一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟一體化進程的加速，船舶運輸作為國際貿(mào)易中最重要的運輸方式之一，承擔著大量貨物的運輸任務，在世界經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，全球90%以上的貨物貿(mào)易是通過海運完成的，船舶運輸?shù)母咝c安全直接關系到各國經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展和供應鏈的順暢運行。例如，中國作為世界上最大的貨物貿(mào)易國之一，大量的原材料進口和制成品出口都依賴于船舶運輸，船舶運輸?shù)陌踩院托蕦χ袊?jīng)濟的影響不言而喻。然而，盡管航海技術不斷進步，船舶碰撞事故卻仍頻繁發(fā)生。這些事故不僅會導致人員傷亡，還會造成巨大的經(jīng)濟損失，同時對海洋環(huán)境也會產(chǎn)生嚴重的破壞。據(jù)國際海事組織（IMO）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年全球范圍內(nèi)發(fā)生的船舶碰撞事故多達數(shù)千起。例如，2018年1月6日，巴拿馬籍油船“桑吉”輪與香港籍散貨船“長峰水晶”輪在長江口以東約160海里處發(fā)生碰撞，“桑吉”輪全船失火并最終沉沒，造成了32名船員遇難，約13.6萬噸凝析油泄漏，對海洋生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，事故的經(jīng)濟損失也高達數(shù)十億元。又如，2021年，在某繁忙航道，一艘集裝箱船與一艘油輪發(fā)生碰撞，導致油輪部分燃油泄漏，造成了周邊海域的污染，同時也使得該航道被迫封鎖數(shù)日，眾多船舶無法正常通行，給航運企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。船舶碰撞事故頻發(fā)的原因是多方面的，其中包括人為因素、船舶設備故障、惡劣天氣條件以及航海環(huán)境復雜等。人為因素是導致船舶碰撞事故的主要原因之一，據(jù)統(tǒng)計，約80%的船舶碰撞事故與人為失誤有關，如駕駛員的疏忽、判斷失誤、操作不當?shù)取４送?，隨著船舶數(shù)量的不斷增加和海上交通流量的日益增大，傳統(tǒng)的避碰方法和技術逐漸難以滿足實際需求，如何提高船舶的避碰能力，降低碰撞事故的發(fā)生率，已成為航海領域亟待解決的重要問題。自動識別系統(tǒng)（AIS）的出現(xiàn)為船舶避碰技術的發(fā)展帶來了新的契機。AIS能夠自動、實時地向周圍船舶和岸基設施發(fā)送本船的識別信息、位置、航向、航速等動態(tài)信息，同時也能接收其他船舶發(fā)送的類似信息。通過AIS，船舶駕駛員可以更加直觀、準確地了解周圍船舶的動態(tài)情況，為避碰決策提供更豐富、可靠的信息支持。將AIS與專家系統(tǒng)技術相結合，開發(fā)基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)，能夠充分利用AIS的數(shù)據(jù)優(yōu)勢和專家系統(tǒng)的智能決策能力，為船舶提供更加科學、準確的避碰方案，從而有效降低船舶碰撞事故的發(fā)生率，提高航海安全水平。研究基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。從航海安全角度來看，該系統(tǒng)能夠為船舶駕駛員提供及時、準確的避碰建議，幫助駕駛員在復雜的航海環(huán)境中做出正確的決策，避免碰撞事故的發(fā)生，保障船員的生命安全和船舶的財產(chǎn)安全。從環(huán)境保護角度來看，減少船舶碰撞事故可以有效降低因事故導致的燃油泄漏、貨物散落等對海洋環(huán)境的污染，保護海洋生態(tài)平衡。從行業(yè)發(fā)展角度來看，該系統(tǒng)的應用有助于提高船舶運輸?shù)男屎桶踩?，降低航運企業(yè)的運營成本，增強航運企業(yè)的競爭力，促進船舶運輸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀在國外，船舶避碰技術的研究起步較早，并且隨著科技的不斷進步，取得了眾多具有重要價值的成果。早期，國外主要聚焦于船舶避碰規(guī)則的研究與制定，像國際海事組織（IMO）制定的《國際海上避碰規(guī)則》，為全球船舶避碰提供了基本的規(guī)范和準則，對保障海上航行安全發(fā)揮了關鍵作用。隨著計算機技術和傳感器技術的發(fā)展，自動避碰系統(tǒng)逐漸成為研究熱點。例如，日本在船舶自動避碰系統(tǒng)的研發(fā)方面投入了大量資源，其研制的一些避碰系統(tǒng)能夠通過先進的傳感器實時獲取船舶周圍的環(huán)境信息，并運用復雜的算法進行分析和處理，從而自動生成避碰決策。這些系統(tǒng)在一定程度上提高了船舶避碰的自動化水平和準確性。在專家系統(tǒng)技術應用于船舶避碰領域方面，國外也開展了許多深入的研究。美國的一些科研機構和高校，通過對航海專家的經(jīng)驗和知識進行系統(tǒng)的整理和總結，建立了較為完善的船舶避碰專家知識庫。他們利用專家系統(tǒng)強大的推理和決策能力，結合船舶的實時狀態(tài)信息和周圍環(huán)境信息，為船舶駕駛員提供科學、合理的避碰建議。此外，歐洲的一些國家，如挪威、丹麥等，也在船舶避碰專家系統(tǒng)的研究上取得了顯著進展，他們注重將先進的通信技術和智能算法融入到專家系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于船舶避碰技術的研究也在不斷深入和發(fā)展。在早期，主要是對國外先進避碰技術的引進和學習，同時結合國內(nèi)的實際航海情況，對相關技術進行消化和吸收。隨著國內(nèi)航海事業(yè)的快速發(fā)展，對船舶避碰技術的自主研發(fā)需求日益迫切。近年來，國內(nèi)眾多高校和科研機構紛紛加大了在這一領域的研究投入，取得了一系列豐碩的成果。在基于AIS的船舶避碰研究方面，國內(nèi)學者進行了大量的理論和實踐探索。通過對AIS數(shù)據(jù)的深入分析和挖掘，提出了多種基于AIS信息的船舶避碰算法和模型。例如，一些研究利用AIS提供的船舶位置、航向、航速等信息，通過建立數(shù)學模型來預測船舶的運動軌跡，進而評估船舶之間的碰撞風險，并據(jù)此制定相應的避碰策略。在專家系統(tǒng)應用于船舶避碰方面，國內(nèi)也取得了一定的成果。一些研究團隊通過收集和整理航海專家的知識和經(jīng)驗，建立了具有針對性的船舶避碰專家系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠根據(jù)船舶的實時狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，運用專家系統(tǒng)的推理機制，為駕駛員提供有效的避碰決策支持。例如，某高校研發(fā)的基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)，通過對航海規(guī)則和經(jīng)驗的深入理解，構建了完善的知識庫和推理機，能夠在復雜的航海環(huán)境下為船舶提供準確的避碰建議。1.2.3研究現(xiàn)狀分析盡管國內(nèi)外在船舶避碰技術和專家系統(tǒng)應用方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究在處理復雜航海環(huán)境下的避碰問題時，還存在一定的局限性。例如，在多船會遇、惡劣天氣條件以及復雜海況等情況下，避碰系統(tǒng)的決策準確性和可靠性有待進一步提高。不同的避碰算法和模型之間缺乏有效的融合和協(xié)同，難以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，導致在實際應用中避碰效果不夠理想。此外，對于船舶避碰專家系統(tǒng)的智能化程度和自學習能力的研究還相對較少，系統(tǒng)難以根據(jù)不斷變化的航海環(huán)境和實際情況進行自適應調(diào)整和優(yōu)化。本文的研究旨在針對現(xiàn)有研究的不足，深入探討基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)的關鍵技術和實現(xiàn)方法。通過對AIS數(shù)據(jù)的高效處理和分析，結合專家系統(tǒng)的智能決策能力，構建更加完善、智能的船舶避碰專家系統(tǒng)。同時，注重算法的融合和協(xié)同，提高系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的適應性和可靠性，為船舶航行安全提供更加有力的保障。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文主要聚焦于基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)展開研究，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個重要方面：AIS技術在船舶避碰中的應用分析：深入剖析AIS系統(tǒng)的工作原理、組成結構以及其在船舶避碰領域的獨特優(yōu)勢。詳細研究AIS數(shù)據(jù)的傳輸特性、精度以及可靠性，分析AIS信息如何為船舶避碰提供關鍵的基礎數(shù)據(jù)支持，如船舶的位置、航向、航速等動態(tài)信息的實時獲取與更新機制，以及這些信息在船舶避碰決策中的重要作用。船舶避碰專家系統(tǒng)的構建：全面收集和整理航海專家的知識和經(jīng)驗，包括航海避碰規(guī)則、典型的避碰案例以及實際航海中的各種操作技巧等。在此基礎上，運用先進的知識表示方法，如產(chǎn)生式規(guī)則、框架表示法等，構建系統(tǒng)而完善的船舶避碰專家知識庫。同時，設計高效的推理機，采用正向推理、反向推理以及混合推理等多種推理策略，實現(xiàn)根據(jù)船舶實時狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，快速、準確地推理出合理的避碰決策?