基于公理設(shè)計(jì)輔助智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)

李志鵬 鄭曉光 張麗波 馬學(xué)娜 張鳳偉 薛莉莉

摘要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的概念設(shè)計(jì)是關(guān)鍵階段，通過對(duì)系統(tǒng)的功能-原理分析建立系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)決定了后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)的工作難度。公理設(shè)計(jì)理論為設(shè)計(jì)過程分解提供了理論依據(jù)，應(yīng)用功能獨(dú)立性公理的分析框架，通過在功能域和結(jié)構(gòu)域的“之字形”映射變換，進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分解，建立相對(duì)獨(dú)立的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)等級(jí)樹。根據(jù)設(shè)計(jì)分解得到的功能結(jié)構(gòu)等級(jí)樹、完整設(shè)計(jì)矩陣和產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖，在考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)之間相互影響關(guān)系的前提下，確定其順序及其組織形式，從而構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)。本文用該方法對(duì)智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行分析，建立相對(duì)獨(dú)立的功能架構(gòu)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并優(yōu)化系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：公理設(shè)計(jì);產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程重組;并行工程;錨泊;輔助決策

引? 言

船舶在進(jìn)行檢疫、候潮、錨地過駁、避風(fēng)、等泊位等情況下，常需拋錨停泊。而錨泊船由于受風(fēng)、浪、流等外力因素的作用可能發(fā)生走錨，從而導(dǎo)致碰撞、觸礁、擱淺等事故發(fā)生。

公理設(shè)計(jì)是一種基于數(shù)學(xué)原理的設(shè)計(jì)理論，通過數(shù)學(xué)原理的描述或符號(hào)化處理建立數(shù)學(xué)模型或設(shè)計(jì)方程和基于規(guī)則的方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能屬性到結(jié)構(gòu)屬性的復(fù)雜設(shè)計(jì)過程。本文是基于公理設(shè)計(jì)輔助進(jìn)行智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)，能夠更好地對(duì)船員提供信息及進(jìn)行操作指導(dǎo)，盡量去除錨泊操作的人為不利因素，提高錨泊安全性。同時(shí)也為將來更進(jìn)一步的智能化錨泊奠定基礎(chǔ)。

智能錨泊輔助決策內(nèi)容

隨著海運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增加，錨泊事故也有上升趨勢(shì)，走錨會(huì)導(dǎo)致船舶碰撞、觸礁、擱淺等重大事故的發(fā)生。影響錨泊安全的主要因素有：首先，船體條件是影響錨泊安全的因素，包括船齡、船舶吃水、船舶噸位、主機(jī)和舵的性能等。其次，錨地條件對(duì)錨泊安全也是不可忽略的，不同的錨在不同地質(zhì)的抓力，錨地水深，以及錨地風(fēng)、浪、流等環(huán)境，以及錨地周圍錨泊船數(shù)量和位置對(duì)錨泊安全影響很大。另外，錨的系留力、出鏈長度和臥底鏈長的選擇、錨泊方式直接決定了錨泊安全性。總之，錨泊時(shí)，錨泊力是有限的，船舶不利的偏蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致錨鏈張力成倍增加，是走錨的主要原因。

通過分析影響錨泊安全的因素，并且通過對(duì)外界環(huán)境、船舶自身及設(shè)備和錨泊狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行受力分析、估算、判別等，給出錨泊建議和對(duì)錨泊安全監(jiān)測(cè)及報(bào)警，并給出輔助決策，給出錨泊操作者準(zhǔn)確參數(shù)及建議，以確保船舶的錨泊安全，目的是提高錨泊安全以及法律證據(jù)留存。

公理設(shè)計(jì)的輔助進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

公理設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代，美國麻省理工大學(xué)的Nam Suh教授提出的關(guān)于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)理論，總結(jié)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的理論規(guī)律。公理設(shè)計(jì)規(guī)范了設(shè)計(jì)分析過程，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員正確進(jìn)行設(shè)計(jì)決策，判斷設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)劣。設(shè)計(jì)是“想得到什么”和“如何選擇以滿足需求”相互作用的過程，公理設(shè)計(jì)在相鄰兩個(gè)設(shè)計(jì)域的“之字形”映射變換將這種相互作用緊密地聯(lián)系在一起，左側(cè)設(shè)計(jì)域是設(shè)計(jì)者的目標(biāo)，右側(cè)設(shè)計(jì)域是設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法。通過相鄰的設(shè)計(jì)域之間的“之字形”映射變換，就可以建立功能要求、設(shè)計(jì)參數(shù)的等級(jí)結(jié)構(gòu)，而且也相應(yīng)地分析了每一級(jí)的設(shè)計(jì)變量的相互影響關(guān)系，確保其滿足功能獨(dú)立性公理的要求。

本文將公理設(shè)計(jì)的分析過程模型與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程重組模型結(jié)合，建立公理設(shè)計(jì)輔助的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)模型。包括系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析、定義系統(tǒng)功能模塊和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)等。確定準(zhǔn)耦合功能關(guān)系，按序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于公理設(shè)計(jì)分析智能錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

公理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)順序是從最高級(jí)出發(fā)，把基本功能要求分解為不同的子功能要求，直到整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)完成，得到一個(gè)從抽象到具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。首先應(yīng)用公理設(shè)計(jì)，從需求出發(fā)確定基本功能，通過“之字形”映射變換，并以設(shè)計(jì)公理作為理論依據(jù)得到系統(tǒng)等級(jí)結(jié)構(gòu)和流程圖;然后從等級(jí)結(jié)構(gòu)的最底層入手，從低到高地組成最基本的系統(tǒng)模塊預(yù)期的功能。

3.1 應(yīng)用公理設(shè)計(jì)的框架對(duì)智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行分析

