船舶自主避碰撞：人工智能与船海工程

目前国际上应用较为广泛的综合船桥系统（integrated bridge system，IBS）有：

①德国SAM电子有限公司的SAM NACOS-5th系统；

②Anschutz公司的NAUTO Control系统；

③日本JRC的Ocean ExplorerⅡ；

④意大利SELESMAR公司的INS970；

⑤日本FURUNO的Voyager；

⑥英国RACAL-DECCA的MNS 4000；

⑦以色列Totem plus公司的决策支持工具Decision Support Tool-DST。(www.xing528.com)

IBS具备设计航线和自主航行的功能，其中以色列Totem plus公司的决策支持工具可以有效地解决两船之间的船舶避碰自动决策问题（包括能见度良好与不良的情况），该系统能根据两船之间的会遇态势自动给出避让操船建议并能以图形化界面给出快速避让的效果，由值班驾驶员分析避让方案的可行性后决定是否采纳避让措施。该系统目前还未能支持多船间的船舶自动避碰决策支持功能，同时该系统给出的避碰决策方案尚未考虑国际海上避碰规则（convention on the international regulation for the preventing collision at sea，COLREGs）的要求，但两船间的船舶避碰决策支持的实现为船舶航行自动化迈出了坚实的一步。研究具备船舶自动避碰功能的智能IBS是未来航海自动化领域中的研究重点和焦点问题。

船舶避碰技术一直以来都是航海中最重要的一个技术，最早的避碰都是基于人类的经验和眼睛所观察到的状况；随着雷达的出现，避碰多了一个辅助性工具，通过雷达观测可以发现航行路线上是否有暗礁、岛屿等物体，同时也可以观察是否有移动物体接近，但雷达只是一种辅助观察工具，并不能通过雷达自动完成避碰。

1971年，Yahei Fujii和Kenichi Tanaka首次在船舶领域引入“二位区域避碰”的概念［44］。自那时以来，避碰的概念在船舶领域被用于海洋研究，包括被应用于各种交通工程相关问题：航道容量分析、航道碰撞风险分析等。随着AIS的普及，基于AIS数据的检测也被广泛关注。船舶领域避碰的应用是基于这样的假设：如果两艘或多艘船舶的相遇都不被其他船只侵入，则可以认为是安全的。然而，到目前为止，还没有一种方法能够将船舶的操纵性和船舶的域结合起来，以确定一个特定的避碰动作能够成功执行到最后时刻。基于预先完成的机制进行避碰，在有足够的时间进行优化的情况下，可以达到较为有效的结果。

通过精准控制来实现安全避碰则更为现实。Davis提出一个逃逸区域的概念，称为竞技场。围绕一艘船定义竞技场区域，用一个计算机模型来模拟船舶的行为，确定船舶何时采取回避行动，陆地场地与离散的海岸点反应，以防止船舶搁浅［45］。随后Colley等人又对这一方法进行了扩展应用。

国际海上避碰规则中包含了一些重要的术语，这些术语对“安全速度”、“近距离情况”和“碰撞危险”有不同的解释。之所以不可能给出这些术语的确切定义，是因为它们所涉及的一些因素难以量化。Hilgert提出了一种定义“近邻”的方法［46］，它实际上是由一个政府海事管理部门使用的，并已提交国际海事组织审议。国际海事组织导航安全小组委员会注意到这一方法，并提出了意见，建议在速度、操纵性和角度的可量化参数方面确定近邻情况的简化版本。该方法可用于建立近邻情况的最小值，但必须考虑其他因素，如航行危险或其他船只的存在、雷达性能，包括误差的影响等。尽管有一些明显的局限性，但该方法用来指示应该使用的最小值，并且有助于更好地理解避免海上碰撞。Hilgert发现COLREGs并没有给定可以回避碰撞所需要特定距离，如果在导航中能够确定这一限定值，导航员就可以规避碰撞，该方法在机载操纵支持系统中已经广泛应用。Liu等人基于对遭遇情景的分析，提出了逃逸行为的最小距离的研究［47］。在此之后，Dinh和Im结合该分析方法和利用航海专家的知识来确定船舶的行动区域［48］。然而，上述研究的局限性是考虑到有限数量的遭遇场景或简化船舶操纵模型。

Krata提出了一种方法来评估由一组船舶碰撞关键距离来定义的关键区域。关键区域用来定义碰撞风险，船台通过实质性航向变更来执行碰撞规避行动。这种方法能够在船舶动力学意义上解释广泛的船舶交叉相遇。为此，Krata等人利用三维船舶运动模型对2 000艘船舶遭遇情景和三种类型船舶进行了实验［49］。该方法的目的是确定碰撞可以通过己方船舶的操控来避免的最后时刻。他们的研究涉及对己方船规避动作的详细分析，其中包括基于操纵性参数精确预测航行轨迹。随后，Krata等人又把稳定性因素考虑进来，进一步对该方法进行了优化。该方法两个版本的最终结果是在给定的遭遇情况下确定的己船和目标船之间的临界距离。这一临界距离代表了为避免碰撞而必须进行操作的最后时刻。其中，假设船舶之间产生接近零时进行模拟。在实践中，如果需要保持更大的船舶分离，就必须较早地开始规避。

考虑到船舶领域普遍将避碰作为研究的安全标准，有必要指定导航器何时必须采取行动以避免碰撞。预警情况比平常早或反直觉行动应该是同样重要的，仿真结果明显地依赖于船舶的动态特性，利用更大数量的船舶模型来研究附加状态或者更加远程的状态是未来研究的热点。