的北海南部船舶領(lǐng)域模型中，它們的取值分別為0.7海里、0.8海里和0.45海里。 實(shí)質(zhì)上，船舶領(lǐng)域是該船周圍的有效水域。該船駕駛員將他船保持在該區(qū)域之外，是船舶保持航行安全所需水域。船舶領(lǐng)域可看作在避讓時(shí)，保證兩船安全駛過的最小距離在船舶360度方位上的分布。船舶領(lǐng)域邊界與該船的距離隨方位變化，其尺度約為船長的數(shù)倍。 船舶領(lǐng)域是駕駛員為了避免碰撞而希望保持的有效區(qū)域，但碰撞危險(xiǎn)存在的范圍遠(yuǎn)大于該領(lǐng)域。為了避免船舶領(lǐng)域被其他物標(biāo)侵入，必須在更遠(yuǎn)的距離上提前采取避讓行動(dòng)，這一距離稱為動(dòng)界。Davis等人在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了動(dòng)界模型，該模型是一個(gè)半徑為2.7海里的圓。將假想的船置于動(dòng)界圓心使真船向左下方偏離，真船與假船（圓心）距離為1.7海里，方向從假想船船首向順時(shí)針方向起算199度處。 同樣考慮保持船舶領(lǐng)域不受其他物標(biāo)侵入，但不從距離而是從時(shí)間因素出發(fā)，Colley提出了RDRR模型。RDRR指目標(biāo)沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)線距本船領(lǐng)域邊界的距離與其接近速度之比，單位為分鐘。RDRR實(shí)質(zhì)為如會(huì)遇兩船保向保速，則他船到達(dá)本船船舶領(lǐng)域邊界所需時(shí)間。在開闊水域且互見的情況下，一些學(xué)者推薦碰撞危險(xiǎn)存在的RDRR為20分鐘。 此外，國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了采用模糊集合或可拓集合論確定海船碰撞危險(xiǎn)及避讓相對(duì)開始距離或時(shí)刻的探討，但迄今尚未達(dá)到成熟實(shí)用的程度。 以上專家依據(jù)可供知識(shí)庫建構(gòu)時(shí)判斷碰撞危險(xiǎn)及避讓時(shí)機(jī)的參考。 當(dāng)前航海實(shí)踐中，對(duì)碰撞危險(xiǎn)的判斷，通常是根據(jù)DCPA和TCPA是否小于置定的期望值,若小于期望則認(rèn)為有碰撞危險(xiǎn)?？紤]到現(xiàn)階段大多數(shù)海船的航行速度，為簡化避讓模型，可以考慮將時(shí)間因素轉(zhuǎn)化合并為距離因素。 王逢辰根據(jù)《海規(guī)》條文，特別是號(hào)燈可見距離的規(guī)定，提出了互見中兩船以不變的羅經(jīng)方位相互駛近時(shí)，按所處的相對(duì)位置和允許的或規(guī)定的行動(dòng)，將船舶會(huì)遇分成四個(gè)階段。[4]。 3.1自由行動(dòng)階段 在遠(yuǎn)距離，碰撞危險(xiǎn)存在之前，兩船可以自由采取行動(dòng)。兩船距離以6海里為界。 3.2致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)階段 當(dāng)兩船接近到有碰撞可能性時(shí)開始，《海規(guī)》規(guī)定讓路船應(yīng)及早采取大幅度行動(dòng)，以便兩船能在安全距離上駛過，直航船此時(shí)必須保向保速。兩船距離，一般可以在3到6海里左右。 3.3緊迫局面階段 當(dāng)兩船接近到單憑讓路船的行動(dòng)已經(jīng)不能達(dá)到在安全距離上駛過時(shí)，緊迫局面已經(jīng)形成。這一階段兩船距離一般可以認(rèn)為從小于3海里開始到1海里左右。 3.4緊迫危險(xiǎn)階段 由于接近中的兩船，在開始形成緊迫局面以后，沒有及時(shí)按《海規(guī)》采取行動(dòng)以避免緊迫局面，而導(dǎo)致碰撞即將發(fā)生，即出現(xiàn)緊迫危險(xiǎn)。