(大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026)

復(fù)雜水域船舶密度較大，航行環(huán)境多變，發(fā)生碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)較高[1]，準(zhǔn)確地確定碰撞危險(xiǎn)度是實(shí)現(xiàn)船舶智能避碰的前提之一[2-3]。已有的研究考慮碰撞影響因素較少(大多考慮船位、航速、航向等因素)，未能體現(xiàn)風(fēng)、浪、流及能見(jiàn)度的影響[4-6]，并且計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度后，少有研究給出具體的航行方案和航行提示。因此，考慮設(shè)計(jì)一種利用原始數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜水域中碰撞危險(xiǎn)度的方法，將復(fù)雜水域中環(huán)境危險(xiǎn)和船舶危險(xiǎn)區(qū)別對(duì)待，提出環(huán)境危險(xiǎn)度的概念及計(jì)算方法，設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，構(gòu)建避碰規(guī)則庫(kù)，根據(jù)不同的環(huán)境和碰撞危險(xiǎn)，給出相應(yīng)的避碰方案，為駕駛員提供航行參考。

1 碰撞危險(xiǎn)度計(jì)算

1.1 數(shù)據(jù)處理

選取復(fù)雜水域中兩船相對(duì)航速(同時(shí)考慮兩船航速以及航向)、距離、能見(jiàn)度、風(fēng)、浪、流為碰撞主要影響因素。兩船相對(duì)航速利用幾何學(xué)的矢量合成得到，見(jiàn)圖1，航向不在影響因素中單獨(dú)列出。

圖1 相對(duì)航速示意

利用模糊理論對(duì)碰撞影響因素進(jìn)行模糊化處理。其中，由于航速跨度較大(0～30 kn)，所以利用二元對(duì)比排序法確定其隸屬度，其他影響因素用模糊分布方法確定隸屬度。

(1)

根據(jù)對(duì)海上避碰行為的研究，航速的模糊集分別用A(Vi)表示超低速(0～5 kn)、B(Vi)表示低速(0～10 kn)、C(Vi)表示中速(5～15 kn)、D(Vi)表示中高速(10～20 kn)、E(Vi)表示高速(15 kn以上)，U={V1,V2,V3,…,Vn}為給定的航速論域，利用二元對(duì)比排序法設(shè)計(jì)算法，確定論域U中的元素隸屬于模糊集超低速A(Vi)的隸屬度μA(Vi)。

步驟1。對(duì)任意的Vi?(0,5)，μA(Vi)=0。

步驟2。對(duì)任何一對(duì)Vi、Vj∈U進(jìn)行比較，得到以Vj為標(biāo)準(zhǔn)Vi隸屬于A(Vi)的程度值fVj(Vi)，以及以Vi為標(biāo)準(zhǔn)Vj隸屬于A(Vi)的程度值fVi(Vj)。

作如下假設(shè)：

(2)

可以得到相對(duì)隸屬程度矩陣如下。

(3)

步驟3。計(jì)算相對(duì)優(yōu)先度函數(shù)f(Vi/Vj)。

(4)

或

(5)

步驟4。以相對(duì)優(yōu)先度f(wàn)(Vi/Vj)為元素構(gòu)造相對(duì)優(yōu)先矩陣G。

(6)

步驟5。對(duì)相對(duì)優(yōu)先矩陣的每一行取最小值或平均值，即可得論域U中的元素隸屬于模糊集超低速A(Vi)隸屬度μA(Vi)。

(7)

或

(8)

對(duì)于模糊集B(Vi)低速(0～10 kn)、C(Vi)中速(5～15 kn)、D(Vi)中高速(10～20 kn)、E(Vi)高速(15 kn以上)隸屬度的確定同理，不過(guò)在步驟2相對(duì)隸屬程度的確定中，有些許差異，例如確定元素Vi隸屬于模糊集B(Vi)的隸屬度，如果0

(9)

其他模糊集的隸屬度同理。

一般認(rèn)為兩船相距>6 n mile，不致構(gòu)成緊迫局面，因此將兩船距離分為5個(gè)模糊集，分別為很近(DS)、較近(DMS)、中等(DM)、較遠(yuǎn)(DML)、很遠(yuǎn)(DL)，而在確定這5個(gè)模糊集的隸屬度時(shí)，采用模糊分布的方法，選擇最常用的隸屬函數(shù)(三角形隸屬函數(shù))來(lái)進(jìn)行量化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 兩船距離的隸屬度示意