；贏IS數(shù)據(jù)的船舶碰撞風險評估模型：通過對AIS數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，結合船舶運動學原理和航海環(huán)境因素，建立科學合理的船舶碰撞風險評估模型。該模型能夠?qū)崟r計算船舶之間的會遇態(tài)勢，如最近會遇距離（DCPA）和到達最近會遇距離的時間（TCPA）等關鍵指標，并根據(jù)這些指標準確評估船舶之間的碰撞風險程度，為避碰決策提供量化的依據(jù)。系統(tǒng)的集成與驗證：將AIS技術、專家系統(tǒng)以及碰撞風險評估模型進行有機集成，開發(fā)出基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)原型。通過在實際航海環(huán)境中的模擬測試和案例分析，對系統(tǒng)的性能進行全面驗證，包括系統(tǒng)的準確性、可靠性、實時性以及對復雜航海環(huán)境的適應性等。根據(jù)測試結果，對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，確保系統(tǒng)能夠滿足實際船舶避碰的需求。1.3.2研究方法為了確保研究的科學性和有效性，本文將綜合運用多種研究方法：文獻研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關于船舶避碰技術、AIS系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等方面的相關文獻資料，包括學術期刊論文、學位論文、研究報告以及相關的行業(yè)標準和規(guī)范等。通過對這些文獻的深入研究和分析，全面了解該領域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，總結前人的研究成果和經(jīng)驗教訓，為本文的研究提供堅實的理論基礎和研究思路。案例分析法：收集和整理大量實際發(fā)生的船舶碰撞事故案例，對這些案例進行詳細的分析和研究。通過對事故發(fā)生的背景、原因、過程以及后果等方面的深入剖析，總結出船舶碰撞事故的規(guī)律和特點，從中提取出有價值的信息和經(jīng)驗，為船舶避碰專家系統(tǒng)的構建和優(yōu)化提供實際案例支持。模型構建法：運用數(shù)學建模和計算機仿真技術，建立基于AIS數(shù)據(jù)的船舶碰撞風險評估模型和避碰決策模型。通過對模型的參數(shù)設置和仿真實驗，模擬不同航海環(huán)境下船舶的運動狀態(tài)和會遇情況，對模型的性能進行驗證和優(yōu)化，以提高模型的準確性和可靠性。實驗驗證法：在實驗室環(huán)境中搭建基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)實驗平臺，利用模擬船舶航行數(shù)據(jù)和實際采集的AIS數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行測試和驗證。通過實驗，對系統(tǒng)的各項功能和性能指標進行評估，如系統(tǒng)的響應時間、決策準確性、穩(wěn)定性等，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題并進行改進。二、船舶避碰專家系統(tǒng)相關理論基礎2.1船舶避碰原理2.1.1船舶碰撞態(tài)勢分析船舶在海上航行時，會與其他船舶形成各種不同的會遇局面，準確判斷這些會遇局面對于船舶避碰至關重要。常見的會遇局面包括對遇、交叉相遇和追越，每種局面都有其獨特的判斷標準。對遇局面是指兩艘機動船在相反或接近相反的航向上相遇致有構成碰撞危險的情況。根據(jù)《1972年國際海上避碰規(guī)則》，當兩艘機動船在相反或接近相反的航向上相遇，且各自位于對方的正前方或接近正前方，即當一船看見他船的前后桅燈成一直線或接近一直線，和（或）兩盞舷燈時，便構成對遇局面。在對遇局面下，兩船之間的相對速度較大，碰撞風險高，需要及時采取有效的避碰措施。例如，在某開闊海域，兩艘大型集裝箱船以相反航向高速行駛，當它們接近到一定距離時，滿足了對遇局面的判斷標準，此時兩船駕駛員必須高度警惕，迅速做出決策，以避免碰撞事故的發(fā)生。交叉相遇局面是指兩艘機動船交叉相遇致有構成碰撞危險的情況。在交叉相遇局面中，判斷哪艘船為讓路船是關鍵。通常情況下，有他船在本船右舷的船舶應為讓路船，而本船則為直航船。具體判斷標準為，當兩艘機動船交叉相遇，且一船位于另一船的右舷，且兩船之間的夾角在一定范圍內(nèi)（通常認為是30°-150°之間），并致有構成碰撞危險時，即構成交叉相遇局面。例如，在某繁忙的海峽，一艘油輪與一艘散貨船交叉相遇，油輪位于散貨船的右舷，此時油輪應根據(jù)規(guī)則判斷為讓路船，需要主動采取避讓行動，如轉向或變速，以確保兩船安全通過。追越局面是指一船從他船正橫后大于22.5°的某一方向上趕上他船時的情況。當一船對其所追越的船所處的位置，在夜間只能看見被追越船的尾燈而不能看見它的任一舷燈時，應認為是在追越中。追越船應給被追越船讓路，并且在追越過程中，追越船應保持與被追越船的安全距離，避免因操作不當而導致碰撞事故。例如，在一條狹窄的航道上，一艘小型快艇從一艘大型貨船的正橫后大于22.5°的方向追趕上來，此時快艇即處于追越局面，快艇駕駛員應嚴格遵守規(guī)則，謹慎操作，給貨船讓路，確保航行安全。準確判斷船舶的碰撞態(tài)勢，能夠為后續(xù)的避碰決策提供重要依據(jù)。通過對不同會遇局面的分析，船舶駕駛員可以根據(jù)規(guī)則和實際情況，及時采取合適的避碰措施，降低碰撞風險，保障船舶的航行安全。2.1.2避碰規(guī)則與策略《1972年國際海上避碰規(guī)則》是國際上通用的船舶避碰規(guī)則，其目的是確保海上航行安全，防止船舶之間發(fā)生碰撞。該規(guī)則對公海、毗連區(qū)和領海內(nèi)一切水域中航行的所有船舶在安全航速、避免碰撞、在狹窄水道航行和分道通航的行動準則，以及船舶之間追越、對遇、交叉、讓路和直航時的責任等方面都作了具體規(guī)定。例如，在對遇局面下，規(guī)則規(guī)定兩船應各自向右轉向，從而使兩船能夠在安全的情況下通過；在交叉相遇局面中，規(guī)定有他船在本船右舷的船舶應為讓路船，本船應保持航向和航速，讓路船則應及早采取大幅度的行動，寬裕地讓清他船。除了遵守國際避碰規(guī)則外，船舶在實際避碰過程中還會采用一些常用的避碰策略，如轉向和變速。轉向是一種較為常用的避碰策略，通過改變船舶的航向，使船舶避開可能發(fā)生碰撞的危險區(qū)域。在采用轉向策略時，需要考慮轉向的幅度、時機以及周圍船舶的動態(tài)等因素。例如，當船舶判斷與他船存在碰撞危險時，應根據(jù)兩船的相對位置和速度，及時采取合適幅度的轉向行動，以確保在安全距離內(nèi)通過他船。變速也是一種有效的避碰策略，通過改變船舶的航速，調(diào)整兩船之間的相對速度和到達最近會遇距離的時間，從而避免碰撞。在某些情況下，減速可以使船舶有更多的時間來觀察和判斷周圍的情況，以便做出更準確的避碰決策；而加速則可以使船舶快速通過危險區(qū)域。在實際應用中，船舶駕駛員需要根據(jù)具體的航海環(huán)境和船舶會遇態(tài)勢，綜合運用各種避碰規(guī)則和策略，以確保船舶的航行安全。例如，在狹窄水道中，船舶不僅要遵守規(guī)則中關于狹窄水道航行的規(guī)定，還要考慮水道的寬度、水深、水流等因素，謹慎選擇避碰策略，避免因操作不當而導致船舶擱淺或碰撞。2.2專家系統(tǒng)原理2.2.1專家系統(tǒng)的基本結構專家系統(tǒng)是一種基于人工智能技術的智能系統(tǒng)，其基本結構主要由知識庫、推理機、人機接口、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取和解釋器等部分組成，各部分之間相互協(xié)作，共同完成專家系統(tǒng)的各項功能。知識庫是專家系統(tǒng)的核心組成部分，它用于存儲領域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，這些知識以特定的形式表示，如產(chǎn)生式規(guī)則、框架、語義網(wǎng)絡等。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，知識庫包含了航海避碰規(guī)則、典型的避碰案例以及船舶操縱性能等方面的知識。例如，將《1972年國際海上避碰規(guī)則》中的各種規(guī)定以產(chǎn)生式規(guī)則的形式存儲在知識庫中，當遇到相應的會遇局面時，系統(tǒng)可以根據(jù)這些規(guī)則進行推理和決策。知識庫中的知識是專家系統(tǒng)解決問題的基礎，其質(zhì)量和數(shù)量直接影響著專家系統(tǒng)的性能和準確性。推理機是專家系統(tǒng)的“思維”機構，它負責根據(jù)知識庫中的知識和用戶提供的信息進行推理和判斷，從而得出結論和解決方案。推理機采用一定的推理策略，如正向推理、反向推理或混合推理，在知識庫中搜索和匹配相關的知識，以實現(xiàn)問題的求解。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，推理機根據(jù)船舶的實時狀態(tài)信息，如位置、航向、航速等，以及周圍船舶的信息，在知識庫中尋找相應的避碰規(guī)則和策略，通過推理得出合理的避碰建議。例如，當系統(tǒng)檢測到船舶與他船存在碰撞危險時，推理機根據(jù)知識庫中的規(guī)則，判斷當前的會遇局面，然后根據(jù)相應的避碰策略，如轉向或變速，計算出合適的避碰行動。人機接口是專家系統(tǒng)與用戶之間進行交互的界面，它負責將用戶的輸入信息轉換為系統(tǒng)能夠理解的形式，同時將系統(tǒng)的輸出結果以用戶易于理解的方式呈現(xiàn)給用戶。人機接口可以采用多種形式，如圖形界面、命令行界面、語音交互等，以滿足不同用戶的需求。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，人機接口可以設計為直觀的圖形界面，船舶駕駛員可以通過該界面方便地輸入船舶的實時信息，如船位、航向、航速等，同時系統(tǒng)也可以通過該界面以圖表、文字等形式向駕駛員展示周圍船舶的動態(tài)信息、碰撞風險評估結果以及避碰建議等。