嚴(yán) 科

（中國(guó)海警局直屬第四局，海南 文昌 571339）

復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法不夠成熟完善，有些任務(wù)或環(huán)境條件不適合有人船工作，而智能化無(wú)人船舶操縱系統(tǒng)智能化水平不足，有待研發(fā)人員進(jìn)一步進(jìn)行開(kāi)發(fā)。2014 年谷歌公司開(kāi)始研發(fā)汽車無(wú)人駕駛項(xiàng)目，后來(lái)無(wú)人機(jī)駕駛、無(wú)人船駕駛等項(xiàng)目也相繼誕生，人工智能技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息融合技術(shù)為復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法提供了新的思路。

1 內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法

1.1 內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)避障影響因素

內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)避障影響因素主要包括內(nèi)河橋區(qū)安全水域、內(nèi)河船橋安全距離、船位限制、航向限制、航道邊界的限制。進(jìn)入橋孔前、橋孔入口處、船舶整體通過(guò)橋孔后船舶操縱系統(tǒng)避障不當(dāng)都會(huì)出現(xiàn)碰撞事故。

1.2 內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)避障算法

首先，需要根據(jù)橋墩墩型計(jì)算系數(shù)、橋墩墩型、橋墩計(jì)算寬度、紊流區(qū)域?qū)挾取蚨斩招偷玫酱瑯虬踩嚯x。

其次，根據(jù)船舶參數(shù)、橋墩參數(shù)、是否通過(guò)橋區(qū)水域、最大偏移量、風(fēng)流壓差角、轉(zhuǎn)向、橋梁的垂直距離是否小于橋區(qū)安全水域、是否通過(guò)橋孔、是否滿足約束條件、是否滿足航道邊界約束、轉(zhuǎn)舵方向得到最佳內(nèi)河橋區(qū)水域船舶操縱過(guò)程，避免碰撞事故出現(xiàn)。模型約束條件主要包括轉(zhuǎn)向角的限制、航道邊界的限制、相鄰轉(zhuǎn)向點(diǎn)之間的距離限制[1]。

1.3 差分進(jìn)化算法下船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法

差分進(jìn)化算法下可以先根據(jù)種群規(guī)模、基因長(zhǎng)度、虛擬航標(biāo)點(diǎn)集合、隨機(jī)生成轉(zhuǎn)舵角度、轉(zhuǎn)舵角度、虛擬航標(biāo)點(diǎn)生成基因、個(gè)體適應(yīng)度生成初始種群，并將生成的個(gè)體添加到初始種群，然后可以根據(jù)種群規(guī)模、基因長(zhǎng)度、最優(yōu)個(gè)體的情況初始化種群，最后即可根據(jù)該算法進(jìn)行變異操作、交叉操作、選擇操作，以此來(lái)判斷當(dāng)前種群的最優(yōu)個(gè)體以及當(dāng)前算法是否滿足停止條件。差分進(jìn)化算法能夠根據(jù)內(nèi)河彎道水域的基本情況和船舶轉(zhuǎn)向點(diǎn)的轉(zhuǎn)向角度、航行時(shí)間，驗(yàn)證內(nèi)河彎道水域船舶操縱路徑是否正確，根據(jù)轉(zhuǎn)向點(diǎn)坐標(biāo)、轉(zhuǎn)舵時(shí)間、轉(zhuǎn)舵角度即可保障船舶在內(nèi)河彎道水域順利通過(guò)。

1.4 內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)功能需求

內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)必須滿足系統(tǒng)登錄、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與解析、船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬、內(nèi)河橋區(qū)水域船舶操縱仿真、內(nèi)河彎道水域船舶操縱仿真、Web 端后臺(tái)管理系統(tǒng)等功能。內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)功能可以分為Web 端后臺(tái)管理系統(tǒng)、Windows 端仿真訓(xùn)練平臺(tái)兩部分，Web 端后臺(tái)管理系統(tǒng)可以分成系統(tǒng)管理、參數(shù)管理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理三部分，Windows端仿真訓(xùn)練平臺(tái)可以分成船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬、內(nèi)河橋區(qū)水域船舶操縱模擬、內(nèi)河彎道水域船舶操縱模擬三部分。其中系統(tǒng)管理包括人員管理、角色權(quán)限管理等功能；參數(shù)管理包括船舶參數(shù)管理、航道參數(shù)管理等功能；訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理包括航道環(huán)境參數(shù)管理、船舶駕駛員訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理等功能。船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬包括船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬、船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整、船舶旋回試驗(yàn)驗(yàn)證等功能；內(nèi)河橋區(qū)水域船舶操縱模擬包括橋區(qū)安全水域計(jì)算、船橋安全距離計(jì)算、橋區(qū)水域船舶模擬操縱模型建立、橋區(qū)水域船位約束條件計(jì)算等功能；內(nèi)河彎道水域船舶操縱模擬包括彎道水域虛擬航標(biāo)點(diǎn)設(shè)置、彎道水域約束條件計(jì)算、彎道水域船舶操縱模型建立、差分進(jìn)化算法、解析轉(zhuǎn)向點(diǎn)集合等功能。

