本发明公开了一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，属于船舶操纵技术领域；一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，采用采用01代码和ILP方法设计了船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式，初步构建具备普适性和可实际应用的船舶驾驶机器语言体系，有助于为船舶机器驾驶提供普适编码形式：探索构建具备普适性和可实际应用的船舶驾驶机器语言体系，针对船舶航行3种避碰行为，分析驾驶行为和船舶状态的指令需求，创新性的采用01代码和ILP方法设计了船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式。
1.一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，其特征在于，针对船舶机器驾驶避碰行为，在驾驶行为和船舶状态的指令需求下，通过机器语言对驾驶行为指标和船舶状态指标进行编码，形成一套具备普适性和可实际应用的机器语言编码方法，具体包括以下内容：S1、根据需求，将驾驶行为指令分为用车和用舵，具体可分为旋舵、调速、倒车Cb和正车Cf，所述旋舵进一步包括有左旋舵Dl、右旋舵Dr、不旋舵Dn，所述调速进一步包括有加速Vi、减速Vd，无调速动作Vn；所述用车和用舵指令可独立或同时进行，通过指令集Inst对上述驾驶行为指令进行划分，具体划分如下：Inst=｛｛Dl，Dr，Dn｝，｛Vi，Vd，Vn｝，｛Cb，Cf｝｝（1）S2、在船舶智能航行的避碰过程中，依靠船舶自动识别系统和雷达获得船舶的速度、位置坐标、航向，据此计算本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度，进而通过本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度来计算本船与目标船之间的最近会遇距离和最小会遇时间，并结合上述数据指标划分船舶状态指令；
S3、针对船舶航行中本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度这3种避碰行为指标，分析驾驶行为和船舶状态的指令需求，采用01代码和归纳逻辑程序设计编码规则设计船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式；
所述S3中提到的采用01代码设计船舶驾驶行为指标编码形式，具体包括以下内容：A1、操作行为编码：对驾驶行为指令分别进行编码，其中，A表示左旋舵Dl、B表示右旋舵Dr、C表示加速Vi、D表示减速Vd、E表示倒车Cb、F表示正车Cf、G表示预留属性行为；所述A、B、C、D、E、F均为01编码，置0表示该行为不执行，1表示执行；
A2、操作行为程度编码：将左旋舵Dl、右旋舵Dr动作程度单位选为角度，间隔单位为1°；
加速Vi、减速Vd动作程度单位选为节，间隔单位为0.1节；倒车Cb动作程度单位选为秒，间隔单位为5s；正车Cf动作程度单位选为分钟，间隔单位为10min；所述操作行为程度数据之间互斥，即任一时刻单类行为程度数据唯一；
A3、将A1和A2中所述操作行为属性编码和操作行为程度编码进行组合，作为船舶驾驶行为指标编码；
所述S3中提到的采用归纳逻辑程序设计编码规则设计船舶状态指标编码形式，是指综合考虑本船和目标船状态以及船舶属性逻辑，结合COLREGS相关规定，采用归纳逻辑程序设计编码规则实现每一时刻下船舶状态编码，具体包括以下内容：B1、船舶追越场景规则及编码：两艘机动船同向行驶，当后船速度大于前船速度时，形成追越局面，在追越过程中遵循COLREGS第十三条规定，具体规则为：在追越路径规定范围内，5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，船艉向±67.5°方向内3nm内，它船速度大于测试船加速行驶，形成被追越局面；测试船位于它船船艉向±67.5°方向3nm内，加速追越它船；