綜合數(shù)據(jù)庫用于存儲系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的中間結果、用戶輸入的信息以及系統(tǒng)的當前狀態(tài)等數(shù)據(jù)。綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是推理機進行推理和決策的重要依據(jù)，它隨著系統(tǒng)的運行不斷更新和變化。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，綜合數(shù)據(jù)庫會存儲船舶的實時位置、航向、航速等信息，以及周圍船舶的相關信息，同時還會記錄系統(tǒng)在推理過程中產(chǎn)生的中間結果，如碰撞風險評估的計算結果等。知識獲取是專家系統(tǒng)中獲取新知識和更新知識庫的模塊，它負責從領域?qū)＜?、文獻資料、案例分析等多種渠道獲取知識，并將其轉化為知識庫中可存儲和使用的形式。知識獲取可以是人工的，也可以采用半自動或自動的方式。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，知識獲取模塊可以通過與航海專家進行交流和訪談，收集他們的經(jīng)驗和知識，然后將這些知識整理和轉化為知識庫中的規(guī)則和案例。此外，還可以通過對大量實際船舶碰撞事故案例的分析和研究，提取其中的有用信息和規(guī)律，作為新知識補充到知識庫中。解釋器用于對系統(tǒng)的推理過程和結論進行解釋和說明，它向用戶提供關于系統(tǒng)如何得出結論以及為什么采取某種行動的詳細信息，以增強用戶對系統(tǒng)的信任和理解。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，當系統(tǒng)給出避碰建議時，解釋器可以向駕駛員解釋系統(tǒng)是根據(jù)哪些規(guī)則和信息得出該建議的，以及采取該建議的原因和預期效果。例如，解釋器可以說明系統(tǒng)是根據(jù)當前的會遇局面、船舶的相對位置和速度等信息，依據(jù)《1972年國際海上避碰規(guī)則》中的相關規(guī)定，得出轉向避讓的建議，并且解釋轉向的角度和時機是如何確定的。專家系統(tǒng)的各個組成部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)了專家系統(tǒng)的智能決策功能。知識庫提供知識支持，推理機進行推理和決策，人機接口實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互，綜合數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，知識獲取更新知識庫，解釋器增強用戶對系統(tǒng)的理解和信任。2.2.2知識表示與推理方法知識表示是將領域知識以計算機能夠理解和處理的形式進行表達的過程，它是專家系統(tǒng)的重要基礎。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，常用的知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則、框架式等。產(chǎn)生式規(guī)則是一種基于條件-動作對的知識表示方法，它以“如果……那么……”的形式來表達知識。例如，在船舶避碰領域，一條產(chǎn)生式規(guī)則可以表示為：“如果本船與他船處于對遇局面且距離小于安全距離，那么本船應立即向右轉向”。產(chǎn)生式規(guī)則具有簡單直觀、易于理解和實現(xiàn)的優(yōu)點，它能夠清晰地表達因果關系，便于專家系統(tǒng)進行推理和決策。同時，產(chǎn)生式規(guī)則還具有很強的靈活性，可以方便地進行添加、修改和刪除，以適應不同的知識需求。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，大量的避碰規(guī)則和策略都可以用產(chǎn)生式規(guī)則來表示，這些規(guī)則構成了知識庫的主要內(nèi)容?？蚣苁街R表示方法是將知識組織成框架的形式，每個框架描述一個特定的對象或概念，框架中包含了描述該對象或概念的各種屬性和屬性值。例如，對于船舶這個概念，可以用一個框架來表示，框架中包含船舶的名稱、類型、長度、寬度、吃水、航速、航向等屬性，每個屬性都有相應的值?？蚣苁街R表示方法能夠很好地表示事物的層次結構和屬性關系，它可以將相關的知識組織在一起，便于知識的管理和使用。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，框架式知識表示方法可以用于表示船舶的各種信息，如船舶的靜態(tài)信息和動態(tài)信息，以及不同的會遇局面等。通過框架之間的關聯(lián)和繼承關系，可以有效地組織和利用知識，提高系統(tǒng)的推理效率。推理方法是專家系統(tǒng)實現(xiàn)智能決策的關鍵，它根據(jù)已知的知識和信息，通過一定的推理策略得出結論和解決方案。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，常用的推理方法有正向推理、反向推理等。正向推理是從已知的事實出發(fā)，按照一定的推理規(guī)則，逐步推出結論的過程。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，正向推理的過程如下：首先，系統(tǒng)獲取船舶的實時狀態(tài)信息和周圍船舶的信息，將這些信息作為已知事實存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中。然后，推理機從知識庫中搜索與這些事實匹配的產(chǎn)生式規(guī)則，當找到匹配的規(guī)則時，根據(jù)規(guī)則的結論進行推理，并將推理結果存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中。接著，推理機繼續(xù)在知識庫中搜索與新的事實匹配的規(guī)則，重復上述過程，直到得出最終的避碰決策。例如，當系統(tǒng)檢測到本船與他船處于交叉相遇局面，且本船位于他船的右舷時，根據(jù)“交叉相遇局面中，有他船在本船右舷的船舶應為讓路船”這一規(guī)則，推理機得出本船應為讓路船的結論，然后根據(jù)其他相關規(guī)則和信息，進一步推理出本船應采取的具體避碰行動，如轉向或變速。反向推理是從目標出發(fā)，反向?qū)ふ抑С帜繕说淖C據(jù)和規(guī)則的過程。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，反向推理的過程如下：首先，系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求或當前的情況確定一個目標，如需要采取的避碰行動。然后，推理機從知識庫中搜索能夠推出該目標的產(chǎn)生式規(guī)則，找到規(guī)則后，檢查規(guī)則的前提條件是否滿足。如果前提條件滿足，則目標成立；如果前提條件不滿足，則將前提條件作為子目標，繼續(xù)在知識庫中搜索能夠推出子目標的規(guī)則，重復上述過程，直到找到所有支持目標的證據(jù)或規(guī)則，或者確定目標無法實現(xiàn)。例如，當系統(tǒng)需要確定本船應采取的避碰行動時，以“本船應采取的避碰行動”為目標，從知識庫中搜索相關規(guī)則。如果找到一條規(guī)則“如果本船與他船的最近會遇距離小于安全距離，那么本船應轉向避讓”，則檢查“本船與他船的最近會遇距離小于安全距離”這一前提條件是否成立。如果成立，則得出本船應轉向避讓的結論；如果不成立，則繼續(xù)搜索其他相關規(guī)則，直到確定本船應采取的避碰行動。在實際應用中，船舶避碰專家系統(tǒng)通常會根據(jù)具體情況選擇合適的知識表示方法和推理方法，或者將多種方法結合使用，以提高系統(tǒng)的性能和準確性。例如，在知識庫中，可以同時使用產(chǎn)生式規(guī)則和框架式知識表示方法來表示不同類型的知識，在推理過程中，可以根據(jù)具體問題的特點，靈活選擇正向推理、反向推理或混合推理策略，以實現(xiàn)高效、準確的避碰決策。2.3AIS技術原理與應用2.3.1AIS系統(tǒng)組成與工作機制AIS系統(tǒng)主要由船臺設備、岸臺系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡三部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)船舶信息的自動識別和交換。船臺設備是安裝在船舶上的AIS裝置，它是AIS系統(tǒng)的基礎組成部分。典型的AIS船臺設備由VHF發(fā)射機、VHFTDMA接收機、VHFDSC接收機、信息處理控制裝置以及各種傳感器組成。其中，VHF發(fā)射機負責將本船的信息發(fā)送出去，這些信息包括船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號、IMO編號、船舶類型、船長、船寬等；動態(tài)信息，如船位、航向、航速、轉向率等；以及與航行相關的信息，如吃水、危險貨物信息等。這些信息通過甚高頻（VHF）頻段進行廣播，使得周圍配備AIS設備的船舶和岸臺能夠接收到。VHFTDMA接收機用于接收其他船舶和岸臺發(fā)送的AIS信息，它采用時分多址（TDMA）技術，能夠在同一頻率上區(qū)分不同船舶發(fā)送的信息，避免信號沖突。VHFDSC接收機則主要用于接收特定的遇險和安全相關指令，參與全球海事安全系統(tǒng)（GMDSS）。信息處理控制裝置是船臺設備的核心，它負責對各種傳感器采集到的信息進行處理和整合，并控制VHF發(fā)射機和接收機的工作。各種傳感器，如全球定位系統(tǒng)（GPS）傳感器用于獲取船舶的精確位置信息，羅經(jīng)傳感器用于測量船舶的航向，計程儀傳感器用于測量船舶的航速等，它們?yōu)锳IS系統(tǒng)提供了實時、準確的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)。