1.5 內(nèi)河彎道水域船舶操縱系統(tǒng)工作流程

船舶操縱人員登錄系統(tǒng)后可以選擇訓(xùn)練模式、訓(xùn)練船舶、訓(xùn)練環(huán)境和場(chǎng)景。若訓(xùn)練場(chǎng)景為橋區(qū)水域，則設(shè)置船舶運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)、計(jì)算橋區(qū)安全水域和船橋安全距離、計(jì)算橋區(qū)水域約束條件、橋區(qū)水域船舶操縱模型建模、內(nèi)河船舶運(yùn)動(dòng)模型模擬運(yùn)動(dòng)，根據(jù)是否滿足約束條件決定是否進(jìn)行船舶轉(zhuǎn)舵，根據(jù)是否通過(guò)橋水區(qū)域決定是否結(jié)束訓(xùn)練模式，最終將操作數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)置船舶運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)后也可以直接計(jì)算虛擬航標(biāo)點(diǎn)、計(jì)算約束條件、內(nèi)河彎道水域船舶操縱模型建模、差分進(jìn)化算法求解、解碼算法解碼，這樣可以得到返回轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)，最好根據(jù)內(nèi)河船舶運(yùn)動(dòng)模型模擬運(yùn)動(dòng)判斷是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，并決定是否退出訓(xùn)練模式[2]。

2 路徑規(guī)劃船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法

2.1 船舶操縱性影響因素

船舶操縱性主要受船舶參考安全距離、地理環(huán)境等因素影響，其中船舶參考安全距離需要根據(jù)船舶領(lǐng)域的邊界、航程、航向線夾角、航速、航行時(shí)間計(jì)算，這樣才能根據(jù)船舶轉(zhuǎn)向所用時(shí)間、船舶轉(zhuǎn)向所用航程、航速等參數(shù)得到靜態(tài)路徑規(guī)劃中的船舶參考安全距離。地理環(huán)境不同則選取的轉(zhuǎn)向舵角、船舶速度也存在一定差異，具體需要根據(jù)海圖信息進(jìn)行調(diào)整。

2.2 柵格法算法路徑規(guī)劃

柵格法算法路徑規(guī)劃按照方位將其分為東南、東北、西南、西北、東、西、南、北八個(gè)方位，根據(jù)編號(hào)規(guī)則確定障礙物位置，并且根據(jù)工作環(huán)境邊界判斷船舶能否通過(guò)障礙物。柵格法算法可以將整個(gè)區(qū)域劃分為m×n 的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越細(xì)致，則障礙物位置和邊界區(qū)域確定越精準(zhǔn)[3]

2.3 改進(jìn)柵格法算法路徑規(guī)劃

改進(jìn)柵格法算法路徑規(guī)劃將傳統(tǒng)柵格法算法和人工勢(shì)場(chǎng)法相互結(jié)合，充分發(fā)揮了人工勢(shì)場(chǎng)法需要的信息量少、易于實(shí)現(xiàn)、表達(dá)式簡(jiǎn)單、數(shù)學(xué)分析簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)船舶參考安全距離對(duì)障礙物影響大小進(jìn)行確定，最終即可規(guī)劃最佳避障路徑，與傳統(tǒng)柵格法算法相比避障操作的復(fù)發(fā)性大大降低，有效避免了船舶避障操縱過(guò)多的劣勢(shì)。人工勢(shì)場(chǎng)法的原理是賦予障礙物引力和斥力，根據(jù)船舶與障礙物之間的距離自動(dòng)判斷調(diào)整引力和斥力大小，并且根據(jù)引力和斥力大小調(diào)整船舶操縱系統(tǒng)，使其利用斥力場(chǎng)和引力場(chǎng)自動(dòng)對(duì)障礙物做出規(guī)避。船舶操縱性難度較大，船舶排水量越大則操縱難度越高，因?yàn)榕潘颗c船舶慣性直接相關(guān)，慣性越大則船舶操縱的時(shí)滯性越強(qiáng)，實(shí)際操縱過(guò)程中若操縱轉(zhuǎn)向過(guò)大或路徑過(guò)長(zhǎng)均會(huì)增加操縱風(fēng)險(xiǎn)，操縱轉(zhuǎn)向越小、路徑越短則規(guī)避障礙物越簡(jiǎn)單。因此，改進(jìn)柵格法算法路徑規(guī)劃的核心是在保持船舶穩(wěn)定的情況下，盡量以低頻率操舵和小轉(zhuǎn)向角完成障礙物規(guī)避，傳統(tǒng)的8 方向柵格可以向16 方向柵格發(fā)展。