结合上述分析，若目标船追越本船，本船为直航船，则进行保向保速；若本船追越目标船，本船为让路船，则进行转向避碰操纵，具体数理分析如下：B1.1、两艘机动船舶，当目标船追越本船时，本船是直船船，数理逻辑编码如下：（2）
其中，X为本船，Y为目标船，Vt为目标船速度，V0为本船速度，α为目标船相对本船的舷角，β为本船相对于目标船的方位；“stand‑on ship（X）”表示本船为直航船，保向保速行驶；
“power‑driven vessels(X)”与“power‑driven vessels(Y)”表示两船都是机动船；
“Collision Risk（X，Y）”表示将本船和目标船之间的避让责任和避碰操作全都考虑在内；
B1.2、两艘机动船舶，当本船追越目标船时，本船为让路船，要进行左转向或者右转向的避碰操纵，数理逻辑编码如下：（3）
其中，“give‑way ship（X）”表示本船为让路船，“keep course（Y）”表示目标船为直航船；
B2、船舶对遇场景规则及编码：两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，形成对遇局面，遵循COLREGS第十四条规定，具体规则为：5级海况及以下，能见度不低于1km，测试船舶能够基于电子海图和灯浮标正确识别的进港航道航行，过程中与航道内对向来船会遇，所述航道按照双线航道设计，会遇船舶沿对向航道中线行驶；
其中，W表示航道通航宽度，m；Q表示表示航道线数；A表示航迹带宽度，m；c表示船舶与航道底边线间的富裕宽度，m；b表示船舶间富裕宽度，m，当船舶交会密度较大时，船舶间富裕宽度可适当增加；n表示船舶漂移倍数；L表示设计船长，m；θτ表示风、流压偏角，°；B表示设计船宽，m；
结合上述分析，当本船与目标船之间形成对遇局面时，二者均为让路船，两船都有同等的避让责任，需要进行右转向避碰操作，数理逻辑编码如下：（6）
B3、船舶交叉相遇场景规则及编码：两船彼此仅能看见对方一侧的舷灯，双方航向线交叉，有他船在本船右舷的船舶为让路船，应给他船让路，而他船，即直航船则应保持航向和航速，遵循COLREGS规定，具体规则为：5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，在其航向左右任意一侧3nm范围内有它船航行；二船艏向交叉，且交叉舷角大于5°且小于112.5°，它船自船速为测试船舶航速±20% ，二船形成交叉相遇局面；
结合上述分析，当船舶形成交叉相遇局面并存在碰撞危险时，位于左舷的船舶要给位于右舷的船舶让路，承担避让责任，具体数理分析如下：B3.1、当本船与目标船构成左舷交叉相遇的会遇避碰时，本船为直航船，进行保向保速；由目标船执行避碰操纵，只有当目标船没有履行让路船的责任与义务进行避碰操作或形成紧迫局面时，本船才需要进行避碰操作，数理逻辑编码如下：（7）
B3.2、当来船的相对方位或舷角在[5°，67.5°]，为小角度交叉相遇，此时本船为让路船，右转向的避让效果要好于变速，本船应采取右转向的避碰操纵，数理逻辑编码如下：（8）
B3.3、右舷大角度交叉相遇，是指目标船舷角在[67.5，112.5]时，目标船为直航船，进行保向保速，本船为让路船，要采取避碰操纵，此时本船可以进行变速或减速避让、左转向避让、右转向避让，数理逻辑编码如下：（9）。
2.根据权利要求1所述的基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，其特征在于，所述S2中提到的船舶状态指令划分，具体包括以下内容：①本船运动参数：本船位置｛Bx，By｝、航向Bag以及航速Bv；
②目标船运动参数：目标船位置｛Tx，Ty｝、航向Tag以及航速Tv；
③船舶安全状态参数：最近会遇距离（DCPA）、最小会遇时间（TCPA）。
一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法
技术领域
[0001] 本发明涉及船舶操纵技术领域，尤其涉及一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法。
背景技术
[0002] 船舶智能航行是航运业未来发展的必然趋势，也是近年来国际上智能船舶技术竞争的焦点。其不仅可解决航运效率、安全和经济性进一步跨越式提升的挑战，更是积极融入未来的智能化世界，实现航运业转型升级的必经途径和趋势。发展船舶智能航行技术既是我国引领国际智能船舶发展、主导国际航运规则制定、提升国际航运地位、保障国家安全的重大历史机遇，也是国家发展特别是海洋强国、交通强国、航运强国建设的客观需要。
