上海港水域船舶避讓決策知識(shí)庫的構(gòu)建

董邢睿，陸悅銘，李麗娜，葛海梁，單樂涵，李國(guó)定，郭 健

(1.集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021；2.上海港引航站，上海 200082)

0 引言

隨著上海港國(guó)際航運(yùn)中心的建成、長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化建設(shè)，以及船舶向大型化趨勢(shì)發(fā)展，上海港船舶密度越來越大。密集的交通流，加之船舶類型多樣，導(dǎo)致船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)復(fù)雜，不可預(yù)知因素增多，上海港發(fā)生船舶碰撞、擱淺的幾率倍增。一直以來，國(guó)內(nèi)外都有將專家系統(tǒng)融入到船舶避碰決策之中的研究。文獻(xiàn)[1-2]研究的是一種咨詢式避碰專家系統(tǒng)，歸納總結(jié)出了兩船會(huì)遇的6種會(huì)遇局面和14種可能采取的避碰行動(dòng)；“汐路丸”號(hào)輪的模擬避碰決策系統(tǒng)是一種全自動(dòng)的專家系統(tǒng)[3]，它能給出避碰決策，并通過該系統(tǒng)自動(dòng)控制船舶的車、舵等裝置進(jìn)行避碰操縱。但以上專家系統(tǒng)知識(shí)庫的構(gòu)建都采用離線方式，缺少適應(yīng)各種航行情況的能力。隨著對(duì)開闊水域的船舶避讓方法的研究日趨成熟，大量研究將方向轉(zhuǎn)到受限水域，并開始將地方規(guī)則和船員的優(yōu)良船藝融入專家系統(tǒng)的構(gòu)建[4]。Hatqing等[5]從考慮船舶操縱特性的角度出發(fā)，提出基于深度Q學(xué)習(xí)與專家知識(shí)相結(jié)合的多船避讓智能算法，該算法融入了《國(guó)際海上避碰規(guī)則》和地方規(guī)則，能較好解決開闊水域和受限水域船舶避碰問題，但未將速度因素考慮在內(nèi)。

目前專家系統(tǒng)發(fā)展到了第三代具有機(jī)器在線學(xué)習(xí)功能的專家系統(tǒng)。李麗娜等[5-9]從模擬經(jīng)驗(yàn)豐富的避碰專家避讓操船方法入手，利用第三代專家系統(tǒng)思路構(gòu)建了開闊水域、部分受限水域避讓知識(shí)庫，將其作為船舶避碰預(yù)警和避碰輔助決策系統(tǒng)的知識(shí)基礎(chǔ)?；谏虾８郦?dú)特的國(guó)際地位以及復(fù)雜的通航環(huán)境，本文采用構(gòu)建專家系統(tǒng)知識(shí)庫的方法構(gòu)建上海港水域船舶避讓決策知識(shí)庫，以期為上海港水域船舶擬人智能避碰避險(xiǎn)決策算法的危險(xiǎn)預(yù)警和初始決策提供參考依據(jù)。

1 上海港水域交通流劃分方法

1.1 上海港水域劃分

本文的研究對(duì)象為大型船舶，所以按照大型船舶常用航行水域，將上海港水域劃分為航道和警戒區(qū)。航道水域分為主航道和輔助航道，主航道包括北槽航道、外高橋航道、寶山航道、寶山北航道和寶山南航道；輔助航道包括南槽航道上段和南槽航道下段。警戒區(qū)包括圓圓沙警戒區(qū)、吳淞口警戒區(qū)、九段沙警戒區(qū)、寶山警戒區(qū)和瀏河口警戒區(qū)。

1.2 交通流劃分

交通流表示上海港水域中大型船舶進(jìn)出港口的航行軌跡，通過調(diào)查主要交通流，獲取船舶避讓方法和避讓幅度，作為上海港各水域船舶避碰預(yù)警依據(jù)和輔助決策參考。以下列舉了圓圓沙警戒區(qū)、吳淞口警戒區(qū)中主要交通流。

圓圓沙警戒區(qū)的交通流主要分為4股，如圖1所示。分別為：1)Ⅰ→Ⅲ 北槽航道→延伸段；2)Ⅱ→Ⅳ 南槽航道→警戒區(qū)北側(cè)水域；3)Ⅲ→Ⅰ 延伸段→北槽航道；4)Ⅲ→Ⅱ 延伸段→南槽航道。