岸臺系統(tǒng)是AIS通信網(wǎng)的關鍵節(jié)點，它在AIS系統(tǒng)中起到了信息中轉和管理的作用。一個典型的岸臺由VHFTDMA收發(fā)機、VHFDSC接收機、基站控制器（BSC）、網(wǎng)絡設備、控制軟件和應用軟件組成。VHFTDMA收發(fā)機既能接收AIS船臺發(fā)送的信息，也能向船臺發(fā)送指令和信息?；究刂破髫撠煿芾砗涂刂瓢杜_的各個設備，協(xié)調(diào)它們之間的工作，確保岸臺能夠穩(wěn)定、高效地運行。網(wǎng)絡設備用于將岸臺與其他岸臺、數(shù)據(jù)中心以及相關管理部門的系統(tǒng)進行連接，實現(xiàn)信息的傳輸和共享?？刂栖浖蛻密浖t負責對岸臺接收和發(fā)送的信息進行處理、分析和存儲，同時為管理人員提供操作界面，以便對AIS系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。岸臺系統(tǒng)可以實時采集其覆蓋范圍內(nèi)所有AIS船臺的動靜態(tài)信息，并將這些信息發(fā)送給主基站或相關管理部門。同時，它也能將主基站的指令發(fā)送給水域內(nèi)的AIS船臺，實現(xiàn)對船舶的遠程監(jiān)控和管理。通信網(wǎng)絡是連接船臺設備和岸臺系統(tǒng)的紐帶，它實現(xiàn)了AIS信息的傳輸和交換。AIS系統(tǒng)主要采用甚高頻（VHF）通信技術，工作在兩個專用頻道，即VHFCH87B（161.975MHz）和VHFCH88B（162.025MHz）。VHF通信具有傳輸距離適中、信號穩(wěn)定等優(yōu)點，適合在海上近距離通信中使用。在AIS系統(tǒng)中，船臺設備和岸臺系統(tǒng)通過VHF通信網(wǎng)絡進行信息的廣播和接收。此外，為了擴大AIS系統(tǒng)的覆蓋范圍，還可以采用衛(wèi)星通信技術，將AIS信息通過衛(wèi)星進行轉發(fā)，實現(xiàn)對遠洋船舶的監(jiān)控。一些先進的AIS系統(tǒng)還可以與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，使得相關管理部門和用戶能夠通過網(wǎng)絡實時獲取AIS信息，提高信息的共享和利用效率。AIS系統(tǒng)的工作機制基于自組織時分多址（SOTDMA）技術。在SOTDMA模式下，所有船臺和岸臺使用同一頻率，但它們按照時間分隔的方式發(fā)送和接收信息，信號互不干擾。具體來說，AIS信號發(fā)射格式中，信息電文1幀為1分鐘，這1分鐘被劃分為2250個時隙，每個時隙時長為26.67ms，包含256比特的數(shù)據(jù)。每個船位報告占用一個時隙，其他類型的報文可能會占用多個時隙。船舶在發(fā)送信息時，會根據(jù)自身的情況選擇合適的時隙進行發(fā)送，并且會不斷更新自己的發(fā)送時隙，以確保信息的及時傳輸。同時，船舶也會監(jiān)聽其他船舶和岸臺在各個時隙發(fā)送的信息，從中獲取所需的船舶動態(tài)和靜態(tài)信息。通過這種方式，AIS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶之間或船舶與岸臺之間的動態(tài)、有效的無擁塞通信，為船舶避碰和海上交通管理提供了重要的數(shù)據(jù)支持。2.3.2AIS在船舶避碰中的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的船舶避碰設備相比，AIS在船舶避碰中具有諸多顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得AIS成為現(xiàn)代船舶避碰中不可或缺的重要技術。AIS在信息準確性方面具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)的避碰設備，如雷達，其測量目標船的位置信息是基于距離和方位的極坐標，通過對觀測目標前后相對本船的位置改變推算目標船的航向、航速等信息，這種推算方式容易受到多種因素的影響，導致測量誤差較大。例如，在惡劣海況下，雷達容易受到海浪干擾產(chǎn)生雜波，在惡劣天氣下會受到雨雪干擾產(chǎn)生雨雪干擾雜波，這些雜波會影響雷達對目標船的觀測，導致測量結果不準確。此外，雷達的方位分辨力弱，測方位精度差，一般方位誤差在1°左右，且隨量程變化而變化。而AIS設備通過與高精度的GPS等定位傳感器相連，能夠直接獲取船舶的精確位置信息，其定位精度穩(wěn)定在5-30米。同時，AIS設備所獲取的船舶航向、航速等信息也直接來自于船舶的傳感器，避免了傳統(tǒng)設備通過推算帶來的誤差。因此，AIS提供的船舶信息更加準確可靠，能夠為船舶避碰決策提供更精準的數(shù)據(jù)支持。AIS在信息實時性方面表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)的船舶避碰設備，如雷達，需要通過人工操作進行目標的搜索、跟蹤和識別，這個過程需要一定的時間，而且在復雜的航海環(huán)境下，人工操作容易出現(xiàn)疏忽和遺漏。而AIS系統(tǒng)能夠自動、實時地發(fā)送和接收船舶信息，船舶的位置、航向、航速等動態(tài)信息會按照一定的時間間隔不斷更新并廣播出去。一般情況下，AIS設備對船舶動態(tài)信息的更新頻率可以達到每2秒一次，在船舶處于高速航行或會遇危險局面時，更新頻率還會更高。這種實時性使得船舶駕駛員能夠及時了解周圍船舶的動態(tài)變化，迅速做出避碰決策，大大提高了船舶避碰的及時性和有效性。AIS在信息全面性方面也具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)的避碰設備主要提供船舶的位置、航向、航速等基本信息，對于船舶的其他重要信息，如船名、呼號、船舶類型、吃水、危險貨物信息等，往往無法獲取。而AIS系統(tǒng)不僅能夠提供船舶的動態(tài)信息，還能發(fā)送和接收船舶的靜態(tài)信息以及與航行相關的信息。這些豐富的信息能夠幫助船舶駕駛員更全面地了解周圍船舶的情況，評估碰撞風險，制定更加合理的避碰策略。例如，當?shù)弥車把b載有危險貨物時，船舶駕駛員可以更加謹慎地采取避碰行動，避免因碰撞引發(fā)危險貨物泄漏等嚴重事故。AIS還具有良好的抗干擾能力和覆蓋范圍優(yōu)勢。傳統(tǒng)雷達在惡劣天氣條件下，如強降雨、大霧、低云等，其無線電工作頻率會受到很大影響，導致探測性能下降，甚至無法正常工作。而AIS系統(tǒng)盡管在強雷暴天氣里也可能會受到一些影響，但這種影響相對較小，一般不會出現(xiàn)受雜波干擾和誤跟蹤或丟失小目標的現(xiàn)象。只要在AIS覆蓋區(qū)內(nèi)，且目標船舶同樣裝有AIS設備，相互通信的信號就不會因船舶的大小、形狀、距離的遠近發(fā)生差異。此外，船載AIS的“可視”范圍通常為20海里，雖然這與一般船用導航雷達的視距大致相當，但其在信息更新率上有了較大的提高，且還能自動進行選擇和調(diào)整。通過在沿海、沿江港口架設AIS基站，可以自動接收AIS基站周圍30海里以上范圍內(nèi)配置有AIS的過往船舶的信息，擴大了對船舶的監(jiān)控范圍。AIS在船舶避碰中在信息準確性、實時性、全面性以及抗干擾能力和覆蓋范圍等方面都具有明顯優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得AIS能夠為船舶避碰提供更可靠、更及時、更全面的信息支持，有效降低船舶碰撞事故的發(fā)生率，提高海上航行的安全性。三、基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)設計3.1系統(tǒng)總體架構設計3.1.1系統(tǒng)功能模塊劃分基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)主要劃分為信息采集、知識庫管理、推理決策、顯示輸出等功能模塊，各模塊相互協(xié)作，共同實現(xiàn)船舶避碰的智能決策。信息采集模塊是系統(tǒng)與外界信息交互的重要接口，其主要功能是實時獲取船舶自身以及周圍船舶的各類信息。該模塊通過與AIS設備、船舶傳感器等進行數(shù)據(jù)通信，收集船舶的靜態(tài)信息，如船名、呼號、IMO編號、船舶類型、船長、船寬等；動態(tài)信息，包括船位、航向、航速、轉向率等；以及與航行相關的信息，如吃水、危險貨物信息、目的港等。這些信息是系統(tǒng)進行后續(xù)分析和決策的基礎數(shù)據(jù)，其準確性和實時性直接影響著系統(tǒng)的性能。例如，通過AIS設備，信息采集模塊能夠快速獲取周圍船舶的實時位置和動態(tài)信息，為船舶避碰提供及時的數(shù)據(jù)支持。知識庫管理模塊是系統(tǒng)的知識核心，負責對船舶避碰領域的知識進行存儲、更新和管理。該模塊包含了豐富的知識內(nèi)容，如國際海上避碰規(guī)則、航海專家的經(jīng)驗知識、典型的避碰案例等。在知識存儲方面，采用了合理的數(shù)據(jù)結構和存儲方式，以確保知識的高效查詢和調(diào)用。同時，知識庫管理模塊還具備知識更新功能，能夠根據(jù)新的航海經(jīng)驗、規(guī)則變化以及實際案例，對知識庫中的知識進行及時更新和完善，保證知識庫的時效性和準確性。例如，當國際海上避碰規(guī)則發(fā)生修訂時，知識庫管理模塊能夠及時將新的規(guī)則內(nèi)容納入知識庫，以便系統(tǒng)在推理決策時能夠遵循最新的規(guī)則。推理決策模塊是系統(tǒng)的智能核心，它依據(jù)信息采集模塊獲取的船舶信息以及知識庫管理模塊提供的知識，運用特定的推理算法和策略，對船舶的碰撞風險進行評估，并制定相應的避碰決策。該模塊首先根據(jù)船舶的位置、航向、航速等信息，計算船舶之間的會遇態(tài)勢，如最近會遇距離（DCPA）和到達最近會遇距離的時間（TCPA）等關鍵指標，以此評估碰撞風險程度。然后，根據(jù)評估結果，在知識庫中搜索匹配的避碰規(guī)則和策略，通過推理得出具體的避碰建議，如轉向、變速的幅度和時機等。例如，當推理決策模塊判斷船舶與他船存在碰撞危險時，會根據(jù)知識庫中的規(guī)則，結合當前船舶的實際情況，計算出合適的轉向角度和變速量，以避免碰撞事故的發(fā)生。