基于規(guī)避知識庫的無人艇智能避障模型構建*

蔣寧寧 張 琪 向 敏

（1.海軍指揮自動化工作站 北京 100000）（2.海參信息通信局 北京 100000）（3.海裝信息系統(tǒng)局 北京 100000）

1 引言

由于海洋環(huán)境的復雜性，常規(guī)武器在應付高科技下的海洋戰(zhàn)爭有著極大的局限性，因此針對高科技下的海洋軍事開發(fā)各國都投入了巨大的人力、物力，其中水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）技術得到了快速發(fā)展［1～2］，與無人水下航行器、無人機、無人駕駛車輛等無人平臺相比，水面無人艇的應用和發(fā)展所受的關注較少，但它是唯一可同時建立水上、水面、水下連接的無人駕駛平臺。相較于傳統(tǒng)水面艦艇，水面無人艇有其突出的優(yōu)勢：功能齊全，多種使命兼容，具有更強的機動性能、體型輕便、操作靈活，受到各國的廣泛關注［3］。

危險規(guī)避技術是目前關于水面無人艇智能研究的重要方向之一［4］。水面無人艇在執(zhí)行任務的過程中，需要能夠高度智能化、自適應地躲避海面上的障礙物。水面無人艇局部危險規(guī)避能力的強弱能夠從一定程度上體現(xiàn)其智能化水平的高低。危險規(guī)避技術作為USV自動控制系統(tǒng)的核心部分，是水面無人艇眾多研究課題中的重要內(nèi)容之一，受到了各國專家和學者的廣泛關注［5～7］。

2 智能避障模型構建

2.1 智能避障模型框架

無人艇對障礙物的避碰規(guī)劃，即根據(jù)當前實際運動（位置、航速、航向等）及障礙物信息，按照避碰策略制定避讓障礙的操作，規(guī)劃出位置、航速、航向，實現(xiàn)障礙避讓。無人艇避碰規(guī)劃處理流程框圖，如圖1所示。

圖1 無人艇避碰規(guī)劃信息處理流程框圖

2.2 獲取外界環(huán)境信息

根據(jù)已建立的障礙物環(huán)境模型，獲取外界環(huán)境信息：USV和障礙物目標相關信息，具體處理過程參見圖1。將這些信息輸入智能決策模型，進行加工處理，與待構建的知識庫中的知識進行匹配識別，輸出USV在該環(huán)境下的最佳規(guī)避行為，實現(xiàn)危險規(guī)避。

2.3 構建智能知識庫

從國際海上避碰規(guī)則獲取的基本知識、研究成果、實戰(zhàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果獲取規(guī)避知識。明確會遇態(tài)勢，會遇的沖突情況具體分為追越、對遇和交叉相遇三種［8～9］。以此為基礎，構建USV行動規(guī)則庫，其結構如圖2所示。

圖2 USV規(guī)避規(guī)則庫知識結構

2.4 構建分類的危險規(guī)避知識庫體系結構

在USV自動避碰系統(tǒng)中，構建良好的知識庫體系，能夠縮小搜索空間、對推理機的快速推理有著重要的作用。因此需要根據(jù)不同種類的會遇，構建不同的專用知識庫，例如：用于處理緊急情況下和靜態(tài)障礙物的避碰知識庫［10］。選用分類的方法來構建專用知識庫的方案，這與專家、船員對無人艇碰撞危險的判別和采取的避障方案應保持一致，知識庫的體系結構如圖3所示。

2.5 明確規(guī)避知識庫的知識推理過程

依據(jù)USV危險規(guī)避的知識庫特點，規(guī)避規(guī)則的表現(xiàn)形式為“模式-動作”對，用“如果……那么……”產(chǎn)生規(guī)則［11～12］。知識推理即通過獲取到的周邊環(huán)境信息與知識庫中已有的知識進行匹配識別，輸出USV在該環(huán)境下最佳的規(guī)避行為［13］。輸入的外界信息包括：目標障礙物的航向、距離、方位、最短會遇距離、最近會遇時間、通航密度，船舶操作性能、當前環(huán)境能見度、風速、海流、浪高、雷達觀測到的信息等。然后依據(jù)外界信息和知識庫的初始知識，進行知識推理。

圖3 USV危險規(guī)避知識庫的體系結構

USV避碰是一個動態(tài)的過程，這要求知識庫能夠實時快速獲得目標動態(tài)。采取推理機與知識庫一體，選取啟發(fā)式搜索方式，將推理機放在決策者的位置，以此調(diào)節(jié)整個環(huán)節(jié)。通過確定知識庫的體系結構、知識的表示形式及規(guī)避規(guī)則并設計推理流程，最終完成智能決策系統(tǒng)中智能知識庫的構建，推理流程如圖4。

圖4 USV危險規(guī)避知識庫推理流程

3 危險規(guī)避知識庫中知識的提取

從國際海上避碰規(guī)則獲取的基本知識、研究成果、實戰(zhàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果中，提取規(guī)避知識庫中的相關知識，構建無人艇行動規(guī)則庫。分析影響無人艇安全航行的主要因素：能見度、通航密度、浪高、風速、海流環(huán)境和障礙物分布情況。