[0003] 按照目前现行船舶智能航行系统等级划分标准，船舶智能航行系统从辅助驾驶到自主驾驶可分为10级。我国目前现有沿海智能集装箱商船的船舶智能航行系统等级评价被评定为沿海R11级（有人在船的遥控驾驶高级）和有条件的A2级（自主驾驶中级）。可以预见，随着我国智能航行船舶数量的增加，其航行系统的智能化水平必将不断提升，将由人类决策和控制逐步转为人类决策机器控制，进而实现机器自主决策和控制。在这一过程中，如何让机器驾驶迁移人类船长的优秀驾驶经验，让人类的指令转化为机器语言，让未来世界的无人船和无人船之间的机构沟通成为可能，是船舶智能航行以及智能航运发展的基础。目前尚未有系统的研究能够充分结合机器语言表达方式来描述船舶智能航行中避碰行为，并采用高效编码方式来支持船舶智能驾驶，鉴于此，本发明提出了一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于实现对船舶智能航行避碰行为的高效编码以实现对船舶的智能操控而提出了一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
[0006] 一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，针对船舶机器驾驶避碰行为，在驾驶行为和船舶状态的指令需求下，探索用机器语言对驾驶行为指标和船舶状态指标进行编码，形成一套具备普适性和可实际应用的机器语言编码方案，为促进船舶智能航行发展提供理论和技术支撑，具体包括以下步骤：
[0007] S1、根据需求，将驾驶行为指令分为用车和用舵，具体可分为旋舵、调速、倒车Cb和正车Cf，所述旋舵进一步包括有左旋舵Dl、右旋舵Dr、不旋舵Dn，所述调速进一步包括有加速Vi、减速Vd，无调速动作Vn；所述用车和用舵指令可独立或同时进行，通过指令集Inst对上述驾驶行为指令进行划分，具体划分如下：
[0008] Inst=｛｛Dl，Dr，Dn｝，｛Vi，Vd，Vn｝，｛Cb，Cf｝｝（1）
[0009] S2、在船舶智能航行的避碰过程中，依靠船舶自动识别系统（Automatic identification system， AIS）和雷达获得船舶的速度、位置坐标、航向，据此计算本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度，进而通过本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度来计算本船与目标船之间的最近会遇距离（Distance of the closest point of approach， DCPA）和最小会遇时间（Time of the closest point of approach，TCPA），并结合上述数据指标划分船舶状态指令；
[0010] S3、针对船舶航行中本船与目标船之间相对距离、相对航向和相对速度这3种避碰行为指标，分析驾驶行为和船舶状态的指令需求，采用01代码和归纳逻辑程序设计编码规则设计船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式。
[0011] 优选地，所述S2中提到的船舶状态指令划分，具体包括以下内容：
[0012] ①本船运动参数：本船位置｛Bx，By｝、航向Bag以及航速Bv；
[0013] ②目标船运动参数：目标船位置｛Tx，Ty｝、航向Tag以及航速Tv；
[0014] ③船舶安全状态参数：最近会遇距离（DCPA）、最小会遇时间（TCPA）。
[0015] 优选地，所述S3中提到的采用01代码设计船舶驾驶行为指标编码形式，具体包括以下内容：
[0016] A1、操作行为编码：对驾驶行为指令分别进行编码，其中，A表示左旋舵Dl、B表示右旋舵Dr、C表示加速Vi、D表示减速Vd、E表示倒车Cb、F表示正车Cf、G表示预留属性行为；所述A、B、C、D、E、F均为01编码，置0表示该行为不执行，1表示执行；