從公理設(shè)計(jì)角度，要求智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體功能是對(duì)錨泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警和輔助決策，為船舶操作者提供有效的建議，因此設(shè)計(jì)約束是保證錨泊安全。智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的基本功能要求是FR：監(jiān)測(cè)、報(bào)警和輔助決策;總體設(shè)計(jì)參數(shù)為DP：參數(shù)采集、計(jì)算分析、監(jiān)控報(bào)警、輔助決策;設(shè)計(jì)約束CS：保證錨泊安全。

應(yīng)用公理設(shè)計(jì)的分析框架，在功能域和結(jié)構(gòu)域進(jìn)行“之字形”映射變換，得到智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)等級(jí)數(shù)（如圖1）、每一級(jí)的設(shè)計(jì)矩陣（如表1）和完整設(shè)計(jì)矩陣（如表2）。

設(shè)計(jì)矩陣和完整設(shè)計(jì)矩陣的元素“1”表示該元素所對(duì)應(yīng)的功能要求受到其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)變化的影響，即間接地描述了兩個(gè)功能要求之間的影響關(guān)系;元素“0”則表示兩者之間沒有相互影響。完整設(shè)計(jì)矩陣的非對(duì)角線元素表示同一設(shè)計(jì)分解分支的功能要求之間的相互影響關(guān)系，其余部分則表示不同分支的葉功能要求和葉設(shè)計(jì)參數(shù)之間的影響關(guān)系，關(guān)系操作描述如表3所示。

3.2 根智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等級(jí)樹描述了智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)的組成和各個(gè)具體目標(biāo)。設(shè)計(jì)活動(dòng)就是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)為目的，組織多學(xué)科的設(shè)計(jì)開發(fā)隊(duì)伍，應(yīng)用自身的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品預(yù)期功能。根據(jù)設(shè)計(jì)分解結(jié)果，智能船舶的錨泊輔助決策系統(tǒng)開發(fā)定義了42個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)，如表4。

通過分析，總結(jié)出一個(gè)描述智能船舶錨泊輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)順序的流程圖。根據(jù)智能船舶錨泊輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖（圖2），確定設(shè)計(jì)的順序（圖中的M代表設(shè)計(jì)參數(shù)，即各個(gè)級(jí)別的設(shè)計(jì)參數(shù)看成不同級(jí)別的模塊）。整個(gè)智能船舶錨泊輔助決策系統(tǒng)由五個(gè)順序模塊M2錨泊狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊→M1信息采集模塊→M3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊→M4計(jì)算分析模塊→M5決策輔助模塊→M6輸出顯示模塊組成。根據(jù)各級(jí)別設(shè)計(jì)矩陣和產(chǎn)品的等級(jí)結(jié)構(gòu)樹，建立產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程，如圖3所示，通過分析完整設(shè)計(jì)矩陣和設(shè)計(jì)流程圖確定設(shè)計(jì)活動(dòng)順序。

智能錨泊輔助決策系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述分析，智能船舶錨泊輔助決策方法系統(tǒng)的架構(gòu)，包括一個(gè)工作站、一個(gè)信號(hào)采集單元以及一個(gè)輸出顯示單元，信號(hào)采集單元包括船舶參數(shù)采集子單元、錨系設(shè)備狀態(tài)信息采集子單元和環(huán)境船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)采集子單元，分別用來采集環(huán)境、船舶以及錨系設(shè)備的實(shí)時(shí)信息。

由信息采集單元采集所需數(shù)據(jù)及信息，分別提供給工作站中的錨泊狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警單元、計(jì)算分析單元、輔助決策單元和輸出顯示單元。計(jì)算分析單元進(jìn)行計(jì)算后，提供計(jì)算結(jié)果給錨泊狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警單元和輔助決策單元，用于報(bào)警和輔助決策的分析。在收取到錨泊狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警并反饋給輔助決策系統(tǒng)后，船舶操作者改變了船舶的操作，計(jì)算分析模塊通過信息采集模塊數(shù)據(jù)重新計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果反饋給監(jiān)測(cè)報(bào)警和輔助決策單元，重新對(duì)報(bào)警和輔助決策進(jìn)行分析。全部模塊數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)，根據(jù)船舶操作者的需求選擇在輸出顯示單元中顯示環(huán)境狀態(tài)、船舶狀態(tài)、船舶設(shè)備參數(shù)、錨系設(shè)備狀態(tài)、錨泊狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警、錨泊建議方案、錨泊輔助決策、錨泊記錄、船岸互聯(lián)等信息。

結(jié)? 語

本文是在船舶智能化、自動(dòng)化快速發(fā)展的背景下，根據(jù)智能船舶錨泊系統(tǒng)的需求，結(jié)合相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)及資料，進(jìn)行的智能船舶錨泊輔助決策方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。得出了系統(tǒng)的架構(gòu)及以下結(jié)論：

（1）智能船舶錨泊輔助決策系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)參數(shù)采集模塊、錨泊狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊、計(jì)算分析模塊、輔助決策模塊、存儲(chǔ)模塊等通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互與處理，經(jīng)輸出顯示模塊進(jìn)行顯示和輸出。

（2）通過多個(gè)計(jì)算公式均輸入計(jì)算分析模塊中，也可將相關(guān)軟件嵌入到計(jì)算分析模塊中。根據(jù)已知的計(jì)算方法進(jìn)行多重計(jì)算及分析，通過計(jì)算結(jié)果和實(shí)際狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)對(duì)比優(yōu)選，并最終得到理想結(jié)果。

（3）通過輔助決策模塊與數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)交互及其自身程序，實(shí)現(xiàn)錨泊建議方案、錨泊安全判別、走錨后采取措施、出鏈長度、錨泊信號(hào)等輔助決策等功能。

責(zé)編/馬銘陽