蔣海城

摘 要：近年來，隨著我國海洋事業(yè)范圍的建設(shè)和擴(kuò)大，海洋事業(yè)也得到了迅速有效的發(fā)展。然而，由于海上許多不確定性和技術(shù)限制的嚴(yán)重影響，船舶在航行過程中仍會遇到各種碰撞事故，海上作業(yè)的高風(fēng)險因素造成巨大損失。為了減少或避免人為失誤引起的碰撞事故，確保船舶安全航行，本文研究分析了船舶在航行過程中的自動避碰，并提出優(yōu)化船舶避碰自動化技術(shù)。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 導(dǎo)航 自動防撞

近年來，隨著大海上面航行的船舶越來越多，船舶相互碰撞的幾率提高了不少，使得原本安全高效的航道變得充滿了風(fēng)險，由于人本失誤的原因往往造成了不少事故，人力資源成本上升以及導(dǎo)航技術(shù)的不斷優(yōu)化，船舶自動避碰的研究逐漸滲透到現(xiàn)代的核心。導(dǎo)航船是智能集成橋，自動防撞決策系統(tǒng)是綜合橋的關(guān)鍵部件。往往可靠的自動避碰決策預(yù)報系統(tǒng)需要滿足以下條件：避免危險，包括移動和不能移動的障礙物；當(dāng)多艘船舶在同一個海域內(nèi)航行時，完成自動避撞顯得尤為重要；避免碰撞后選擇安全經(jīng)濟(jì)的路線（重新航行）；建立海域船舶運動數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)具有足夠的精確度，以能更好的貼近實際航行狀況；考慮與船體相關(guān)外部條件；能夠在足夠短的時間內(nèi)給出系統(tǒng)的反饋。

1.大數(shù)據(jù)技術(shù)的特點

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近些年崛起的一項新技術(shù)。由于其大量數(shù)據(jù)的高效收集，處理和分析的特點，是最近學(xué)術(shù)界研究的熱點。并且可以與各大傳統(tǒng)或新興領(lǐng)域結(jié)合。面對現(xiàn)代社會信息化建設(shè)的不斷發(fā)展和完善，大規(guī)模數(shù)據(jù)聚合已成為一種常態(tài)。面對這種情況，傳統(tǒng)技術(shù)手段和軟件工具的使用無法在短時間內(nèi)和廣泛范圍內(nèi)實現(xiàn)有效的捕獲，管理和處理操作。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)對當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展形勢，是實現(xiàn)各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而不可或缺的創(chuàng)新手段。

2.導(dǎo)航大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本組成和功能分析

根據(jù)實際應(yīng)用功能的不同，導(dǎo)航自動化系統(tǒng)可以有效地劃分為不同的控制系統(tǒng)。能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制，能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)的人工智能規(guī)劃出最優(yōu)最安全的船舶航行路線，能夠與GPS實時取得信息從而得到航行軌跡以提供計算，還要能夠自主防撞最核心的功能需求，以及能夠?qū)崿F(xiàn)組合導(dǎo)航管理等。例如，能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)的人工智能規(guī)劃出最優(yōu)最安全的船舶航行路線可以編制船舶設(shè)計的最佳路徑，適應(yīng)當(dāng)前運輸環(huán)境中的各種技術(shù)要求，并確保船舶路線設(shè)計的合理優(yōu)化。它對航道的安全性和穩(wěn)定性通航性提出了更高的要求，在安全性方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。在對船舶航行安全方面的足夠考慮后，我們必須要有效可靠地掌握位置，速度，航向，風(fēng)向，實際航行等重要航行數(shù)據(jù)。在導(dǎo)航自動化控制系統(tǒng)中，航行駕駛是實時的船機(jī)互動，實現(xiàn)實時控制，確保船舶始終可以按照預(yù)設(shè)的安全航行方向進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)。在該系統(tǒng)中，能夠與GPS實時取得信息從而得到航行軌跡以提供計算需要被合理使用。在定位系統(tǒng)中，其工作是及時獲取船舶的基本位置，確保船舶的方向，避免船舶偏離航向，能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制。在船舶防撞系統(tǒng)中，確保船舶能夠在穩(wěn)定航行過程中快速，及時地獲取其他船舶的基本位置和導(dǎo)航環(huán)境信息，分析，判斷和檢查相關(guān)的碰撞，礁石對船體的損壞和接地風(fēng)險，然后制定完善的對策。在組合導(dǎo)航管理系統(tǒng)中，能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制各子系統(tǒng)的信息內(nèi)容將進(jìn)行全面整合，檢查和分析，并結(jié)合通信系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的內(nèi)容，制定出最佳的導(dǎo)航方案。這樣可以成功避免許多危險物體，提高船舶航行的安全性和穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)的決策信息傳輸?shù)酱翱刂撇块T，以加強能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制船舶中央控制系統(tǒng)的合理有效決策。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用可以顯示船舶操作的更有效的數(shù)據(jù)信息，并為船舶航行者的船舶安全運行提供有利條件。

