论文摘要
船舶自动避碰决策研究是国内外航海学术界关注的前沿课题之一。从上个世纪50年代以来,国内外许多学者从定量分析到定性分析再到定量与定性相结合,从专家系统到神经网络、遗传算法、模糊推理等多个方面对船舶自动避碰进行了深入的研究,建立了一些船舶避碰智能决策系统。但是,这些系统大多在求解避碰方案过程中缺乏信息交换,无法模拟船舶驾驶员的协商避碰能力,有时会给出相互冲突或不经济的整体避碰方案。因此,有必要开发一种分布式的自动避碰决策系统,使每艘船舶所做出的避让操作从整体上是协调的和较优的。Multi-agent系统是对分布式人工智能的一个发展和应用,它是指一些自主的Agent通过协作共同完成某些任务的计算系统。船舶的避碰行为特性和组织特性与Multi-agent系统的特性是基本一致的。因此,本论文以船舶避碰决策问题为研究对象,在总结已有工作的特点及其存在问题的基础上,引入Multi-agent系统的技术和理论,在船舶的Agent描述、船舶Agent的信念更新模型、船舶Agent的承诺心理模型、船舶Agent的避碰决策算法和船舶自动避碰仿真平台构建等方面开展了具有创新性的工作,构建了一个基于Multi-agent理论模型的多船舶Agent避碰决策支持系统（Decision-makingSupport System for Multi-ship-agent Anti-Collision,简称DSMAC）,从而以一种新的方式方法来对船舶避碰问题进行研究,形成了一个可以用于开展自动避碰研究的船舶Agent平台。主要研究内容和成果如下:（1）船舶的Agent描述与多船舶Agent系统构建。提出了基于Multi-agent技术和理论构建多船舶Agent避碰决策支持系统（DSMAC）的思路,对船舶进行了Agent描述,设计了船舶Agent的体系结构,提出了基于VC++类框架的混合型船舶Agent模型。依据船舶避碰协作信息处理的特征,提出了一个基于BDI结构、利用AIS消息实现协作信息处理的通信模型,实现了船舶Agent间的信息交互,可以模拟船舶驾驶人员的协商避碰能力,解决了“船舶间相互了解操船意图”的难题,在此基础上建立了DSMAC系统的工作机制。（2）船舶Agent的避碰信息获取方法研究。船舶Agent的信念包括了本船信息、目标船信息和环境信息。在总结前人研究成果基础上,提出了动态目标避碰参数的推算模型、会遇形势的决策模型,使船舶Agent具备了推算和判断本船与目标船的相互作用信息的能力。电子海图显示与信息系统（ECDIS）可以为DSMAC系统提供有效、可靠的静态信息源,提出了采用“动态网格”方法对S-57标准的电子海图数据进行再组织,形成合理、有序的数据。当DSMAC系统运行时,船舶Agent可以动态加载和检索网格化后的部分数据文件,而不用遍历整幅海图的数据文件,大大提高了检索速度。（3）船舶Agent的碰撞危险评价模型研究。碰撞危险评价模型是船舶Agent的承诺心理之一,在动态目标的碰撞危险评价模型建模中,提出了分级建模的思路,对单目标船采用类模糊定性判断,对多目标船采用先定性后定量判断的方法确定重点避让船舶,并基于船舶的不同会遇态势,提出了一种比较实用、简单的最小安全会遇距离（MSDA）量化模型。在静态目标的碰撞危险评价模型建模中,提出了由矩形搜索区域与危险水深判定阈值构成的三维长方体船舶领域模型,并对该模型进行了详细建模。（4）船舶Agent的避碰决策算法研究。从避让动态船舶、避浅避礁和综合避碰三个方面,分别对船舶Agent的避碰决策算法展开了深入研究。以两船的相对距离值来表征船舶Agent实施避碰措施的时机,提出了船舶Agent会遇单目标船的决策生成算法,其中在对遇局面下是基于协商算法生成了避碰方案。在会遇多目标船情况下,利用Multi-agent的协商和协作性能,提出了由初始方案层、寻优层、协商层组成的分层避碰决策生成与优化算法。当船舶Agent周围的三维长方体水域内存在对本船航行构成危险的水上或水下碍航物时,提出了避浅避礁决策算法。既存在水上或水下静态碍航物,又存在动态危险目标的情况,是船舶自动避碰中最为复杂的局面,对存在一艘水上动态目标船的情况作了初步研究,提出了先遭遇到危险目标船和先遭遇到水上或水下静态碍航物两种情况下相应的分层综合避碰决策生成算法,该算法也是由初始方案层、寻优层、协商层组成。（5）自动避碰仿真平台的构建和实现。应用Multi-agent技术和理论以及多本船航海模拟器技术,采用Microsoft Visual C++开发平台,构建和开发了船舶自动避碰仿真平台（Vessel Automatic Collision Avoidance Simulation Platform,简称VACASP）,提出了基于TCP/IP协议的完成端口和基于UDP的广播端口相结合的通信网络架构,并在应用层提出了一种基于UDP广播和TCP/IP的仿真专用协议及相应的通信机制。VACASP平台为用户提供了自行设计和开发自动避碰决策算法的接口,用户可以根据自己的研究成果,采用面向对象技术,在Visual C++平台上实现相应的决策算法,然后将其编译为动态链接库,集成到VACASP平台中,就可以借助VACASP平台的功能实现避碰决策算法的仿真验证。最后,本文基于VACASP平台对DSMAC系统的所有推理模型和决策算法进行了大量的仿真验证。船舶自动避碰决策支持系统的研究及应用,将在船舶避碰决策和操作上逐步减少驾驶员的参与,进而从根本上解决人为因素问题对船舶航行安全的困扰,势必对保障船舶航行安全、避免发生碰撞、搁浅和触礁事故、减少生命和财产损失、保护海洋环境都具有重要的意义,是一项很有价值的应用基础研究课题。