吳淞口警戒區(qū)的交通流主要分為6股，如圖2所示。分別為：1)Ⅲ→Ⅴ 延伸段→寶山航道；2)Ⅲ→Ⅵ 延伸段→黃浦江口；3)Ⅵ→Ⅲ 黃浦江口→延伸段；4)Ⅵ→Ⅴ 黃浦江口→寶山航道；5)Ⅴ→Ⅵ 寶山航道→黃浦江口；6)Ⅴ→Ⅲ 寶山航道→延伸段。

2 避讓方法的問卷設(shè)計(jì)及其知識(shí)庫的構(gòu)建

2.1 調(diào)查問卷的設(shè)計(jì)

問卷將部分船舶避讓影響因素理想化，默認(rèn)所有會(huì)遇態(tài)勢(shì)皆考慮在白天互見天氣良好狀態(tài)下，本船和目標(biāo)船為200 m左右散貨船，且船舶處于半載狀況，兩船在避讓時(shí)未考慮協(xié)調(diào)情況，不考慮目標(biāo)船是否有引航員及其所屬公司等，而環(huán)境及其他影響因素將在知識(shí)庫使用過程中根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件給予。當(dāng)本船為讓路船時(shí)，目標(biāo)船默認(rèn)嚴(yán)格按照規(guī)則保向、保速行駛；當(dāng)本船作為直航船，假定多目標(biāo)船均未嚴(yán)格按照規(guī)則執(zhí)行。

問卷調(diào)查設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段(以下簡(jiǎn)稱問卷1和問卷2)。問卷1用于小范圍內(nèi)確定常用避讓方法、避讓幅度，其內(nèi)容主要包含：沿交通流方向的常用航行速度、邊界線距離和會(huì)遇局面(包括右舷對(duì)遇、右小角度交叉、右正橫附近大角度交叉、右舷被追越、左舷被追越、左正橫附近大角度交叉、左小角度交叉和左舷對(duì)遇)。

問卷1調(diào)查的航道包括：北槽航道，外高橋航道和南槽航道上段。依據(jù)為：北槽航道邊界線以外可航水域較小，除航道左右兩邊各有100 m的邊坡水域外，大部分為導(dǎo)堤，避讓條件受限；外高橋航道為雙向雙通的復(fù)式通航航道，類型與寶山航道，寶山北航道類似，另外，外高橋航道北側(cè)有一排連續(xù)的從外高橋一直延伸到吳淞口警戒區(qū)的錨地，時(shí)常會(huì)有進(jìn)出錨地的船舶穿越外高橋航道，使該水域船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)較寶山航道、寶山北航道更為復(fù)雜，故研究外高橋航道的避讓方法將可以擴(kuò)展應(yīng)用到寶山航道和寶山北航道；南槽航道為輔助航道，漲潮時(shí)可用作避讓的水域范圍會(huì)更大。

針對(duì)警戒區(qū)，將圓圓沙警戒區(qū)和吳淞口警戒區(qū)設(shè)置為研究對(duì)象。“警戒區(qū)”是指由一個(gè)區(qū)域構(gòu)成的一種定線措施，在該區(qū)域的規(guī)定界限內(nèi)，可能有推薦的交通流方向。圓圓沙警戒區(qū)位于上海港南港水道南北槽的交匯處，是往來于上海港船舶必經(jīng)的咽喉要道。吳淞口警戒區(qū)是上海港船舶通航密度最高的水域，從進(jìn)出警戒區(qū)的船舶類型來看，既有大型散雜貨船、集裝箱船、危險(xiǎn)品船和超大型國(guó)際郵船，又有各種中小型船只。船舶乘潮而行的特點(diǎn)明顯，造成該水域在中浚高潮前2 h至中浚高潮后2 h的時(shí)間段內(nèi)，船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)復(fù)雜。

基于以上原因，選用圓圓沙警戒區(qū)與吳淞口警戒區(qū)作為專家咨詢、問卷調(diào)查的對(duì)象，其避讓方法經(jīng)過細(xì)微調(diào)整后可以擴(kuò)展應(yīng)用到九段沙警戒區(qū)、寶山警戒區(qū)以及瀏河口警戒區(qū)。