3.大數(shù)據(jù)模擬的應(yīng)用

3.1大數(shù)據(jù)模擬的準(zhǔn)確性

在實際導(dǎo)航中，船舶和障礙物實際上在同一平面上，幾乎在同一水平線上，并且它們之間的潛在數(shù)據(jù)差異一般都處于不太大的線性比例中。因此，有必要使用也一定可以做到使用不太復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)來模擬船舶起點處的數(shù)據(jù)描述和有可能影響安全的物體的數(shù)據(jù)描述，以實現(xiàn)起點處具有高數(shù)據(jù)模型的“數(shù)學(xué)模型”，低數(shù)據(jù)模型有可能影響安全的物體的和最終目的地的高數(shù)據(jù)模型。因此，基于數(shù)學(xué)公式的假設(shè)是一種大數(shù)據(jù)模擬。有許多數(shù)學(xué)函數(shù)可以模擬數(shù)據(jù)勢能場。為了使對象移動，一些方法直接將虛擬有勢力場計算和排斥計算寫入兩個函數(shù)并加以考慮。對于物體的每個位置，計算物體相對于有可能影響安全的物體位置的角度。同時，計算物體的虛擬有勢力場和安全附加排斥力，并獲得合力，使物體移動并獲得運動角度。該方法要求高精度并且相對復(fù)雜。它通常用于平面機(jī)器人的多障礙物避免路徑規(guī)劃。

3.2模擬決策模型

針對模糊避碰的決策模型，采用模糊邏輯的方法進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，提出了一種動態(tài)模糊船舶域模型和能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制模型。在后來的研究中，考慮到人，船和環(huán)境的影響，建立了統(tǒng)一的領(lǐng)域模型。環(huán)境因子子模型的構(gòu)建基于模糊集理論。但是，它只適用于兩艘船之間的防撞；必須改進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)，基于“模糊視覺”的避碰智能決策/執(zhí)行模型依賴于模糊邏輯的并行多決策模塊，將決策轉(zhuǎn)化為基于連續(xù)避碰的動作。模糊邏輯和ARPA雷達(dá)通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，由ARPA提供。信息的知識表示表明，雖然系統(tǒng)簡單可行，但在為單船提供智能防撞決策的可靠性有保障。

3.3模擬計算

模擬計算是通過仿照生物遺傳的特性提出的，一般主要是自適應(yīng)概率搜索算法理論。它的本質(zhì)是仿真算法，主要包括遺傳算法和仿真策略。它可以使用仿真規(guī)劃進(jìn)行全局優(yōu)化。它可以解決多種復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)問題。模擬計劃的兩個主要特征是群體搜索策略和群體中個體之間的信息交換。在能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制和智能碰撞避免中，有許多指定的路徑可供選擇。通過一系列交叉，變異和選擇過程，我們可以找到近似的最優(yōu)路徑。仿真策略用于尋找船舶避碰的最佳路徑。能夠自動的接收對船舶航行駕駛權(quán)限的控制模型中的移動障礙物或移動船舶由ARPA識別，并且通過基于馬爾可夫過程模型計算預(yù)判，對算法計算模擬得到的結(jié)果進(jìn)行更高一級的運算疊加，并去除其匯總的雜樣結(jié)果，使得其更加符合線性加權(quán)函數(shù)的取值要求。另外，以往研究中的模擬策略編碼方法僅以船舶位置（經(jīng)度和緯度）為染色體基因，檢查測試數(shù)據(jù)不方便。單基因的模擬策略編碼方法由船舶位置，速度，潮汐，風(fēng)速和海浪等干擾因素構(gòu)成。染色體代表精心設(shè)計的路徑，其由基本的線序列和向基因組組成的轉(zhuǎn)變組成。起始基因代表當(dāng)前位置，末端基因代表目標(biāo)位置。如果船周圍有有可能影響安全的物體，船只的安全路徑是在起點和終點連接兩個基因的直線。如果航道周圍沒有有可能影響安全的物體，其他基因?qū)⒃谄鹗键c和終點之間隨機(jī)分布。提出了一種改進(jìn)的EP / N +算法，并將其算法的結(jié)果進(jìn)行專家系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)模擬，可以在工程模擬的精度要求前提下實現(xiàn)更高效的決策支持，這是模擬計算的重要部分。在該算法中，設(shè)計了一個特殊的遺傳算子來修改過程，并使用另一個遺傳算子來改變過程速度。每個課程部分的變化可以伴隨著速度的變化，同時計算時間更短。該系統(tǒng)的主要特點是引入時間參數(shù)，變速和其他船舶的動態(tài)約束。

4.結(jié)論與展望

在人工智能和軟計算中，專家系統(tǒng)更早地應(yīng)用于實船安裝和測試，關(guān)鍵是完成“防撞知識庫”。并考慮船速的影響；仿真策略及其改進(jìn)方法可以更快，更準(zhǔn)確地優(yōu)化碰撞避免決策； SIA和MAS具有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的相似性，前者參數(shù)選擇非常重要，后者多代理通信和協(xié)調(diào)是關(guān)鍵，更適合于協(xié)商智能避碰；灰色系統(tǒng)理論在處理傳感器不準(zhǔn)確信息方面具有很高的實用價值。

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