這時(shí)雙方都應(yīng)采取最有效避免碰撞的行動(dòng)，包括背離規(guī)則的規(guī)定，以達(dá)到避免碰撞或減輕碰撞損失。此時(shí)兩船距離大約是本船船長的幾倍。 筆者認(rèn)為，王逢辰的這個(gè)劃分是比較合理的，經(jīng)比較和分析，第(2)階段和第(4)階段分別與動(dòng)界和船舶領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)，因此，如采用動(dòng)界和船舶領(lǐng)域的數(shù)量模型對(duì)各階段開始時(shí)不同方位上兩船距離進(jìn)行細(xì)化，可作為知識(shí)庫中碰撞危險(xiǎn)及避讓時(shí)機(jī)（距離）判斷的領(lǐng)域知識(shí)。 4局面的構(gòu)成及避讓決策流程 《海規(guī)》對(duì)船舶在互見中的行動(dòng)規(guī)則和船舶在能見度不良時(shí)的行動(dòng)規(guī)則分別作了規(guī)定。因此，應(yīng)根據(jù)觀察信息對(duì)能見度狀況作出判斷?！逗Ｒ?guī)》第三條對(duì)能見度不良作了定義，但無量化的規(guī)定。根據(jù)海上習(xí)慣，當(dāng)能見度小于5海里時(shí)，即應(yīng)備車航行；當(dāng)能見度2海里時(shí)，應(yīng)按《海規(guī)》第三十五條的規(guī)定鳴放霧號(hào)。實(shí)際執(zhí)行中，即使有輕霧，兩船可能在大于2海里的距離上互見，此時(shí)應(yīng)執(zhí)行互見中的行動(dòng)規(guī)則。 4.1能見度不良時(shí)的避讓行動(dòng) 雷達(dá)是能見度不良時(shí)的主要助航設(shè)備，當(dāng)應(yīng)用雷達(dá)避碰時(shí)，對(duì)于一般船舶推薦選用12海里距離標(biāo)尺。一般認(rèn)為(12～8)海里為判定碰撞危險(xiǎn)階段； (8～6)海里為避讓行動(dòng)階段； (6～4)海里為查核階段；4海里以內(nèi)為即將形成緊迫局面階段。一般認(rèn)為，能見度不良時(shí)會(huì)讓安全標(biāo)準(zhǔn)是DCPA不少于2海里。 能見度不良時(shí)的避讓措施包括減速和轉(zhuǎn)向。《海規(guī)》第十九條5款規(guī)定：“除已斷定不存在碰撞危險(xiǎn)外，每一船舶當(dāng)聽到他船的霧號(hào)顯似在本船正橫以前，或者與正橫以前的他船不能避免緊迫局面時(shí)，應(yīng)將航速減到能維持其航向的最小速度。必要時(shí)，應(yīng)把船安全停住," 科克羅夫特[2]認(rèn)為，在需要轉(zhuǎn)向避讓時(shí)，為使他船用雷達(dá)容易觀察到，轉(zhuǎn)向幅度至少應(yīng)達(dá)到30度，若航速不變，最好在60度以上。有關(guān)規(guī)則[1]規(guī)定：轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)盡可能避免：伋員蛔吩醬猓哉崆暗拇安扇∠蜃笞潁*?對(duì)正橫或正橫后的船舶采取朝著它轉(zhuǎn)向。 科克羅特還推薦，當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到不同方位來船時(shí)，本船航向改變的避碰操縱圖。 4.2船舶在互見中的避讓行動(dòng) 4.2.1根據(jù)船舶種類確定的避讓責(zé)任 互見中，除了《海規(guī)》在狹水道、分道通航制水域、追越的條款中另有規(guī)定，本船與他船構(gòu)成會(huì)遇局面時(shí)，首先應(yīng)依照船舶種類確定避讓責(zé)任。《海規(guī)》第十八條根據(jù)各類船舶操縱性能優(yōu)劣、避讓能力的大小，確定了船舶間的責(zé)任和業(yè)務(wù)，其排列順序?yàn)椋巷w機(jī)、機(jī)動(dòng)船、帆船、從事捕魚的船舶、限于吃水的船舶、操縱能力受到限制的船舶和失去控制的船舶。排在前面的船舶種類，義務(wù)大些，權(quán)利小點(diǎn)，排在后面的相對(duì)權(quán)利大些，義務(wù)小點(diǎn)。 