2.4 路徑規(guī)劃船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)

一是船舶操縱人員應(yīng)該基于電子海圖柵格化處理，通過(guò)柵格法算法規(guī)劃全局路徑，篩選出輔助子目標(biāo)點(diǎn)。二是以子目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)，通過(guò)改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃，判斷子目標(biāo)點(diǎn)是否為障礙物，若存在障礙物則確定下一個(gè)子目標(biāo)點(diǎn)，并以子目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)再次對(duì)改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃。三是選擇無(wú)障礙物的子目標(biāo)點(diǎn)，船舶到達(dá)子目標(biāo)點(diǎn)后確定是否為航行終點(diǎn)。若未到達(dá)航行終點(diǎn)，則繼續(xù)以子目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)，通過(guò)改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)柵格法進(jìn)行路徑規(guī)劃，直到船舶通過(guò)一個(gè)又一個(gè)子目標(biāo)點(diǎn)到達(dá)航行終點(diǎn)。

3 全驅(qū)動(dòng)船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法

3.1 全驅(qū)動(dòng)船舶操縱的影響因素

全驅(qū)動(dòng)船舶操縱主要受旋回性、改向及抑制性、初始旋回性、停船性等因素影響。其中旋回性受進(jìn)矩、旋回初徑等因素影響；改向及抑制性受第一超越角、第二超越角等因素影響；初始旋回性受船首向第一次改變因素影響；停船性受航跡進(jìn)矩、縱向進(jìn)矩等因素影響。若再將船舶行進(jìn)過(guò)程中的風(fēng)浪因素考慮其中，則還需要分析船舶前進(jìn)速度、船舶重心相對(duì)于當(dāng)前位置的航向角、船舶橫移速度、船舶旋回性指數(shù)等因素的影響[4]。

3.2 全驅(qū)動(dòng)船舶操縱系統(tǒng)的避障目標(biāo)

船舶航行位置和方向誤差受風(fēng)、浪、流的影響，海上船舶的慣性矩陣和阻尼矩陣對(duì)航行方向的誤差較小，而且可以根據(jù)海上船舶的重量和排水量計(jì)算其非線性阻尼系數(shù)的影響，該因素的影響也可以忽略不計(jì)。實(shí)際全驅(qū)動(dòng)船舶操縱系統(tǒng)的避障目標(biāo)應(yīng)該考慮的因素是船舶慣性系數(shù)、阻尼系數(shù)、推進(jìn)系數(shù)、轉(zhuǎn)角力矩參數(shù)量等因素，因此需要根據(jù)以上因素確定全驅(qū)動(dòng)船舶操縱系統(tǒng)的避障目標(biāo)，即確定船舶航行速度、航行方向、前進(jìn)速度、角速度。

4 無(wú)人船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法

4.1 仿人智能安全駕駛系統(tǒng)

仿人智能安全駕駛系統(tǒng)在規(guī)劃航線時(shí)必須了解海圖信息、氣象信息等資料，電子海圖數(shù)據(jù)格式分為矢量格式和柵格方式，矢量格式的電子海圖可以采用加密方法減少其存儲(chǔ)占用，這樣在使用過(guò)程中直接調(diào)用海圖信息即可減少海圖失真問(wèn)題出現(xiàn)，目前最常用的電子海圖加密方法為S-63、S-57 標(biāo)準(zhǔn)。S-57 電子海圖物標(biāo)的標(biāo)識(shí)屬性主要包括特征物標(biāo)、空間物標(biāo)兩種情況，其中特征物標(biāo)主要包括元物標(biāo)、制圖物標(biāo)、地理物標(biāo)、集合物標(biāo)；而空間物標(biāo)主要包括矢量、光柵、矩陣，矢量包括結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、邊坐標(biāo)、面，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)孤立結(jié)點(diǎn)、鏈接結(jié)點(diǎn)分別與面和邊坐標(biāo)相互連接。無(wú)人船仿人智能安全駕駛系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法主要采用最佳優(yōu)先搜索算法、深度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，在柵格化的海圖中能夠通過(guò)人工智能技術(shù)規(guī)劃出規(guī)避陸地、礁石、淺水區(qū)等障礙物的最佳航線。傳統(tǒng)算法下的仿人智能安全駕駛系統(tǒng)航線存在航線轉(zhuǎn)向點(diǎn)過(guò)多、偏航安全距離大等缺點(diǎn)，可以通過(guò)引入自動(dòng)偏航報(bào)警系統(tǒng)在航線超出特殊區(qū)域邊界的情況下進(jìn)行報(bào)警提醒。

