基于规则的船舶智能避碰决策关键技术分析
时间：2023-02-27 08:45:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙健
（上海港引航站，上海 200080）
考虑船舶操纵性影响以及变速避碰决策要求，本文引入了优化决策概念。将船舶航行的规则要求、安全性要求、指标建设要求等以适应度函数为核心，将非线性规划技术融入算法，对小角度交叉以及避让决策算法有效性进行分析，建立以DCPA 为基础的复航时机判断方法，以满足安全性要求。通过确定船舶操作的最佳位置以及时机，使决策模型具有针对性以及实效性。
该方法可以保障船舶智能避碰决策系统具有自主分析、自主判断的功能，更可以实现船舶间的共同协作，减少以往决策方案的盲目性、对抗性问题，具有智能化优势以及应用价值。
1.1 运动坐标系
船舶运动数学模型是研究避碰决策技术的关键，其拥有仿真控制以及智能控制的优势。在应用中要结合水动力模型以及响应性模型两大方向，考虑操纵性、模拟开发、自动避碰等方面的因素。如通过多样性的角度，将采集到的数据用于船体流体力学以及力矩展开研究[1]。按照已知的物理定义以及流体动力，分析船体螺旋桨以及船舵的力矩数据，保障彼此之间有效融合。响应性模型描述了系统输入与输出之间的动态关系，在不同态势下，船舶有可能出现转向或变速等形式，而从仿真角度分析，基于分离模型的响应速度，可以对船舶在避碰中的动态特性变化实现考量，完成参数计算。提供定量基础，船舶运动坐标系可以通过六大维度进行描述，包含前进维度、横移维度、起伏维度、横摇维度、纵摇维度以及坐标轴维度。通过建立惯性坐标系，对船舶在日常行驶中的状态向量进行研究[2]。例如，船舶在行驶时，必然会朝向某一方向，而这种状态向量可以通过“Z 轴”的形式进行描述。将其定义为随船坐标系，取坐标原点为O 点。O点位于船舶中心或重心位置，A 点对应的X 轴则指向船首方向，而Y 轴则指向船右舷方向，Z 轴则指向船自身的龙骨方向。结合船舶在行驶中的避碰决策，以保障船舶在水体的平面运动效果。为了降低船舶在运动过程中建立数学模型的复杂程度，可简化已有的船舶运动方式。考虑前行、横移等各种角度的运动要求，可利用船舶正横方向速度以及船舶重心固定坐标系统。基于牛顿第二定律以及动量矩定理，船舶在常数深水区域模型中的平面运动方程式如式（1）～（3）所示。
式（1）～（3）中：m 表示船舶整体的质量；
m 可分为mx、my，分别表示船舶的坐标轴附加质量；
而X、Y 则表示船舶在行驶过程中作用于船体自身的力度；
h、p、r 三大等级值分别表示船体自身、螺旋桨以及船舵；
u和v 表示加速度和速度。
1.2 分离型数学模型
分离型数学模型涉及环节较多，可以按照常规的物理运作模式，将作用于船体中的流体动力以及力矩分解为不同的数据，以便彼此之间进行参照、分析，保障研究结果具有参考价值。该模型通过研究改进，在20 世纪80 年代末已经成为船舶运动数学模型的研究基础。根据船舶在避碰决策中是否处于前进航行状态进行分析，如果处于前进航行状态，则需要对船舶下移工作范围以及船舶行驶工况进行研究。考虑螺旋桨输出的推力以及转距，结合结构参数、环境因素、操纵工况，按照一定比例，将其置于水池中进行实验，并将获得的螺旋桨推力实验结果进行换算，采取分析方法，保证螺旋桨的推力以及转矩符合已有要求[3]。