能見(jiàn)度、風(fēng)、浪、流的隸屬度確定方法同理，其中能見(jiàn)度的模糊集為

{極差NS,較差NMS,中等NM,較好NML,良好NL}。

風(fēng)的模糊集為

{小風(fēng)WS,較小風(fēng)WMS,中等風(fēng)WM,較大風(fēng)WML,大風(fēng)WL,極大風(fēng)WVL}。

浪的模糊集為

{輕浪LS,較輕浪LMS,中浪LM,較大浪LML,大浪LL}。

流的模糊集為

{弱流FS,較弱流FMS,中流FM,較強(qiáng)流FML,強(qiáng)流FL}。

1.2 碰撞危險(xiǎn)度計(jì)算

定義1[7]。船舶碰撞危險(xiǎn)度(collision risk, CR)表示船舶在其航行過(guò)程中發(fā)生碰撞危險(xiǎn)的可能性大小及相應(yīng)碰撞程度的重要參數(shù)。

根據(jù)定義1，構(gòu)建計(jì)算方法。

(10)

式中：CR為碰撞危險(xiǎn)度，取值范圍為(0,1);w為每個(gè)影響因素的重要程度;μ為每個(gè)影響因素的元素對(duì)于某個(gè)模糊集的隸屬度;r為某個(gè)模糊集的危險(xiǎn)度。參考文獻(xiàn)[8]的方法，碰撞影響因素的重要程度值w分配如下：wV=0.21，wd=0.29，wn=0.18，ww=0.12，wl=0.11，wf=0.09。

定義2。環(huán)境危險(xiǎn)度(collision risk of environment, CRE)為在特定的航行環(huán)境下，由于環(huán)境因素(包括能見(jiàn)度、風(fēng)、浪、流等)造成的船舶之間碰撞的可能性，是衡量環(huán)境危險(xiǎn)程度的重要參數(shù)。

(11)

不同影響因素的不同模糊集賦予不同的危險(xiǎn)度，見(jiàn)表1。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

構(gòu)建兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：碰撞危險(xiǎn)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境危險(xiǎn)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、樣本庫(kù)、推理機(jī)制等三部分構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

表1 不同影響因素的各種模糊集對(duì)應(yīng)的碰撞危險(xiǎn)度

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)輸入模糊化層，包括n個(gè)碰撞危險(xiǎn)度影響因素的輸入節(jié)點(diǎn)xi和模糊隸屬度節(jié)點(diǎn)μi，二者連接為隸屬度傳遞函數(shù)，具體見(jiàn)1.1。

2)3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括隸屬度節(jié)點(diǎn)μi、基于樣本庫(kù)和推理機(jī)制進(jìn)行學(xué)習(xí)的隱含節(jié)點(diǎn)xj以及輸出節(jié)點(diǎn)yi，其中

xj=f(wij+bi)

(12)

wij為節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)重，f為傳遞函數(shù)，bi為偏置；

3)輸出反模糊化，將輸出節(jié)點(diǎn)yi經(jīng)過(guò)反模糊化后得到輸出結(jié)果。

2.2 專家系統(tǒng)的構(gòu)建

專家系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)，具體工作流程見(jiàn)圖4。

圖4 專家系統(tǒng)流程

3 仿真和結(jié)果分析

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練

在計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度時(shí)，輸入節(jié)點(diǎn)為相對(duì)航速(V)、兩船距離(d)、能見(jiàn)度(n)、風(fēng)(w)、浪(l)、流(f)，構(gòu)建了一個(gè)6輸入1輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)采用2n+1=13個(gè)。

構(gòu)建了含86條樣本的樣本庫(kù)，以供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。從圖5可以看出經(jīng)過(guò)4 287次訓(xùn)練后，均方差開(kāi)始收斂，碰撞危險(xiǎn)度的擬合值和實(shí)際值見(jiàn)圖6，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度較為準(zhǔn)確，誤差較小，不超過(guò)0.03。

圖5 碰撞危險(xiǎn)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

圖6 碰撞危險(xiǎn)度擬合值和實(shí)際值比較

在計(jì)算環(huán)境危險(xiǎn)度時(shí)，同樣選取了86種航行情況，利用式(11)進(jìn)行計(jì)算，輸入節(jié)點(diǎn)為能見(jiàn)度(n)、風(fēng)(w)、浪(l)、流(f)4種環(huán)境危險(xiǎn)度影響因素，輸出為環(huán)境危險(xiǎn)度，構(gòu)建了4-9-1的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖7 環(huán)境危險(xiǎn)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

從圖7可以看出經(jīng)過(guò)1 073次訓(xùn)練后，均方差開(kāi)始收斂，環(huán)境危險(xiǎn)度的擬合值和實(shí)際值對(duì)比見(jiàn)圖8，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境危險(xiǎn)度的效果較好，誤差較小，不超過(guò)0.01。