顯示輸出模塊是系統(tǒng)與船舶駕駛員進行交互的界面，其主要作用是將系統(tǒng)的分析結果和決策建議以直觀、易懂的方式呈現(xiàn)給駕駛員。該模塊通過圖形界面、文字提示等方式，向駕駛員展示周圍船舶的動態(tài)信息、碰撞風險評估結果以及避碰決策建議。例如，以電子海圖為背景，在屏幕上直觀地顯示周圍船舶的位置、航向、航速等信息，并用不同的顏色和圖標表示船舶的狀態(tài)和碰撞風險程度。同時，將避碰決策建議以文字形式清晰地展示在屏幕上，如“建議本船向右轉向30°，減速至10節(jié)”，方便駕駛員快速理解和執(zhí)行。此外，顯示輸出模塊還可以提供歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設置等功能，滿足駕駛員的不同需求。3.1.2模塊間交互流程在基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)中，各功能模塊之間緊密協(xié)作，通過特定的交互流程實現(xiàn)船舶避碰的智能決策。信息采集模塊作為系統(tǒng)的信息源頭，實時從AIS設備、船舶傳感器等獲取船舶的各類信息。在獲取AIS信息時，通過與AIS設備的通信接口，接收其他船舶發(fā)送的AIS報文，并對報文進行解析和處理，提取出其中的船舶靜態(tài)、動態(tài)和航行相關信息。同時，從船舶自身的傳感器，如GPS、羅經(jīng)、計程儀等，獲取本船的位置、航向、航速等信息。然后，將這些采集到的信息進行初步整理和格式化，發(fā)送給推理決策模塊和知識庫管理模塊。例如，當船舶在航行過程中，信息采集模塊持續(xù)不斷地獲取周圍船舶的AIS信息，并將這些信息及時傳遞給其他模塊，為系統(tǒng)的實時決策提供數(shù)據(jù)支持。知識庫管理模塊在接收到信息采集模塊發(fā)送的信息后，一方面將新的信息與知識庫中的已有知識進行比對和分析，判斷是否需要更新知識庫。如果發(fā)現(xiàn)新的信息與現(xiàn)有知識存在差異或補充，如出現(xiàn)新的避碰案例或規(guī)則變化，知識庫管理模塊會對知識庫進行相應的更新和完善。另一方面，當推理決策模塊需要查詢知識時，知識庫管理模塊會根據(jù)推理決策模塊的請求，快速準確地從知識庫中檢索出相關的知識，并將其發(fā)送給推理決策模塊。例如，當國際海上避碰規(guī)則發(fā)生修訂時，知識庫管理模塊會及時將新的規(guī)則內(nèi)容更新到知識庫中，當推理決策模塊在進行避碰決策時，就可以從更新后的知識庫中獲取最新的規(guī)則知識。推理決策模塊是整個交互流程的核心環(huán)節(jié)，它接收來自信息采集模塊的船舶信息和知識庫管理模塊的知識。首先，根據(jù)船舶信息，運用碰撞風險評估算法，計算船舶之間的會遇態(tài)勢指標，如DCPA和TCPA，評估碰撞風險程度。然后，根據(jù)評估結果，在知識庫中搜索匹配的避碰規(guī)則和策略，運用推理算法進行推理，得出具體的避碰決策建議。最后，將避碰決策建議發(fā)送給顯示輸出模塊。例如，當推理決策模塊判斷本船與他船存在碰撞危險時，會根據(jù)知識庫中的規(guī)則和當前船舶的實際情況，計算出合適的避碰行動，如轉向或變速，并將這些決策建議發(fā)送給顯示輸出模塊。顯示輸出模塊負責將推理決策模塊發(fā)送的避碰決策建議以及其他相關信息，如周圍船舶的動態(tài)信息、碰撞風險評估結果等，以直觀的方式呈現(xiàn)給船舶駕駛員。駕駛員可以通過顯示輸出模塊提供的界面，實時了解船舶的航行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，以及系統(tǒng)給出的避碰決策建議。同時，駕駛員還可以通過界面與系統(tǒng)進行交互，如查詢歷史數(shù)據(jù)、設置系統(tǒng)參數(shù)等。例如，駕駛員在駕駛船舶過程中，可以通過顯示輸出模塊的電子海圖界面，清晰地看到周圍船舶的位置和動態(tài)信息，以及系統(tǒng)給出的避碰建議，從而及時采取相應的措施，避免碰撞事故的發(fā)生。各功能模塊之間通過這種緊密的交互流程，實現(xiàn)了基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)的智能決策功能，為船舶的安全航行提供了有力的支持。3.2知識庫構建3.2.1知識獲取途徑知識獲取是構建船舶避碰專家系統(tǒng)知識庫的關鍵環(huán)節(jié)，其準確性和全面性直接影響著系統(tǒng)的性能和可靠性。本研究主要通過文獻研究、專家經(jīng)驗、案例分析等多種途徑獲取船舶避碰知識。在文獻研究方面，廣泛查閱國內(nèi)外與船舶避碰相關的學術文獻、行業(yè)標準、技術報告以及法規(guī)文件等資料。國際海事組織（IMO）制定的《國際海上避碰規(guī)則》是船舶避碰領域的權威規(guī)范，其中詳細規(guī)定了各種會遇局面下船舶的行動準則和責任義務，為知識庫提供了重要的規(guī)則性知識來源。許多學術期刊上發(fā)表的關于船舶避碰技術、算法研究以及航海實踐經(jīng)驗總結的論文，也為獲取先進的避碰理念和方法提供了豐富的素材。通過對這些文獻的深入研究和分析，提取其中具有普遍性和代表性的知識，如不同會遇局面下的避碰策略、船舶操縱性能對避碰的影響等，將其納入知識庫中。專家經(jīng)驗也是知識獲取的重要來源。船舶避碰領域的專家憑借其豐富的航海經(jīng)驗和專業(yè)知識，能夠提供許多寶貴的實踐指導和決策依據(jù)。通過與航海專家進行面對面的訪談、問卷調(diào)查以及組織專家研討會等方式，收集他們在實際航海中遇到的各種避碰情況和應對策略。例如，專家們在處理復雜的多船會遇局面時，往往會根據(jù)船舶的類型、速度、相對位置以及周圍環(huán)境等因素，綜合運用轉向、變速等多種避碰手段，這些經(jīng)驗對于知識庫的充實和完善具有重要價值。同時，邀請專家對知識庫中的知識進行審核和驗證，確保知識的準確性和實用性。案例分析是從實際發(fā)生的船舶碰撞事故案例和成功避碰案例中獲取知識的有效方法。收集大量的船舶碰撞事故案例，對事故發(fā)生的原因、過程和結果進行詳細分析，找出導致碰撞的關鍵因素和潛在風險點，如駕駛員的疏忽、違規(guī)操作、設備故障等。通過對這些案例的深入研究，總結出相應的預防措施和避碰策略，并將其轉化為知識庫中的知識。例如，某起碰撞事故是由于駕駛員在夜間視線不良的情況下，未能及時發(fā)現(xiàn)來船并采取有效的避碰措施，通過對該案例的分析，可以將在夜間航行時應加強瞭望、合理使用助航設備等知識納入知識庫。分析成功避碰案例，總結其中的成功經(jīng)驗和技巧，如準確的碰撞風險評估、及時的避碰行動等，也能為知識庫提供有益的補充。通過文獻研究、專家經(jīng)驗和案例分析等多種途徑的綜合運用，能夠全面、系統(tǒng)地獲取船舶避碰知識，為構建高質(zhì)量的知識庫奠定堅實的基礎。3.2.2知識分類與表示為了便于知識的管理和運用，需要對獲取到的船舶避碰知識進行合理分類，并采用合適的知識表示方法進行表示。根據(jù)知識的性質(zhì)和用途，將船舶避碰知識主要分為規(guī)則性知識、經(jīng)驗性知識和案例性知識等類別。規(guī)則性知識主要來源于《國際海上避碰規(guī)則》以及相關的法律法規(guī)，它具有明確的邏輯性和規(guī)范性，是船舶避碰的基本準則。例如，“在對遇局面下，兩船應各自向右轉向，從而使兩船能夠在安全的情況下通過”就是一條典型的規(guī)則性知識。經(jīng)驗性知識是航海專家在長期的航海實踐中積累的寶貴經(jīng)驗，它具有較強的實用性和靈活性，但往往缺乏嚴格的邏輯性。比如，專家根據(jù)自己的經(jīng)驗認為，在狹窄水道中，船舶應盡量靠右側航行，以避免與對向船舶發(fā)生碰撞，這就是一條經(jīng)驗性知識。案例性知識是從實際發(fā)生的船舶碰撞事故案例和成功避碰案例中提取出來的知識，它以具體的案例為載體，包含了豐富的情境信息和解決問題的方法。例如，某成功避碰案例中，船舶在遇到緊急情況時，通過迅速減速和大幅度轉向，成功避免了與他船的碰撞，這個案例就可以作為案例性知識存儲在知識庫中。針對不同類型的知識，采用相應的知識表示方法。對于規(guī)則性知識，由于其具有明確的條件和結論，適合采用產(chǎn)生式規(guī)則進行表示。產(chǎn)生式規(guī)則以“如果……那么……”的形式表達知識，例如：“如果本船與他船處于交叉相遇局面且本船位于他船右舷，那么本船應為讓路船，應及早采取大幅度的行動，寬裕地讓清他船”。這種表示方法簡單直觀，易于理解和實現(xiàn)，便于推理機進行推理和決策。經(jīng)驗性知識通常采用框架式表示方法?？蚣苁奖硎痉椒▽⒅R組織成框架的形式，每個框架描述一個特定的對象或概念，框架中包含了描述該對象或概念的各種屬性和屬性值。例如，對于船舶在狹窄水道航行的經(jīng)驗性知識，可以用一個框架來表示，框架中包含狹窄水道的名稱、寬度、水深、水流情況、船舶在該水道航行時的推薦航速、航向以及注意事項等屬性。通過這種方式，可以將相關的經(jīng)驗性知識組織在一起，便于知識的管理和查詢。案例性知識則采用案例表示法。案例表示法將一個案例看作一個整體，包括案例的背景信息、問題描述、解決方案以及結果等內(nèi)容。例如，對于一個船舶碰撞事故案例，其案例表示可以包括事故發(fā)生的時間、地點、參與船舶的信息、事故發(fā)生的經(jīng)過、導致事故的原因、采取的應急措施以及事故的最終結果等。在使用案例性知識時，通過檢索和匹配相似的案例，借鑒其中的解決方案來解決當前的問題。通過合理的知識分類和合適的知識表示方法，能夠有效地組織和管理船舶避碰知識，提高知識庫的質(zhì)量和使用效率，為船舶避碰專家系統(tǒng)的推理和決策提供有力支持。3.2.3知識庫管理與維護知識庫的管理與維護是確保船舶避碰專家系統(tǒng)性能穩(wěn)定和知識更新的重要保障，主要包括知識庫的更新、查詢、一致性檢查等方面。知識庫的更新是保持其時效性和準確性的關鍵。隨著航海技術的不斷發(fā)展、避碰規(guī)則的修訂以及新的航海經(jīng)驗和案例的出現(xiàn)，知識庫中的知識需要及時進行更新。通過定期收集和分析最新的航海資料、專家意見以及實際案例，發(fā)現(xiàn)知識庫中需要更新的知識內(nèi)容。當國際海上避碰規(guī)則發(fā)生修訂時，及時將新的規(guī)則條款添加到知識庫中，并對相關的規(guī)則性知識進行調(diào)整和完善。