依據(jù)能見度劃分標準，將能見度劃分為5個等級，用于在海洋環(huán)境中約束無人艇航向的最高航速，其劃分如表1所示。

表1 能見度對應無人艇航速劃分

依據(jù)無人艇周圍環(huán)境情況和所在水域的密集程度，將周圍環(huán)境劃分成高密度、中密度以及低密度三種，對無人艇的運動劃分如表2所示。

表2 航行環(huán)境對無人艇的速度劃分

無人艇因為無法在巨浪以上的浪高進行運動，因此對浪級的劃分中，對無人艇的安全航速分為以下4個等級，如表3所示。

表3 不同風速下無人艇的速度劃分

表4 海流環(huán)境對無人艇的速度劃分

在河流或者海洋等不同的環(huán)境中，其對無人艇的安全航速要求不同，依據(jù)專家與船員的經(jīng)驗，得到不同海流環(huán)境下無人艇的速度劃分如表4所示。

無人艇在強風以上等級禁止運動，然后對風力劃分了5個等級，風速對無人艇的航行速度的劃分如表5所示。

表5 不同風速下無人艇的速度劃分

當無人艇探測到障礙物時，如果沒有進入危險規(guī)避的狀態(tài)，容易發(fā)生碰撞危險，因此需要限制無人艇的安全航速，以免碰撞沖突。以下障礙物數(shù)目對安全航速影響的劃分的如表6所示。

表6 不同障礙物分布情況下無人艇的速度劃分

危險規(guī)避規(guī)則劃分如表7所示。

表7 危險規(guī)避規(guī)則劃分

表中區(qū)域Z中，RS表示右對遇，RM表示右舷小角度交叉，RB表示右舷大角度交叉，BZ表示本船追越它船，TZ表示它船追越本船，LB表示左舷大角度交叉，LM表示左舷小角度交叉，LS表示左對遇。規(guī)避方式包含了15種操作方式，其中：KK表示保速保向，SK表示減速，KL表示左轉向，KR表示右轉向，KSL表示小角度左轉向，KSR表示小角度右轉向，KBL表示大角度左轉向，KBR表示大角度右轉向，SL表示減速左轉向，SR表示減速右轉向，SSL表示小角度減速左轉向，SSR表示小角度減速右轉向，SBL表示大角度減速左轉向，SBR表示大角度減速右轉向，STOP表示停船。這些避讓方式中，大角度轉向表示45°以上的轉向，而小角度轉向表示10°以內(nèi)的轉向。

4 基于A星算法的危險規(guī)避決策

在完成危險規(guī)避知識庫的構建以后，對USV避障進行危險規(guī)避決策，本文采用A星算法進行規(guī)劃，得到從起始點到終點的一條最小代價路徑。軌跡分為八個方向，以水平坐標系為準，分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°八個方向。在沿著全局路徑點航行的過程中，無人艇通過傳感器提供的動態(tài)障礙信息進行自動避障。

A星算法是啟發(fā)式搜索算法，其采用一個評價函數(shù)來指導路徑表中下一節(jié)點的選擇。評價函數(shù)為f(n)=g(n)+h(n)。其中g(n)表示從出發(fā)節(jié)點到節(jié)點n的最優(yōu)路徑的代價函數(shù)，h(n)是根據(jù)領域知識，表示從節(jié)點n到最終目標點的路徑代價估計。

基于A星算法的危險規(guī)避決策流程如下

1）生成一個搜索圖G只包含開始節(jié)點n0，把n0放在一個名為OPEN的表中。

2）生成一個名為CLOSED的表，其初始值為空。

3）選擇OPEN表上第一個路徑節(jié)點，將它從OPEN中移到CLOSED中，稱此節(jié)點為n。

4）判斷n是否為最終節(jié)點，如果是最終節(jié)點，則順著搜索圖G，從危險規(guī)避知識庫中找到一條方案，成功退出。

5）如果n不是最終節(jié)點，則生成節(jié)點n后續(xù)節(jié)點集M，并在搜索圖G中安置節(jié)點集M。

6）為后續(xù)節(jié)點集M中不存在搜索圖G的節(jié)點建立一個到節(jié)點n的指針，并把M集中節(jié)點添加到OPEN中。對于M集中每一個已在OPEN和CLPSED表中的節(jié)點m，如果當前到達節(jié)點m的最好路徑包括了n，就將這個節(jié)點的指針指向n。對于已在CLOSED中的M集的每一個節(jié)點，也需要重新定向它在G中的每一個后繼。

7）按遞增的啟發(fā)值，重新排列OPEN表。

A星算法采用的是每步代價分析，這些代價包含了方向、軟障礙、航行通道與路程時間等。也可以運行無人艇靠近障礙物，此時可以加入額外的代價，這種情況下運行無人艇設置圍繞危險障礙物的邊界。在整個路徑中設置了開始節(jié)點和最終節(jié)點，最終可以為無人艇智能避障提供一個較優(yōu)的完整路徑。

5 結語

本文分析從無人艇規(guī)避知識來源，以此完成規(guī)避知識庫中的知識采集。并提出了無人艇危險規(guī)避知識庫體系結構，明確危險規(guī)避規(guī)則的表示方法，以及規(guī)避知識庫的知識推理過程。通過分析影響無人艇安全航行的主要因素，并對這些因素進行知識提取，給出無人艇危險規(guī)避知識庫的規(guī)則及基于A性算法的危險規(guī)避流程，用于無人艇智能避障決策模型。