[0017] A2、操作行为程度编码：将左旋舵Dl、右旋舵Dr动作程度单位选为角度，间隔单位为1°；加速Vi、减速Vd动作程度单位选为节，间隔单位为0.1节；倒车Cb动作程度单位选为秒，间隔单位为5s；正车Cf动作程度单位选为分钟，间隔单位为10min；所述操作行为程度数据之间互斥，即任一时刻单类行为程度数据唯一；
[0018] A3、将A1和A2中所述操作行为属性编码和操作行为程度编码进行组合，作为船舶驾驶行为指标编码。
[0019] 优选地，所述S3中提到的采用归纳逻辑程序设计编码规则设计船舶状态指标编码形式，是指综合考虑本船和目标船状态以及船舶属性逻辑，结合COLREGS相关规定，采用归纳逻辑程序设计编码规则实现每一时刻下船舶状态编码，具体包括以下内容：
[0020] B1、船舶追越场景规则及编码：两艘机动船同向行驶，当后船速度大于前船速度时，形成追越局面，在追越过程中遵循COLREGS第十三条规定，具体规则为：在追越路径规定范围内，5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，船艉向±67.5°方向内3nm内，它船速度大于测试船加速行驶，形成被追越局面；测试船位于它船船艉向±67.5°方向3nm内，加速追越它船；
[0021] 结合上述分析，若目标船追越本船，本船为直航船，则进行保向保速；若本船追越目标船，本船为让路船，则进行转向避碰操纵，具体数理分析如下：
[0022] B1.1、两艘机动船舶，当目标船追越本船时，本船是直船船，数理逻辑编码如下：
[0023] （2）
[0024] 其中，X为本船，Y为目标船，Vt为目标船速度，V0为本船速度，α为目标船相对本船的舷角，β为本船相对于目标船的方位；“stand‑on ship（X）”表示本船为直航船，保向保速行驶；“power‑driven vessels(X)”与“power‑driven vessels(Y)”表示两船都是机动船；“Collision Risk（X，Y）”表示将本船和目标船之间的避让责任和避碰操作全都考虑在内；
[0025] B1.2、两艘机动船舶，当本船追越目标船时，本船为让路船，要进行左转向或者右转向的避碰操纵，数理逻辑编码如下：
[0026] （3）
[0027] 其中，“give‑way ship（X）”表示本船为让路船，“keep course（Y）”表示目标船为直航船；
[0028] B2、船舶对遇场景规则及编码：两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，形成对遇局面，遵循COLREGS第十四条规定，具体规则为：5级海况及以下，能见度不低于1km，测试船舶能够基于电子海图和灯浮标正确识别的进港航道航行，过程中与航道内对向来船会遇，所述航道按照双线航道设计，会遇船舶沿对向航道中线行驶；
[0029] 多线航道宽度的计算规则为：
[0030] W=QA+b+Qc （4）
[0031] A=n（Lsin（θτ）+B）（5）
[0032] 其中，W表示航道通航宽度，m；Q表示表示航道线数；A表示航迹带宽度，m；c表示船舶与航道底边线间的富裕宽度，m；b表示船舶间富裕宽度，m，当船舶交会密度较大时，船舶间富裕宽度可适当增加；n表示船舶漂移倍数；L表示设计船长，m；θτ表示风、流压偏角，°；B表示设计船宽，m；
[0033] 结合上述分析，当本船与目标船之间形成对遇局面时，二者均为让路船，两船都有同等的避让责任，需要进行右转向避碰操作，数理逻辑编码如下：
[0034] （6）
[0035] B3、船舶交叉相遇场景规则及编码：两船彼此仅能看见对方一侧的舷灯，双方航向线交叉，有他船在本船右舷的船舶（显示绿舷灯的船）为让路船，应给他船（显示红舷灯的船）让路，而他船，即直航船则应保持航向和航速，遵循COLREGS规定，具体规则为：5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，在其航向左右任意一侧3nm范围内有它船航行；二船艏向交叉，且交叉舷角大于5°且小于112.5°，它船自船速为测试船舶航速±20% ，二船形成交叉相遇局面；
[0036] 结合上述分析，当船舶形成交叉相遇局面并存在碰撞危险时，位于左舷的船舶要给位于右舷的船舶让路，承担避让责任，具体数理分析如下：