問卷2是在問卷1的基礎(chǔ)之上，將問卷1中所獲得的常用避讓方法設(shè)置為問卷2的選項(xiàng)，通過在線問卷的方式開展大范圍的調(diào)查，并通過專家交流、論證，最終確定較為合理的船舶避讓方法。對(duì)個(gè)別會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，出現(xiàn)避讓方法分布較為分散、比例均衡，或者存在更為有效的避讓方法等情況，通過幾何分析，確定其中更為合理、更為經(jīng)濟(jì)的避讓操船方法，進(jìn)而構(gòu)建上海港水域船舶避讓決策知識(shí)庫。

2.2 上海港水域避讓方法知識(shí)庫

專家知識(shí)庫作為專家系統(tǒng)知識(shí)來源的重要組成部分，其主要優(yōu)點(diǎn)有：?jiǎn)l(fā)式思維，能運(yùn)用專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理、判斷和決策；較強(qiáng)的透明性，在使用過程中能夠與專家進(jìn)行交互；較強(qiáng)的靈活性，可以通過對(duì)專家知識(shí)庫的不斷結(jié)構(gòu)化更新，使系統(tǒng)適用于不同的使用環(huán)境。

以船舶在外高橋航道航行遭遇一般危險(xiǎn)為例，通過問卷調(diào)查，專家咨詢和幾何論證，剔除問卷結(jié)果中不合理避讓方法(避讓幅度過大、復(fù)合避讓效果抵消等)，構(gòu)建知識(shí)庫，如表1所示。該知識(shí)庫通過綜合分析，得出大多數(shù)引航員在此水域的操縱習(xí)慣，將其用于上海港船舶碰撞預(yù)警初始判斷依據(jù)，而最終的避讓方法將根據(jù)當(dāng)前船舶航行環(huán)境(能見度，風(fēng)洋流)對(duì)初始決策進(jìn)行優(yōu)化。表1中變速避讓1/4為當(dāng)前速度下的1/4，加速若超出當(dāng)前水域限定速度，則適當(dāng)增加改向幅度。

表1 外高橋航道船舶避讓決策知識(shí)庫(一般危險(xiǎn))

算法基于AIS和雷達(dá)等提供的相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算目標(biāo)船相對(duì)方位、會(huì)遇態(tài)勢(shì)等，將信息作為知識(shí)庫產(chǎn)生規(guī)則，如“ifAthenB”，判斷條件A，而B表示與之對(duì)應(yīng)的避讓方法。例如：if(ES[i]==1){right=1;}。ES[i]==1(左舷對(duì)遇左對(duì)左)，right=1(右轉(zhuǎn))，表示當(dāng)前會(huì)遇特征若為左對(duì)左對(duì)遇，那么本船采用右轉(zhuǎn)的避讓方法。

類似會(huì)遇特征(ES)的表示總共有24種，涵蓋了左、右對(duì)遇；左、右小角度交叉；左、右大角度交叉；左、右追越；左、右被追越以及包括了過目標(biāo)船船首、船尾等。同時(shí)設(shè)置的還有不同危險(xiǎn)度下的避讓方法。

表1為通過問卷調(diào)查、專家咨詢和幾何論證初步構(gòu)建的避讓決策專家知識(shí)庫，表中提供的避讓措施主要用于關(guān)聯(lián)避讓行為的船舶，不同等級(jí)下碰撞危險(xiǎn)度閾值計(jì)算以及輔助避碰初始決策，避碰決策算法將根據(jù)當(dāng)前能見度信息、潮汐潮流、船舶類型、水域條件等對(duì)初始決策進(jìn)行優(yōu)化處理，并給出較為合理、經(jīng)濟(jì)的輔助避讓決策。

3 上海港水域避讓方法的理論驗(yàn)證及結(jié)果分析

問卷1共10份問卷，高級(jí)引航員2份，一級(jí)引航員8份；問卷2共43份問卷，高級(jí)引航員22份，一級(jí)引航員15份，二級(jí)引航員3份，三級(jí)引航員3份，問卷2有效問卷數(shù)如圖4所示。表1由問卷1和問卷2綜合分析得出。為了驗(yàn)證問卷調(diào)查和專家咨詢所獲取的避讓方法的合理性和有效性，下面對(duì)外高橋航道獲得的避讓操船方法進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何分析。