在数学模型建立中，要考虑螺旋桨的工作特性，而且曲线自变量取值的范围不宜过大。要结合螺旋桨的动态仿真研究，重新完成定义比对。考虑推力系数以及转机系数等宏观参数，将取值范围界定于有限范围内。螺旋桨在工作中，自身的特性曲线在不同类型之间的差异不大，因此，仅通过单纯的数据实验，便可得知不同螺旋桨工作的解析表达方法[4]。在螺旋桨与船体的相互作用下，二者之间产生的速度以及压力区别等有可能存在互相干扰的问题。考虑二者作为整体研究的复杂性，分别对螺旋桨以及船体在对方影响流场中的工作特点进行研究。在半流系数中，存在水流以及速度随船体运动的现象，这种随船体运动的水流被称为半流模式。
由于螺旋桨实际产生的推力与传统船舶运动存在明显差别，故应在泰勒公式的基础上，考虑传输变化对半流系数的影响。结合推力减额系数，可以分析抽吸作用。增大船桨前方水流速度，整个抽吸区域内的压力自然降低，而水压不变，就会引起船体阻力增加。螺旋桨对船体产生的干涉流体动力被称为阻力增额或推力减额，采用推力减额系数，考虑船速变化对于推力减额系数的综合影响[5]。
2.1 遗传算法
考虑到全局的优化问题，可以利用电子计算机模拟智能决策系统，并通过提取船舶在行驶过程中避碰决策的关键数据值建设研究框架。遗传算法从本质上分析，是一种高效可行的全局优化方法，能够在基于规则的船舶智能避碰系统中发挥关键优势。例如，其具备以下几项特征。
第一，能够对已有的问题进行广泛性考量，对问题参数编码进行设计，保障其符合结构对象的操作要求。
第二，群体性有参考特征，采用点对点的方式进行搜索，保障处理搜索空间以及概率变迁方法朝更优化的方向迈进。通过获取明确的全局搜索能力，避免出现模糊算法[6]。
第三，不借助任何外界辅助信息，将优化问题编码解决后，可以建立适应度函数以及遗传算法的种族优化，保障目标函数的连续性以及微观性。
因此，在数据模型、自动驾驶、生物技术等领域，遗传算法有高度的应用优势。遗传算法的概念是在遗传学基础上形成的，其考虑了个体、种群基因与染色体编码、二进制编码、浮点数编码等特点。基于待求问题优化指标，建立适应度评价标准，可以提高现有方法的搜索能力，将变量范围内的目标函数转化为对应搜索区域内的适应度函数。但应注意此算法需要满足概率要求，且有可能出现函数分布值过大而影响算法性能的问题。将基于规则的船舶智能避碰决策系统以目标函数界限值估量，在期望选择策略以及最优保存策略中，该种遗传算法的计算特征将被优化，实现多点交叉以及均匀交叉的能力。标准遗传算法为船舶智能避碰系统提供了优良的解决路径，便于执行个体操作，其通过将通用的编码技术和简单的遗传操作方法等进行改进，奠定了后续的理论推进基础[7]。
2.2 船舶避碰动态系统数学模型
在船舶避碰动态系统数学模型建设中，建立合理的避让方案，考虑船舶避让效果的影响，可以将船舶避碰动态系统数学模型以及控制算法融入整个运算决策中。例如，所有算法的输出方案都要通过船舶运动控制器执行，要考虑在运作过程中船舶的碰撞危险，并对已知效果进行判断。该算法可以对每一艘船舶的位置、航线速度等进行评估，并依据后期的适应度函数，对已知方案进行计算[8]。
在几何模型的参考等级中，通过平面几何的方法，求取方位角、横向交角。按照决策的实质性，描述船舶碰撞的全过程，并将这些船舶碰撞参数作为传播决策依据的执行方向，保障决策模型的精度以及可靠性。在转向避让策略中，为了检验其回旋性能，要基于样本操作数据完成仿真实验，无论在近距、横距或是悬回直径上都较为相似，满足了船舶避碰操纵装置对于性能的要求。打造速度非线性响应模型，转向100°，在PAD 控制器下不同的动态特性曲线有着显著变化。结合仿真工具，该系统包含了数字系统、推力计算系统、船舶阻力系统以及半流数字结合系统等。