[0037] B3.1、当本船与目标船构成左舷交叉相遇的会遇避碰时，本船为直航船，进行保向保速；由目标船执行避碰操纵，只有当目标船没有履行让路船的责任与义务进行避碰操作或形成紧迫局面时，本船才需要进行避碰操作，数理逻辑编码如下：
[0038] （7）
[0039] B3.2、当来船的相对方位或舷角在[5°，67.5°]，为小角度交叉相遇，此时本船为让路船，右转向的避让效果要好于变速，本船应采取右转向的避碰操纵，数理逻辑编码如下：
[0040] （8）
[0041] B3.3、右舷大角度交叉相遇，是指目标船舷角在[67.5，112.5]时，目标船为直航船，进行保向保速，本船为让路船，要采取避碰操纵，此时本船可以进行变(减)速避让、左转向避让、右转向避让，数理逻辑编码如下：
[0042] （9）。
[0043] 与现有技术相比，本发明提供了一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，具备以下有益效果：
[0044] 本发明方法避免了对船舶驾驶条件的限制，采用对船舶机器驾驶避碰行为编码方法，通过用船舶机器驾驶行为指令和状态指令的分析，综合考虑航行规则，制定对应的综合编码方案；具体为：
[0045] （1）编码方式高效，简单，易于实现；
[0046] （2）可为船舶智能航行的人‑机、机‑机协同对话提供技术条件，为航运的智能化发展提供重要的基础理论和技术支撑；
[0047] （3）采用01代码和ILP方法设计了船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式，初步构建具备普适性和可实际应用的船舶驾驶机器语言体系，有助于为船舶机器驾驶提供普适编码形式：探索构建具备普适性和可实际应用的船舶驾驶机器语言体系，针对船舶航行3种避碰行为，分析驾驶行为和船舶状态的指令需求，创新性的采用01代码和ILP方法设计了船舶驾驶行为指标和船舶状态指标的编码形式。
附图说明
[0048] 图1为本发明提出的一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法的流程示意图；
[0049] 图2为本发明提出的一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法的两船追越场景示意图；
[0050] 图3为本发明提出的一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法的两船直航道对遇场景示意图；
[0051] 图4为本发明提出的一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法的两船交叉相遇场景示意图。
具体实施方式
[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0053] 实施例1：
[0054] 请参阅图1‑4，一种基于机器语言表达的船舶智能航行避碰行为编码方法，具体包括以下步骤（如图1所示）：
[0055] S1、操作行为编码：数据标签处理多用“1、0”表示“是、否”，在传统标签处理方式中，若有N种识别结果，就采用1×N的01数组表示。但是，在考虑用车、用舵驾驶行为的叠加性后，操作种类将呈指数增加，若仍采用01数组表示则过于冗余，且会影响计算效率。对此本发明利用正交化思想，将每个行为的01变量叠加到一起，形成1×7的01数组，具体划分请参阅表1。
[0056] 表1船舶驾驶行为划分
[0057] 向左旋舵 向右旋舵 行使速度降低 行使速度增加 倒车 正车
向左旋舵 ★ × √ √ √ √
向右旋舵 × ★ √ √ √ √
行使速度降低 √ √ ★ × √ √
行使速度增加 √ √ × ★ √ √
倒车 √ √ √ √ ★ ×
正车 √ √ √ √ × ★
[0058] 注：★表示进行的驾驶行为；
[0059] ×表示不能同时进行的驾驶行为；
[0060] √表示可同时进行的驾驶行为。
[0061] S1.1、对此可的操作行为属性编码方式如表2所示。
[0062] 表 2 操作行为属性编码方式
[0063] 动作1 动作2 动作3 动作4 动作5 动作6 预留动作 A B C D E F G 动作行为属性编码 （动作标识码）