3.1 右舷對(duì)遇會(huì)遇態(tài)勢(shì)下的避讓操船方法

雖然在上海港水域采用分道通航制，但存在特殊船(挖泥船，拖船等)與本船形成右舷對(duì)遇的會(huì)遇態(tài)勢(shì),問卷結(jié)果如圖5所示?！秶?guó)際海上避碰規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》)第二章第十四條,對(duì)遇局面中描述，當(dāng)兩艘機(jī)動(dòng)船在相反的或接近相反的航向上相遇構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí)，各自應(yīng)向右轉(zhuǎn)向，從而各自從他船的左舷駛過。對(duì)比圖5中一般危險(xiǎn)、緊迫局面兩種危險(xiǎn)等級(jí)下避讓方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看到，在實(shí)際航行中，減速，左轉(zhuǎn)和減速左轉(zhuǎn)是常用的幾種避讓方法。對(duì)于遵守《規(guī)則》的右轉(zhuǎn)避讓較少有人提到，一方面是由于水域受限，另一方面則是更多考慮了分道通航制要求。

由于外高橋航道右舷對(duì)遇目標(biāo)船一般為特殊船，其航行一般是緊靠右側(cè)邊界線，如果本船按照《規(guī)則》大角度右轉(zhuǎn)避讓特殊船將會(huì)駛出航道外，因此在一般情況下采取與目標(biāo)船會(huì)綠燈的避讓方法。通常機(jī)器決策采取快速解除危險(xiǎn)的避讓方法，而減速避讓實(shí)質(zhì)上不能使會(huì)遇距離增大，因此不作考慮。按照問卷調(diào)查結(jié)果和幾何分析結(jié)果，在一般危險(xiǎn)下知識(shí)庫檢索小角度左改向，在緊迫局面下檢索大角度左改向，避讓方法及避讓幅度如表1所示。

3.2 右正橫附近大角度交叉會(huì)遇態(tài)勢(shì)下的避讓操船方法

《長(zhǎng)江上海段船舶定線制規(guī)定》第五章第三十八條中描述道：穿越、駛進(jìn)或駛出航道的船舶應(yīng)當(dāng)避讓在航道內(nèi)正常航行的船舶。

一般危險(xiǎn)和緊迫局面兩種危險(xiǎn)等級(jí)下的避讓方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看到，在實(shí)際航行中，減速和減速右改向組合是常用的避讓方法。在“其他”選項(xiàng)中大多數(shù)也是減速，甚至停車、倒車避讓。可以總結(jié)出：在外高橋航道，當(dāng)遇到右正橫附近大角度交叉情況時(shí)，大多數(shù)人會(huì)選擇主動(dòng)避讓駛過目標(biāo)船尾的方式。這種避讓方法雖然沒有嚴(yán)格遵守《長(zhǎng)江上海段船舶定線制規(guī)定》中所屬條例，但在水域情況較為復(fù)雜和船舶智能化系統(tǒng)較為缺少的情況下是更為謹(jǐn)慎和安全的做法。

1)當(dāng)本船速度V0≥目標(biāo)船速度Vt，目標(biāo)船相對(duì)航向180°

2)當(dāng)本船速度V0≥目標(biāo)船速度Vt，目標(biāo)船相對(duì)航向180°

3)當(dāng)本船速度V0<目標(biāo)船速度Vt，目標(biāo)船相對(duì)航向270°

由于篇幅有限，僅對(duì)當(dāng)本船速度V0≥目標(biāo)船速度Vt，目標(biāo)船相對(duì)航向180°

可以看出，當(dāng)前目標(biāo)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線欲從本船首通過時(shí)，減速、減速右轉(zhuǎn)組合能夠?qū)崿F(xiàn)較小幅度變化就達(dá)到快速增加兩者會(huì)遇距離的效果；當(dāng)前目標(biāo)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線欲從本船尾通過時(shí)，加速、加速左轉(zhuǎn)組合能夠?qū)崿F(xiàn)較小幅度變化就達(dá)到快速增加兩者會(huì)遇距離的效果。但考慮到在上海港水域行駛有速度上限要求，所以在知識(shí)庫中，當(dāng)本船初始速度較小時(shí)，才會(huì)采取含有加速的避讓方法。在機(jī)器決策中，算法能夠較為準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線，并依據(jù)當(dāng)前相對(duì)運(yùn)動(dòng)線準(zhǔn)確給出預(yù)警以及輔助決策。