對于新出現(xiàn)的航海技術和設備，如新型的船舶操縱系統(tǒng)、先進的避碰傳感器等，將其相關知識納入知識庫，以便系統(tǒng)在進行避碰決策時能夠充分考慮這些因素。同時，根據(jù)新的航海經(jīng)驗和案例，對知識庫中的經(jīng)驗性知識和案例性知識進行補充和更新，使知識庫能夠反映最新的航海實踐情況。知識庫的查詢功能是實現(xiàn)知識快速檢索和應用的重要手段。為了提高查詢效率，采用高效的數(shù)據(jù)結構和查詢算法。對于采用產(chǎn)生式規(guī)則表示的規(guī)則性知識，可以建立索引表，根據(jù)規(guī)則的條件部分或結論部分建立索引，以便快速定位和檢索相關規(guī)則。在查詢時，用戶可以根據(jù)特定的條件，如會遇局面、船舶狀態(tài)等，在知識庫中搜索匹配的知識。例如，當船舶處于交叉相遇局面時，通過查詢知識庫，可以快速獲取關于交叉相遇局面下的避碰規(guī)則和策略。對于框架式表示的經(jīng)驗性知識和案例表示法表示的案例性知識，可以采用基于屬性匹配或案例相似度計算的查詢方法，根據(jù)用戶輸入的相關屬性或問題描述，檢索出與之匹配的框架或案例。一致性檢查是確保知識庫中知識正確性和完整性的重要措施。由于知識庫中的知識來源廣泛，可能存在知識之間的矛盾、冗余或不完整等問題，因此需要定期進行一致性檢查。通過制定一致性檢查規(guī)則和算法，對知識庫中的知識進行全面檢查。檢查規(guī)則性知識之間是否存在沖突，例如兩條規(guī)則的條件相同但結論不同，或者規(guī)則之間存在邏輯矛盾等。對于經(jīng)驗性知識和案例性知識，檢查其屬性值是否合理、案例的描述是否完整等。當發(fā)現(xiàn)知識庫中存在不一致的知識時，及時進行修正和調(diào)整。可以通過人工審核的方式，由航海專家對不一致的知識進行判斷和處理，也可以采用自動推理和驗證的方法，利用推理機對知識進行推理和驗證，發(fā)現(xiàn)并解決不一致問題。通過有效的知識庫管理與維護，能夠保證知識庫中知識的準確性、時效性和一致性，為船舶避碰專家系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和準確決策提供可靠的知識支持。3.3推理機設計3.3.1推理策略選擇推理策略的選擇對于基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)至關重要，它直接影響著系統(tǒng)的推理效率和決策準確性。在本系統(tǒng)中，綜合考慮船舶避碰的實際需求和特點，選擇了正向推理、反向推理以及混合推理策略。正向推理是從已知事實出發(fā)，按照一定的推理規(guī)則，逐步推出結論的過程。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，正向推理具有很強的實用性。當系統(tǒng)獲取到船舶的實時狀態(tài)信息，如通過AIS設備獲取到本船和周圍船舶的位置、航向、航速等信息后，將這些信息作為已知事實存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中。推理機從知識庫中搜索與這些事實匹配的產(chǎn)生式規(guī)則，當找到匹配的規(guī)則時，根據(jù)規(guī)則的結論進行推理，并將推理結果存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中。假設系統(tǒng)檢測到本船與他船處于交叉相遇局面，且本船位于他船右舷，根據(jù)“交叉相遇局面中，有他船在本船右舷的船舶應為讓路船”這一規(guī)則，推理機得出本船應為讓路船的結論，然后根據(jù)其他相關規(guī)則和信息，進一步推理出本船應采取的具體避碰行動，如轉向或變速。正向推理的優(yōu)點是推理過程簡單明了，容易實現(xiàn)，能夠根據(jù)實時獲取的信息及時做出決策，適用于船舶避碰中需要快速響應的場景。反向推理是從目標出發(fā)，反向?qū)ふ抑С帜繕说淖C據(jù)和規(guī)則的過程。在船舶避碰專家系統(tǒng)中，反向推理也有著重要的應用。當系統(tǒng)需要確定本船應采取的避碰行動時，以“本船應采取的避碰行動”為目標，從知識庫中搜索能夠推出該目標的產(chǎn)生式規(guī)則。找到規(guī)則后，檢查規(guī)則的前提條件是否滿足。如果前提條件滿足，則目標成立；如果前提條件不滿足，則將前提條件作為子目標，繼續(xù)在知識庫中搜索能夠推出子目標的規(guī)則。反向推理能夠有針對性地尋找支持目標的證據(jù)和規(guī)則，避免了不必要的推理步驟，提高了推理效率。在一些復雜的避碰場景中，當需要驗證某個特定的避碰方案是否可行時，反向推理可以幫助系統(tǒng)快速確定該方案是否有足夠的證據(jù)和規(guī)則支持。混合推理策略則結合了正向推理和反向推理的優(yōu)點，在船舶避碰專家系統(tǒng)中，根據(jù)具體的問題和情況，靈活地選擇正向推理或反向推理，或者兩者結合使用。在實際應用中，當系統(tǒng)獲取到船舶的初始信息后，可以先采用正向推理，快速得出一些初步的結論和建議。然后，根據(jù)這些初步結論，設定一些目標，再采用反向推理，對這些目標進行驗證和優(yōu)化，以確保得出的避碰決策更加準確和合理。在多船會遇的復雜情況下，系統(tǒng)可以先通過正向推理，對各船的會遇態(tài)勢進行初步分析，確定可能存在碰撞危險的船舶對。然后，針對這些船舶對，采用反向推理，詳細分析各種避碰方案的可行性，從而制定出最佳的避碰策略。通過合理選擇和運用正向推理、反向推理以及混合推理策略，基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)能夠在不同的情況下，高效、準確地進行推理和決策，為船舶的安全航行提供有力的支持。3.3.2推理算法實現(xiàn)在基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)中，推理算法的實現(xiàn)是確保系統(tǒng)能夠準確、高效地進行推理和決策的關鍵。本系統(tǒng)采用了深度優(yōu)先搜索算法（DFS）與沖突消解策略相結合的方式來實現(xiàn)推理過程。深度優(yōu)先搜索算法是一種用于遍歷或搜索樹或圖的算法。在本系統(tǒng)中，知識庫中的知識以樹形結構組織，每個節(jié)點代表一條規(guī)則或事實，邊表示規(guī)則之間的邏輯關系。當系統(tǒng)接收到船舶的實時信息后，推理機從初始狀態(tài)開始，將這些信息與知識庫中的規(guī)則進行匹配。以正向推理為例，假設系統(tǒng)獲取到本船與他船處于對遇局面的信息，推理機從知識庫的根節(jié)點開始，沿著與對遇局面相關的規(guī)則分支進行搜索。在搜索過程中，推理機將當前匹配的規(guī)則的結論作為新的事實，繼續(xù)與知識庫中的其他規(guī)則進行匹配，直到找到最終的避碰決策。這種搜索方式能夠深入地探索知識庫，充分利用其中的知識，確保推理的全面性。在推理過程中，不可避免地會出現(xiàn)沖突情況，即多條規(guī)則都與當前事實匹配，這就需要采用沖突消解策略來解決。在本系統(tǒng)中，主要采用了以下幾種沖突消解策略：規(guī)則優(yōu)先級策略：為知識庫中的每條規(guī)則分配一個優(yōu)先級，當多條規(guī)則沖突時，優(yōu)先選擇優(yōu)先級高的規(guī)則。例如，對于涉及到緊急避碰情況的規(guī)則，賦予其較高的優(yōu)先級，確保在緊急情況下能夠優(yōu)先執(zhí)行這些規(guī)則，以保障船舶的安全。最新事實優(yōu)先策略：優(yōu)先選擇與最新獲取的事實相關的規(guī)則。在船舶航行過程中，實時信息不斷更新，采用最新事實優(yōu)先策略可以使系統(tǒng)更加關注當前的實際情況，及時做出合理的決策。例如，當系統(tǒng)同時獲取到本船的新位置信息和他船的新航向信息時，優(yōu)先選擇與這些最新信息相關的規(guī)則進行推理，以更好地應對船舶的動態(tài)變化。特殊情況優(yōu)先策略：對于一些特殊的避碰情況，如船舶在狹窄水道、港口附近等特殊區(qū)域航行時，優(yōu)先選擇針對這些特殊情況制定的規(guī)則。這些特殊規(guī)則考慮了特殊區(qū)域的環(huán)境特點和航行要求，能夠更好地指導船舶在這些區(qū)域的避碰操作。在實際應用中，這些沖突消解策略并不是孤立使用的，而是根據(jù)具體情況綜合運用。通過合理運用深度優(yōu)先搜索算法和沖突消解策略，系統(tǒng)能夠有效地解決推理過程中的沖突問題，提高推理的準確性和效率，為船舶避碰提供可靠的決策支持。四、基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)關鍵技術4.1AIS數(shù)據(jù)處理與融合4.1.1AIS數(shù)據(jù)預處理在船舶航行過程中，AIS系統(tǒng)實時采集并傳輸大量的船舶相關數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是船舶避碰專家系統(tǒng)進行決策的重要依據(jù)。然而，由于受到復雜的海上環(huán)境、通信干擾以及設備故障等多種因素的影響，AIS數(shù)據(jù)往往存在噪聲、缺失值等問題，這會嚴重影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性，進而降低船舶避碰專家系統(tǒng)的性能和決策準確性。因此，對AIS數(shù)據(jù)進行預處理是確保系統(tǒng)有效運行的關鍵步驟。去噪是AIS數(shù)據(jù)預處理的重要環(huán)節(jié)之一。在海上通信環(huán)境中，AIS數(shù)據(jù)可能受到各種噪聲的干擾，如電磁干擾、多徑效應等，這些噪聲會導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或偏差。為了去除噪聲，通常采用濾波算法對數(shù)據(jù)進行處理。中值濾波算法是一種常用的去噪方法，它通過對數(shù)據(jù)序列中的每個點，取其鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)的中值來代替該點的值，從而有效地抑制噪聲的影響。