圖8 環(huán)境危險(xiǎn)度擬合值與實(shí)際值比較

3.2 專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在復(fù)雜水域?qū)嶋H船舶航行中，主要有3種會(huì)遇態(tài)勢(shì)：對(duì)遇、追越、交叉相遇，《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》對(duì)不同的會(huì)遇態(tài)勢(shì)下采取避碰行動(dòng)有不同的規(guī)定，船舶智能避碰專家系統(tǒng)分別對(duì)這3種會(huì)遇態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中的兩艘船舶參數(shù)見(jiàn)表2，同時(shí)，設(shè)計(jì)了3種航行仿真情況，3種航行情況的參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 實(shí)驗(yàn)船舶參數(shù)

表3 航行情況參數(shù)

1)情形分析一。兩船航行的仿真模擬見(jiàn)圖9a)，利用提出的計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度的方法結(jié)果見(jiàn)圖9b)，可見(jiàn)隨著兩船距離的減少，碰撞危險(xiǎn)度逐漸增加。

將航行參數(shù)輸入后，如有危險(xiǎn)，會(huì)出現(xiàn)警告提醒界面，同時(shí)觸發(fā)警報(bào)裝置，提醒駕駛員注意。而后會(huì)顯示見(jiàn)圖9c)的避碰方案界面，同時(shí)顯示碰撞危險(xiǎn)度和環(huán)境危險(xiǎn)度，避碰專家系統(tǒng)判斷出該種局勢(shì)已構(gòu)成對(duì)遇局勢(shì)，并且提示駕駛員導(dǎo)致碰撞的重點(diǎn)原因是船舶，應(yīng)重點(diǎn)注意目標(biāo)船的動(dòng)態(tài)，給出避碰方案。

圖9 情形一

2)情形分析二。兩船航行的仿真模擬及碰撞危險(xiǎn)度的變化見(jiàn)圖10a)、b)，可見(jiàn)兩船的碰撞危險(xiǎn)度隨距離的減小近乎于呈線性上升，智能避碰專家系統(tǒng)判斷的結(jié)果見(jiàn)圖10c)，同時(shí)也會(huì)觸發(fā)警告界面和警報(bào)裝置。隨后計(jì)算出開(kāi)始時(shí)碰撞危險(xiǎn)度約為0.611，環(huán)境危險(xiǎn)度約為0.703，環(huán)境因素導(dǎo)致的碰撞危險(xiǎn)較大，并且該種情形構(gòu)成了追越局面，推薦航行方案如專家系統(tǒng)界面所示，尤其注意環(huán)境因素，遵守避碰規(guī)則，有效實(shí)現(xiàn)避碰。

圖10 情形二

3)情形分析三。兩船航行的仿真模擬見(jiàn)圖11a)，碰撞危險(xiǎn)度的變化見(jiàn)圖11b)，可見(jiàn)情形開(kāi)始時(shí)碰撞危險(xiǎn)就高達(dá)0.692，并且隨著兩船距離減少，碰撞危險(xiǎn)增加。系統(tǒng)在觸發(fā)警告界面和警報(bào)裝置后，顯示界面見(jiàn)圖11c)，判斷出該種情形的碰撞危險(xiǎn)主要由目標(biāo)船和環(huán)境因素共同導(dǎo)致，并且構(gòu)成了交叉相遇局勢(shì)，根據(jù)避碰規(guī)則和航行習(xí)慣，給出航行方案。

圖11 情形三

4 結(jié)論

1)對(duì)遇、追越、交叉相遇3種會(huì)遇態(tài)勢(shì)仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的復(fù)雜水域智能避碰專家系統(tǒng)可以根據(jù)原始數(shù)據(jù)直接計(jì)算出碰撞危險(xiǎn)度和環(huán)境危險(xiǎn)度，并且能夠根據(jù)危險(xiǎn)度和航行環(huán)境，提示駕駛員重點(diǎn)注意的碰撞影響因素，給出不同的航行提示和建議，符合避碰規(guī)則和航行習(xí)慣。

2)在實(shí)際航行中，兩船航速、航向、距離、能見(jiàn)度等信息可以通過(guò)AIS和雷達(dá)得到，風(fēng)、浪可以通過(guò)風(fēng)速記錄儀測(cè)得，海流可以通過(guò)多普勒計(jì)程儀和GPS顯示的船舶對(duì)地、對(duì)水航速推算得到，因此可以結(jié)合實(shí)時(shí)的船舶航行數(shù)據(jù)與智能避碰專家系統(tǒng)進(jìn)行判斷，具有應(yīng)用價(jià)值。

3)在提出環(huán)境危險(xiǎn)度時(shí)，已考慮能見(jiàn)度、風(fēng)、浪、流等多個(gè)氣象環(huán)境影響因素，實(shí)際上淺水效應(yīng)和岸壁效應(yīng)等航行環(huán)境的作用也不容忽視，所以今后應(yīng)結(jié)合淺水效應(yīng)和岸壁效應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)度作更深入的研究。