目前可以采用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)利用雷達(dá)對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)和定位，但是雷達(dá)的缺點(diǎn)是容易受到環(huán)境的影響，若外界環(huán)境因素比較復(fù)雜則容易出現(xiàn)假回波信號(hào)讓船舶操縱系統(tǒng)誤以為存在障礙物。因此，實(shí)際航行中可以對(duì)雷達(dá)和仿人智能安全駕駛系統(tǒng)進(jìn)行融合，通過(guò)時(shí)空統(tǒng)一、航機(jī)關(guān)聯(lián)的方法將各自的卡爾曼濾波信息融合到一起，以提高航機(jī)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。仿人智能安全駕駛系統(tǒng)主要由電源、內(nèi)存、工控機(jī)、主板、傳感器接口、存儲(chǔ)硬盤等硬件設(shè)施組成，其主要功能主要分為全局航線自動(dòng)生成模塊、信息融合模塊、自主避障算法模塊。仿人智能安全駕駛系統(tǒng)操縱人員通過(guò)電子海圖柵格化、全局航線規(guī)劃即可確定航線轉(zhuǎn)向點(diǎn)、局部目標(biāo)點(diǎn)、動(dòng)態(tài)感知外部環(huán)境信息，最終根據(jù)仿人智能安全駕駛系統(tǒng)自主避障算法模塊做出自主避障操作，并判斷局部目標(biāo)點(diǎn)是否為終點(diǎn)，直到船舶達(dá)到目的地。

4.2 導(dǎo)航強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

導(dǎo)航強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)主要依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)無(wú)人船舶的航向進(jìn)行控制，跡偏差主要影響因素為船舶與航線段之間的垂直距離差、航線段的航線角、船舶的漂角。該系統(tǒng)主要利用航向控制器進(jìn)行航海計(jì)算、構(gòu)建期望航向、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、計(jì)算風(fēng)浪流干擾，進(jìn)而避免船舶操縱受到慣性、時(shí)滯性的影響。導(dǎo)航強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)主要包括船舶運(yùn)動(dòng)模型、航海計(jì)算工具箱、自動(dòng)控制器、仿真系統(tǒng)主框架，其中仿真系統(tǒng)主框架功能包括電子功能、航線設(shè)計(jì)功能、設(shè)置功能、顯示功能、記錄和回放功能、方位距標(biāo)圈工具、控制模塊接口、系統(tǒng)界面等[5]。

4.3 航行經(jīng)驗(yàn)規(guī)則避碰系統(tǒng)

航行經(jīng)驗(yàn)規(guī)則避碰系統(tǒng)需要在航線區(qū)域檢測(cè)到靜態(tài)障礙物、與其他船舶航線重疊時(shí)、避讓距離過(guò)短時(shí)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際避讓中應(yīng)該采取最小夾角經(jīng)驗(yàn)操縱原則，在計(jì)算目標(biāo)航路點(diǎn)舷角后向夾角方向轉(zhuǎn)向，若預(yù)估航向調(diào)整后仍然保持安全則可以在最小夾角下進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)避讓，若預(yù)估航向調(diào)整后不安全則應(yīng)該保持原有航向不改變。航行經(jīng)驗(yàn)規(guī)則避碰系統(tǒng)可以根據(jù)深度競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)算法對(duì)船舶操縱動(dòng)作對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行判斷，通過(guò)航行經(jīng)驗(yàn)判斷預(yù)估船舶操縱動(dòng)作是否安全，該算法學(xué)習(xí)時(shí)間越久則航行經(jīng)驗(yàn)越豐富，最終對(duì)避碰操縱行為的判斷越準(zhǔn)確。航行經(jīng)驗(yàn)規(guī)則避碰系統(tǒng)主要可以得出直接駛向目標(biāo)、避讓危險(xiǎn)、避讓駛向目標(biāo)三種操縱動(dòng)作，深度競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)計(jì)算得到最優(yōu)避讓路徑，其中海圖柵格化越精準(zhǔn)則精度越高，實(shí)際避碰中對(duì)遇局面、追越局面、交叉會(huì)遇局面比較常見(jiàn)，該算法應(yīng)該主要對(duì)以上三種局面進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，增加航行經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)論

綜上所述，復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下船舶操縱系統(tǒng)避障自適應(yīng)控制方法主要利用各類算法對(duì)內(nèi)河彎道水域、海域航行過(guò)程中的障礙物避讓操縱動(dòng)作和路線進(jìn)行規(guī)劃，確保船舶與靜態(tài)障礙物、其他船舶不會(huì)發(fā)生相撞事故，人工智能技術(shù)、通信信息計(jì)算與船舶操縱系統(tǒng)結(jié)合得越緊密，則該系統(tǒng)的安全性、有效性越高。