對于船舶的位置數(shù)據(jù)，如果受到噪聲干擾出現(xiàn)異常波動，使用中值濾波可以使數(shù)據(jù)更加平滑，更準確地反映船舶的實際位置。均值濾波也是一種常見的方法，它通過計算鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值來代替原始數(shù)據(jù)，能夠在一定程度上消除噪聲的影響，使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。填補缺失值是AIS數(shù)據(jù)預處理的另一個重要任務。在AIS數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于信號遮擋、設備故障等原因，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況。缺失的數(shù)據(jù)會影響對船舶狀態(tài)的準確判斷，因此需要進行填補。常用的填補方法有插值法，如線性插值、拉格朗日插值等。線性插值是根據(jù)相鄰兩個已知數(shù)據(jù)點，通過線性關系來估計缺失值。假設在某一時間段內(nèi)，船舶的AIS數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了某一時刻的航速缺失，而其前一時刻的航速為15節(jié)，后一時刻的航速為16節(jié)，通過線性插值可以估算出該缺失時刻的航速為15.5節(jié)。拉格朗日插值則是利用多個已知數(shù)據(jù)點，通過構建多項式函數(shù)來計算缺失值，它能夠更準確地擬合數(shù)據(jù)的變化趨勢，對于一些變化較為復雜的數(shù)據(jù)序列，拉格朗日插值能夠取得較好的填補效果。除了去噪和填補缺失值，還需要對AIS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗和格式轉換等預處理操作。數(shù)據(jù)清洗包括去除重復數(shù)據(jù)、糾正錯誤數(shù)據(jù)等，以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。格式轉換則是將AIS數(shù)據(jù)轉換為適合系統(tǒng)處理的格式，便于后續(xù)的分析和應用。通過對AIS數(shù)據(jù)進行全面、有效的預處理，可以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，為船舶避碰專家系統(tǒng)的準確決策提供有力支持。4.1.2多源數(shù)據(jù)融合技術在船舶避碰領域，為了更全面、準確地了解船舶的航行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，僅依靠AIS數(shù)據(jù)是不夠的，還需要融合雷達、GPS等其他傳感器數(shù)據(jù)。多源數(shù)據(jù)融合技術能夠?qū)⒉煌瑐鞲衅鳙@取的數(shù)據(jù)進行綜合處理，充分發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，提高船舶避碰決策的準確性和可靠性。AIS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)的融合具有重要意義。雷達是船舶導航和避碰的傳統(tǒng)重要設備，它通過發(fā)射電磁波并接收反射波來檢測目標船舶的位置、距離和方位等信息。然而，雷達也存在一些局限性，如在惡劣天氣條件下，如強降雨、大霧等，其探測性能會受到較大影響，容易出現(xiàn)目標丟失或誤判的情況。而AIS數(shù)據(jù)則具有不受天氣影響、能夠提供船舶的詳細身份和動態(tài)信息等優(yōu)勢。將AIS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)進行融合，可以相互補充，提高對目標船舶的監(jiān)測和識別能力。在數(shù)據(jù)融合過程中，可以采用數(shù)據(jù)層融合、特征層融合或決策層融合等方法。數(shù)據(jù)層融合是直接對原始的AIS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)進行融合處理，如將AIS提供的船舶位置信息與雷達測量的目標位置信息進行匹配和整合，以提高位置信息的準確性。特征層融合則是先從AIS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)中提取特征，然后將這些特征進行融合，通過對AIS數(shù)據(jù)中提取的船舶類型、航向等特征與雷達數(shù)據(jù)中提取的目標形狀、運動特征等進行融合分析，更準確地判斷目標船舶的狀態(tài)。決策層融合是分別根據(jù)AIS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)做出決策，然后將這些決策進行融合，在判斷船舶是否存在碰撞危險時，可以分別根據(jù)AIS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)計算出碰撞風險程度，然后綜合兩者的結果，得出更可靠的碰撞風險評估結論。AIS數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的融合也十分關鍵。GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱，它能夠為船舶提供高精度的位置信息。AIS系統(tǒng)中的位置信息雖然也來源于GPS，但AIS數(shù)據(jù)還包含了船舶的其他重要信息，如船名、呼號、船舶類型等。將AIS數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)進行融合，可以進一步提高船舶位置信息的準確性和完整性。在實際應用中，可以利用GPS數(shù)據(jù)對AIS數(shù)據(jù)中的位置信息進行校準和驗證，確保AIS數(shù)據(jù)的可靠性。當AIS設備出現(xiàn)故障導致位置信息異常時，通過與GPS數(shù)據(jù)進行對比和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤的位置信息。可以利用AIS數(shù)據(jù)中的其他信息，如船舶的航向、航速等，結合GPS數(shù)據(jù)，對船舶的運動軌跡進行更準確的預測和分析，為船舶避碰提供更有力的支持。通過多源數(shù)據(jù)融合技術，將AIS數(shù)據(jù)與雷達、GPS等其他傳感器數(shù)據(jù)進行有效融合，可以充分發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，提高船舶避碰專家系統(tǒng)對船舶航行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息的感知能力，為船舶避碰決策提供更全面、準確的數(shù)據(jù)支持，從而有效降低船舶碰撞事故的發(fā)生率，保障船舶的航行安全。4.2碰撞危險評估模型4.2.1危險評估指標選取在船舶避碰過程中，準確評估碰撞危險程度是制定有效避碰策略的關鍵。為此，本研究選取了多個具有代表性的危險評估指標，包括最近會遇距離（DCPA）、到達最近會遇距離的時間（TCPA）、相對速度等。最近會遇距離（DCPA）是衡量兩船在未來一段時間內(nèi)可能接近的最小距離，它直接反映了兩船之間潛在的碰撞風險。當DCPA為0時，表示兩船的航跡將直接相交，存在極高的碰撞可能性；而當DCPA大于一定的安全閾值時，說明兩船在航行過程中不會發(fā)生碰撞。在實際航行中，不同類型的船舶和不同的航行環(huán)境，其安全DCPA閾值也會有所不同。一般來說，在開闊水域，大型船舶的安全DCPA閾值可能設定為1海里以上，而在狹窄水道或港口附近，由于船舶操縱空間受限，安全DCPA閾值可能需要設定得更大。到達最近會遇距離的時間（TCPA）則表示兩船達到最近會遇距離所需的時間，它反映了碰撞危險的緊迫程度。TCPA越小，說明兩船接近的速度越快，碰撞危險越緊迫，留給駕駛員采取避碰措施的時間也就越短。例如，當TCPA小于5分鐘時，船舶駕駛員需要立即采取緊急避碰措施，以避免碰撞事故的發(fā)生；而當TCPA大于30分鐘時，駕駛員有相對充裕的時間來制定和實施避碰策略。相對速度是兩船之間速度的矢量差，它對船舶的碰撞危險評估也具有重要影響。相對速度越大，兩船在單位時間內(nèi)的相對位移就越大，碰撞風險也就相應增加。在對遇局面下，兩船的相對速度等于兩船速度之和，此時碰撞風險較高；而在追越局面下，兩船的相對速度相對較小，碰撞風險相對較低。除了上述指標外，還考慮了船舶的航向、航速等因素對碰撞危險評估的影響。船舶的航向決定了其航行方向，當兩船的航向存在交叉時，就可能構成碰撞危險。航速則影響著船舶的運動狀態(tài)和避碰能力，高速行駛的船舶在遇到緊急情況時，由于慣性較大，制動和轉向所需的時間和距離也會更長，因此碰撞風險相對較高。通過綜合考慮這些危險評估指標，可以更全面、準確地評估船舶之間的碰撞危險程度，為船舶避碰專家系統(tǒng)的決策提供可靠的依據(jù)。4.2.2評估模型構建與驗證為了準確評估船舶之間的碰撞危險程度，本研究構建了基于多指標融合的船舶碰撞危險評估模型。該模型綜合考慮了最近會遇距離（DCPA）、到達最近會遇距離的時間（TCPA）、相對速度等多個關鍵指標，運用層次分析法（AHP）確定各指標的權重，通過模糊綜合評價法對船舶的碰撞危險程度進行量化評估。在運用層次分析法確定指標權重時，首先建立了層次結構模型，將船舶碰撞危險評估問題分為目標層、準則層和指標層。目標層為船舶碰撞危險程度評估，準則層包括DCPA、TCPA、相對速度等評估指標，指標層則為各指標的具體取值。通過對各指標之間的相對重要性進行兩兩比較，構建判斷矩陣。假設對于DCPA、TCPA、相對速度這三個指標，通過專家判斷和分析，認為DCPA相對TCPA和相對速度更為重要，TCPA相對相對速度也更為重要，從而構建出判斷矩陣。然后，利用特征根法等方法計算判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量，對特征向量進行歸一化處理，得到各指標的權重。