船舶在海上航行時(shí)，一般不改變船速，但在港內(nèi)航行時(shí)需要頻繁變換船速[12]，變速避讓生效時(shí)間較長(zhǎng)，因此，在知識(shí)庫構(gòu)建中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)線過本船首時(shí)，知識(shí)庫將依次檢索減速避讓、減速右轉(zhuǎn)組合避讓；相對(duì)運(yùn)動(dòng)線過本船尾時(shí)，若初始速度較小，知識(shí)庫將依次檢索加速避讓、加速左轉(zhuǎn)組合避讓；當(dāng)初始速度較大時(shí)，先檢索減速避讓，后檢索減速右轉(zhuǎn)組合的方法。

除此之外，幾何分析發(fā)現(xiàn)同為右正橫附近大角度交叉，但當(dāng)目標(biāo)船相對(duì)方位處在右正橫附近交叉與右舷被追越的模糊邊界時(shí)(即兩船的相對(duì)夾角大于270°時(shí))，其避讓方法與右舷被追越避讓方法相同，該算法基于AIS和雷達(dá)提供的目標(biāo)船信息，得到目標(biāo)船屬性、會(huì)遇態(tài)勢(shì)和相對(duì)方位等數(shù)據(jù)。在相應(yīng)條件下，每條目標(biāo)船相對(duì)本船當(dāng)前會(huì)遇態(tài)勢(shì)皆只會(huì)檢索到一條避讓措施，當(dāng)?shù)谝环N方法的避讓時(shí)機(jī)錯(cuò)過，且利用優(yōu)化方案無法解決時(shí)，才檢索避讓時(shí)機(jī)靠后的第二種避讓策略，而當(dāng)?shù)诙N避讓策略優(yōu)化失敗，則轉(zhuǎn)入緊迫危險(xiǎn)模塊。由于篇幅有限，在此僅對(duì)以上會(huì)遇態(tài)勢(shì)做幾何解析。分析問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然有《國(guó)際海上避碰規(guī)則》以及《長(zhǎng)江上海段船舶定線制規(guī)定》等存在,但在實(shí)際船舶航行以及避讓過程中，駕引人員更多還是從實(shí)用性和更有利安全的角度出發(fā)，采取謹(jǐn)慎穩(wěn)妥、主動(dòng)協(xié)調(diào)的避讓方法。按照《規(guī)則》，行駛在航道中的船本應(yīng)為直航船，但在上海港引航員中，存在“立足自我，主動(dòng)避讓”的引航文化，出于安全性和實(shí)用性考慮，較為常用的做法為“直航船”主動(dòng)避讓“讓路船”。知識(shí)庫充分考慮以上因素，將調(diào)查分析得到的引航員常用避讓方法運(yùn)用到一般危險(xiǎn)的一級(jí)危險(xiǎn)預(yù)警計(jì)算，此方式既可避免對(duì)方對(duì)于會(huì)遇態(tài)勢(shì)認(rèn)定的不確定性，同時(shí)也可避免協(xié)調(diào)失敗使兩船陷入緊迫局面甚至緊迫危險(xiǎn)的情況，在一定程度也是一種優(yōu)良船藝的體現(xiàn)，提高了上海港水域的安全性。因此，當(dāng)船舶在上海港水域?qū)嶋H航行時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮“立足自我，主動(dòng)避讓”原則，其次考慮上海港地方管理辦法，最后《國(guó)際海上避碰規(guī)則》對(duì)以上沒有涉及到的部分輔以補(bǔ)充。

4 結(jié)語

本文從實(shí)用角度出發(fā)，通過問卷調(diào)查收集上海港引航員常用避讓方法，運(yùn)用相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何分析方法構(gòu)建上海港水域船舶避讓決策知識(shí)庫。該知識(shí)庫將上海港引航站引航文化“立足自我，主動(dòng)避讓”融入其中。針對(duì)在航道中行駛的船舶按照《規(guī)則》為直航船，應(yīng)當(dāng)在緊迫局面下進(jìn)行避讓，但從合理性和實(shí)用性角度出發(fā)，將在不構(gòu)成新危險(xiǎn)局面的約束條件下實(shí)現(xiàn)早、大、寬地避開危險(xiǎn)，知識(shí)庫在一般危險(xiǎn)下即給出預(yù)警決策。研究結(jié)果為復(fù)雜條件下多船會(huì)遇危險(xiǎn)度評(píng)估及避碰輔助決策研究提供了初始避讓方法和理論依據(jù)，關(guān)于知識(shí)庫的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。