4.2.2一般情況下會(huì)遇局面的構(gòu)成及避讓 《海規(guī)》第十三條、第十四條、第十五條根據(jù)會(huì)遇中兩船的相對(duì)方位和航向及碰撞可能性分別定義了追越、對(duì)遇和交叉相遇三種局面（后兩種局面只適用于會(huì)遇中兩船均為機(jī)動(dòng)船），下面分別討論本船在不同局面中的避讓責(zé)任及避讓決策。 1)對(duì)遇局面：本船與他船避讓責(zé)任相同，《海規(guī)》規(guī)定兩船各應(yīng)向右轉(zhuǎn)向，為符合《海規(guī)》對(duì)避讓行動(dòng)“早、大、寬”的要求，開始轉(zhuǎn)向時(shí)，兩船距離應(yīng)處于上述[4]第(2)階段，轉(zhuǎn)向幅度應(yīng)不少于10度。 2)交叉相遇局面：如有他船在本船左舷，本船為被讓路船，本船應(yīng)保向、保速。如有他船在本船右舷，本船為讓路船。一些學(xué)者將此局面分為小角度交叉和大角度交叉兩種情況。 小角度交叉時(shí)，本船處于他船舷角6度(Q(30度（也有學(xué)者認(rèn)為6度(Q(45度〉的方位。此時(shí)兩船相對(duì)速度大，兩船接近快，本船應(yīng)向右轉(zhuǎn)向顯示紅舷燈，從被讓路船船尾后方駛過，并鳴放操縱聲號(hào)和（或）顯示操縱號(hào)燈。大角度交叉時(shí)，本船處于他船舷角30度(Q(112．5度的方位。此時(shí)，相對(duì)速度小，兩船接近慢，相持時(shí)間較長。本船可根據(jù)觀察信息，視兩船橫距大小或航行環(huán)境，從以下三種避讓措施中選擇最優(yōu)者：伒繃醬峋嘟閑。胰糜欣?，左侧水域宽阔縿x扇〈蠓認(rèn)蜃笞潁栽齟蠛峋啵匾笨勺笞蝗?，葟洷横u韌?，并鸣放操纵声号和（粷}┫允靜僮鶯諾啤*?若右讓或左讓均有困難，可采取減速或停車，讓直航船從本船前方駛過。?當(dāng)兩船橫距較大，可采取大幅度向右轉(zhuǎn)向避讓，從直航船尾駛過，并鳴放操縱聲號(hào)和（或）顯示操縱號(hào)燈。 3)追越局面：若本船為被迫越船，則本船為被讓路船（直航船），本船應(yīng)保向保速。若本船為追越船，則本船為讓路船。當(dāng)與前船距離達(dá)到上述[4]第(2)階段（或動(dòng)界邊界），應(yīng)用聲號(hào)征得前船同意后開始追越行動(dòng)。超越前船過程中，本船首尾線最好與被追越船首尾線呈發(fā)散角度，至少應(yīng)成平行線。為防止發(fā)生船吸，兩船的橫距應(yīng)保持一安全值，甄德福認(rèn)為，此時(shí)安全通過距離至少為被追越船船長的4倍，直至駛過讓清為止。 以上局面中，如本船為被規(guī)定保向、保速的被讓路船，當(dāng)發(fā)現(xiàn)讓路船沒有按《海規(guī)》要求采取避讓行動(dòng)，則本船應(yīng)在發(fā)出警告聲號(hào)后，獨(dú)自采取避碰行動(dòng)，如由于航行環(huán)境等原因單憑讓路船的行動(dòng)不能避免碰撞時(shí)，本船也應(yīng)采取最有效避碰的行動(dòng)。 在避讓過程中，本船應(yīng)采用ARPA試操船或本文上述我國學(xué)者建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)避讓行動(dòng)的有效性及避讓結(jié)果進(jìn)行核查。 5結(jié)論 1)綜述了海船避碰專家系統(tǒng)知識(shí)庫領(lǐng)域知識(shí)的來源。 2)對(duì)海船避碰過程中，碰撞危險(xiǎn)以及避讓時(shí)機(jī)（距離）進(jìn)行了討論，提出采用王逢辰劃分的船舶行動(dòng)階段，并以動(dòng)界和船舶領(lǐng)域模型進(jìn)行數(shù)量化，可作為知識(shí)庫對(duì)碰撞危險(xiǎn)和避讓時(shí)機(jī)進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)。 3)筆者提出了專家系統(tǒng)避讓決策的初步流程。 第 8 頁 共 8 頁