在運用模糊綜合評價法進行碰撞危險評估時，首先確定了評價因素集，即前面選取的DCPA、TCPA、相對速度等指標。然后，根據(jù)實際情況確定了評價等級集，將船舶碰撞危險程度劃分為低、較低、中等、較高、高五個等級。接下來，建立模糊關系矩陣，通過對各指標在不同評價等級下的隸屬度進行分析和計算，確定每個指標與各個評價等級之間的模糊關系。例如，對于DCPA指標，當DCPA大于某個安全閾值時，其隸屬于低危險等級的隸屬度可能為0.8，隸屬于較低危險等級的隸屬度可能為0.2，而隸屬于其他等級的隸屬度為0。通過對所有指標進行類似的分析，得到模糊關系矩陣。最后，將各指標的權重與模糊關系矩陣進行合成運算，得到船舶碰撞危險程度的綜合評價結果。為了驗證評估模型的準確性和可靠性，收集了大量實際的船舶航行數(shù)據(jù)和碰撞事故案例，對模型進行了實證分析。在實際案例驗證中，選取了不同類型的船舶在不同航行環(huán)境下的會遇情況。某集裝箱船與一艘散貨船在某海峽的會遇案例，利用模型對該案例進行碰撞危險評估。首先，根據(jù)AIS數(shù)據(jù)獲取兩船的位置、航向、航速等信息，計算出DCPA、TCPA、相對速度等指標的值。然后，運用層次分析法確定各指標的權重，再通過模糊綜合評價法計算出該會遇情況下船舶的碰撞危險程度為較高等級。通過與實際情況進行對比，發(fā)現(xiàn)模型的評估結果與實際情況相符，該會遇局面確實存在較高的碰撞風險，驗證了模型在實際應用中的有效性。通過多次實際案例驗證，結果表明該評估模型能夠準確地評估船舶之間的碰撞危險程度，為船舶避碰專家系統(tǒng)提供了可靠的決策依據(jù)，有效提高了船舶避碰決策的科學性和準確性。四、基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)關鍵技術4.3避碰決策生成與優(yōu)化4.3.1決策生成方法根據(jù)推理結果和危險評估生成避碰決策是基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)的核心功能之一。在這一過程中，系統(tǒng)緊密結合推理機的推理結果以及碰撞危險評估模型的評估結果，從而生成科學合理的避碰決策。當推理機根據(jù)知識庫中的規(guī)則和船舶的實時信息進行推理后，會得出一系列關于船舶避碰的初步結論。推理機可能判斷出本船與他船處于交叉相遇局面，且本船為讓路船。此時，碰撞危險評估模型會提供兩船之間的最近會遇距離（DCPA）、到達最近會遇距離的時間（TCPA）以及相對速度等關鍵評估指標。系統(tǒng)會綜合這些信息，在知識庫中搜索與之匹配的避碰策略和規(guī)則。如果DCPA小于安全閾值且TCPA較短，表明碰撞危險較為緊迫，系統(tǒng)可能會根據(jù)知識庫中的規(guī)則，生成立即采取大幅度轉向避讓的決策。具體來說，系統(tǒng)會根據(jù)船舶的類型、操縱性能以及周圍的航行環(huán)境等因素，計算出合適的轉向角度和轉向時機。對于一艘大型集裝箱船，在開闊水域中，當與他船的DCPA小于0.5海里且TCPA小于10分鐘時，系統(tǒng)可能會建議本船立即向右轉向30°，以盡快避開他船，確保航行安全。如果碰撞危險程度相對較低，系統(tǒng)可能會選擇較為緩和的避碰措施，如適當減速或小幅度轉向。當DCPA大于安全閾值但相對速度較大時，系統(tǒng)可能會建議本船適當減速，以降低兩船的相對速度，增加避碰的時間和空間。例如，當本船與他船的DCPA為1海里，但相對速度達到20節(jié)時，系統(tǒng)可能會建議本船將航速降低5節(jié)，以減小碰撞風險。系統(tǒng)還會考慮船舶的航行計劃和目的港等因素，在生成避碰決策時盡量減少對船舶正常航行的影響。如果避碰決策會導致船舶大幅偏離原定航線，系統(tǒng)會在保證安全的前提下，嘗試尋找更加優(yōu)化的避碰方案，如在轉向避讓時選擇合適的轉向角度，使得船舶在避開危險后能夠盡快恢復到原定航線附近。通過綜合考慮推理結果和危險評估指標，基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)能夠生成針對性強、切實可行的避碰決策，為船舶的安全航行提供有力保障。4.3.2決策優(yōu)化策略在生成避碰決策后，為了確保決策的科學性和有效性，需要考慮船舶操縱性能、航行環(huán)境等多種因素對決策進行優(yōu)化。船舶操縱性能是影響避碰決策的重要因素之一。不同類型的船舶具有不同的操縱性能，如大型油輪由于其體積大、慣性大，在轉向和變速時需要更大的時間和空間；而小型船舶則相對較為靈活，操縱性較好。在優(yōu)化避碰決策時，需要充分考慮船舶的這些操縱特性。對于大型油輪，在制定轉向避讓決策時，應適當增大轉向的提前量和轉向幅度，以確保船舶能夠及時、穩(wěn)定地完成轉向動作，避免因轉向不足或過度而導致碰撞危險加劇。在制定變速決策時，要考慮到大型油輪的加速和減速過程較為緩慢，應提前規(guī)劃好變速的時機和幅度，避免因變速不及時而無法有效避碰。航行環(huán)境因素也對避碰決策的優(yōu)化起著關鍵作用。在狹窄水道中，船舶的操縱空間受限，周圍可能存在淺灘、礁石等礙航物，此時避碰決策應更加謹慎。在狹窄水道中遇到他船時，應盡量避免大幅度轉向，以免船舶觸碰岸邊或其他礙航物?？梢赃x擇適當減速，與他船保持安全距離，緩慢通過。在惡劣天氣條件下，如強風、暴雨、大霧等，船舶的視線受阻，操縱難度增加，避碰決策也需要相應調(diào)整。在大霧天氣中，由于能見度極低，應適當降低航速，加強瞭望，同時利用雷達、AIS等設備密切關注周圍船舶的動態(tài)。在制定避碰決策時，要充分考慮到惡劣天氣對船舶操縱性能的影響，如強風可能導致船舶偏離預定航線，此時應根據(jù)風向和風力的大小，合理調(diào)整轉向角度和航速，以確保船舶能夠按照預定的避碰方案行駛?？紤]其他船舶的動態(tài)和意圖也是決策優(yōu)化的重要方面。在多船會遇的情況下，不僅要關注與本船存在直接碰撞危險的船舶，還要考慮其他船舶的行動對本船避碰決策的影響。如果一艘船舶在避讓他船時，其行動可能會對周圍其他船舶產(chǎn)生連鎖反應，導致新的碰撞危險。因此，在制定避碰決策時，要綜合考慮多船之間的相互關系，預測其他船舶的可能行動，選擇最優(yōu)的避碰方案，以避免引發(fā)新的危險。通過綜合考慮船舶操縱性能、航行環(huán)境以及其他船舶的動態(tài)和意圖等因素，對避碰決策進行優(yōu)化，可以提高避碰決策的科學性和有效性，降低船舶碰撞事故的發(fā)生率，保障船舶的安全航行。五、案例分析與系統(tǒng)驗證5.1實際船舶避碰案例選取為了全面、準確地驗證基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)的性能和有效性，本研究精心選取了多個具有代表性的實際船舶避碰案例。這些案例涵蓋了不同的會遇局面和復雜的環(huán)境條件，能夠充分檢驗系統(tǒng)在各種情況下的決策能力和適應性。選取了一個對遇局面的案例。在某開闊海域，兩艘大型集裝箱船A和B以相反航向高速行駛。當時天氣晴朗，能見度良好，海況較為平靜。船舶A的航速為20節(jié)，航向為0°，船舶B的航速為22節(jié)，航向為180°。當兩船相距10海里時，AIS系統(tǒng)開始實時監(jiān)測兩船的動態(tài)信息，并將這些信息傳輸給船舶避碰專家系統(tǒng)。在對遇局面下，兩船的相對速度較大，碰撞風險極高，需要迅速做出正確的避碰決策。一個交叉相遇局面的案例也被納入研究。在某繁忙的海峽，一艘油輪C與一艘散貨船D交叉相遇。該海峽內(nèi)船舶交通流量較大，存在多個分道通航區(qū)域，且水流較為復雜。油輪C的航速為15節(jié)，航向為45°，散貨船D的航速為12節(jié)，航向為135°。當兩船相距8海里時，AIS系統(tǒng)將相關信息傳遞給船舶避碰專家系統(tǒng)。在交叉相遇局面中，準確判斷讓路船和直航船，并采取合理的避碰行動至關重要。追越局面的案例也被選取。在一條狹窄的航道上，一艘小型快艇E從一艘大型貨船F(xiàn)的正橫后大于22.5°的方向追趕上來。該航道狹窄且彎曲，兩側存在淺灘，對船舶的操縱空間限制較大?？焱的航速為30節(jié)，貨船F(xiàn)的航速為10節(jié)。當快艇E與貨船F(xiàn)相距3海里時，AIS系統(tǒng)將信息傳輸給船舶避碰專家系統(tǒng)。在追越局面下，追越船需要謹慎操作，確保在安全的情況下完成追越。除了不同的會遇局面，還選取了一些在惡劣天氣條件下的船舶避碰案例。在某海域，一艘集裝箱船G在航行過程中遭遇了強風暴雨天氣，能見度極低，海浪較大。此時，另一艘漁船H在附近作業(yè)，兩船的AIS信息被船舶避碰專家系統(tǒng)獲取。在惡劣天氣條件下，船舶的操縱性能受到影響，駕駛員的視線受阻，對避碰決策的準確性和及時性提出了更高的要求。通過選取這些不同場景下的船舶避碰案例，能夠全面地檢驗基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)在不同會遇局面和環(huán)境條件下的性能，為系統(tǒng)的優(yōu)化和完善提供有力的依據(jù)。5.2基于專家系統(tǒng)的避碰過程模擬在完成實際船舶避碰案例的選取后，將這些案例數(shù)據(jù)逐一輸入基于AIS的船舶避碰專家系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的避碰決策過程。以對遇局面的案例為例，當系統(tǒng)接收到兩艘集裝箱船A和B的AIS數(shù)據(jù)后，信息采集模塊迅速對數(shù)據(jù)進行處理和整理，并將船舶的位置、航向、航速等信息發(fā)送給推理決策模塊和知識庫管理模塊。推理決策模塊首先根據(jù)這些信息，運用碰撞風險評估算法計算出兩船的最近會遇距離（DCPA）和到達最近會遇距離的時間（TCPA）。經(jīng)過計算，發(fā)現(xiàn)兩船的DCPA趨近于0，TCPA也非常短，表明碰撞風險極高。此時，推理決策模塊在知識庫中搜索與對遇局面相關的避碰規(guī)則。根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》中關于對遇局面的規(guī)定，知識庫中存儲著“在對遇局面下，兩船應各自向右轉向，從而使兩船能夠在安全的情況下通過”的規(guī)則。推理決策模塊依據(jù)此規(guī)則，結合兩船的實際情況，生成避碰決策建議：船舶A應立即向右轉向30°