在船舶操纵项对船舶避碰参数的仿真测试中，要考虑对遇局面。例如，两艘船舶在对应的初始阶段，其航速、航线角度分别为13kn、0°。目标船的初始速度以及航线角度将随着航行距离的变化而变化，要基于避让行动方式，辨别该模型在建设中二者相遇左旋、右旋的行驶比例，以避免出现碰撞。假设两艘船舶之间的动态避让参数以及角度为自变量，可以采用仿真算法[9]，预估DCPA 值三条曲线变化分别为10.2%、13.6%以及17.0%。假设两船初始航线角度分别为1°至60°，就可以通过传统几何算法，对船舶仿真过程中的实际DCPA、TCPA 以及预估DCPA、TCPA进行计算。
而在大小度交叉相遇局面中，两船在相遇的初始阶段，其初始速度、航线角度分别为13.6kn、0°，要结合船舶避碰模型以及避让行动完成判断。在两船构成大角度交叉相遇局面时，可以采取右转向或减速方式，使他船先行通过，避免出现碰撞。通过两大案例研究，可以表明无论是采用转向或是变速避让的方法，船舶操纵性对于两船之间的避让效果都有着直接影响，即转向角度以及主机转速、降速程度呈正向关联，随船舶转向角度的改变，主机转速的降速程度增大。
2.3 混合遗传算法船舶转向决策方法
考虑传统的多种族协同优化标准，匀称算法最终的优化成果主要由交叉算子以及变异算子决定。作为产生新个体的主要方法，决定了算法的全局优化能力。在实际应用参数中，若设置不合理，极有可能出现早收敛现象，使优化方案的执行受到干扰。为了保障遗传算法的合理性、船舶避碰决策模型的鲁棒性以及稳定性，通过多种协同进化的方式，对船舶避碰路径进行算法优化，包含个体编码、种群初始化适应度、评价遗传操纵等多项步骤，以维持种群多样性。该遗传算法采用了相同的进化策略以及遗传算子，对不同的搜索空间中多个种群执行进化操作。不同种群的控制参数取值不同，按照一定的迁移率，采用不同种群中染色体间的遗传信息交互方法，使其迈向更优方向。
例如，通过何种方式实现种群间的信息交换，是多重算法的核心问题，更是决策的核心问题。标准遗传算法中，交叉概率以及变异概率参数组合设定将直接影响最终的优化效果。多种算法中遗传算子的变量范围以及不同控制参数的组合不宜过大，可以建立移民算子，使其替换目标种群中的最差个体，达到信息交流的目的。建立人工算子，以某一净化群体为主，选择最优个体，通过人工选择算子，实现最优个体之间的操作规定。而在算法终止条件中，利用进化种群在优化过程中的知识积累，减少不合理数据。在编码技术中，通过二进制编码方法，以船舶在不同转向处的坐标作为决策变量执行，在编码方式串长度以及搜索空间的制约下，最优算法的精度以及效率可以分别予以控制。将二维坐标转换为一维坐标，设置A、B两大垂直线段，各垂直线段之间具有明显的数字对应关系。这种坐标编码的前提是，要保证船舶在转向过程中其动态特性变化能够被认知且能通过实例操作，同时，要了解该操作性对于编码方程的影响。
综上所述，通过收集文献以及分析计算结果，在现阶段的理论模型中归纳危险碰撞量化方法，按照已知的局面类型，保障整体研究方向有明显的唯一性以及协调性特征，并通过敏感度分析方式，对局面构成要素进行精炼。必要的船舶动态模型计算研究应基于分离型数学模型以及响应型数学模型，实现动态位置的精准测试。由于存在船舶操纵性考虑不足的问题，因此需要在仿真实验中对传统的避碰几何方法进行预估，以完成参数比较，为后续多个目标优化条件的可行性避碰路径研究奠定基础，通过构建目标函数，执行深度优化，最终达到保证船舶安全的目的。
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