[0064] 其中，A表示左旋舵，B表示右旋舵，C表示加速，D表示减速，E表示倒车，F表示正车。A、B、C、D、E、F等均为01编码，置0表示该行为不执行，1表示执行。G则为预留属性行为。对此可得到对应的动作行为属性编码表（见表3），以用于对整个操作行为的编组。
[0065] 表 3 动作行为属性编码表
[0066] 量化标签 行为特征 量化标签 行为特征 量化标签 行为特征[0000000] 不操作 [0100000] 右旋舵 [1000000] 左旋舵
[0000010] 正车 [0100010] 右旋舵、正车 [1000010] 左旋舵、正车
[0000100] 倒车 [0100100] 右旋舵、倒车 [1000100] 左旋舵、倒车
[0001000] 减速 [0101000] 右旋舵、减速 [1001000] 左旋舵、减速
[0001010] 正车、减速 [0101010] 右旋舵、正车、减速 [1001010] 左旋舵、正车、减速 [0001100] 倒车、减速 [0101100] 右旋舵、倒车、减速 [1001100] 左旋舵、倒车、减速 [0010000] 加速 [0110000] 右旋舵、加速 [1010000] 左旋舵、加速
[0010010] 正车、加速 [0110010] 右旋舵、正车、加速 [1010010] 左旋舵、正车、加速 [0010100] 倒车、加速 [0110100] 右旋舵、倒车、加速 [1010100] 左旋舵、倒车、加速 [0067] S1.2、为了对整个船舶的操作程度的描述以有效细化船舶操作行为，本发明提出操作行为程度编码。为此，我们咨询了驾驶经验丰富的船长，将左右旋舵动作程度单位选为角度，间隔单位为1°。加减速动作程度单位选为节，间隔单位为0.1节。倒车动作程度单位选为秒，间隔单位为5s。正车动作程度单位选为分钟，间隔单位为10min。编码如表4所示。
[0068] 表 4 动作行为程度编码方式
[0069] A 动作行为属性编码（动作标识码）A1 动作行为程度编码（动作程度1）
A2 动作行为程度编码（动作程度2）
A3 动作行为程度编码（动作程度3）
A4 动作行为程度编码（动作程度4）
A5 动作行为程度编码（动作程度5）
A6 动作行为程度编码（动作程度6）
A7 动作行为程度编码（动作程度7）
[0070] 其中A1，A2，A3，A4，A5，A6等均为01编码，0表示该动作不执行，1表示执行。值得注意的是这几类数据之间互斥，即A1，A2，A3，A4，A5，A6中仅存在一个1码。对此可得到对应的操作行为程度编码表（见表5），以用于对整个操作行为程度的编组。
[0071] 表 5 操作行为程度编码表
[0072]
[0073] S1.3、将上述的操作行为属性编码和操作行为程度编码进行组合，本发明提出了一种适用于机器语言表达模式的船舶机器驾驶行为编码方式，其如表6所示。
[0074] 表 6 操作行为量化编码矩阵
[0075] 动作1 动作2 动作3 动作4 动作5 动作6 预留动作 A B C D E F G 属性编码（操作标识码）A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 程度编码（操作程度1）
A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2 程度编码（操作程度2）
A3 B3 C3 D3 E3 F3 G3 程度编码（操作程度3）
A4 B4 C4 D4 E4 F4 G4 程度编码（操作程度4）
A5 B5 C5 D5 E5 F5 G5 程度编码（操作程度5）
A6 B6 C6 D6 E6 F6 G6 程度编码（操作程度6）
A7 B7 C7 D7 E7 F7 G7 程度编码（操作程度7）
[0076] 上述量化矩阵在船舶驾驶决策过程中作为输出模板，对应的位置分别表征动作类别和程度，从而为决策环节提供策略标识指示。
[0077] S2、船舶状态指标编码：根据船舶状态指令需求，需考虑本船和他船状态。
[0078] S2.1、因此船舶状态的编码可表示如表7所示。
[0079] 表 7 船舶状态信息编码形式
[0080]
[0081] 相比船舶驾驶行为而言，船舶状态信息更加复杂，因此对程度编码不能用简单的01编码，而是采用实数编码，从而实现对每一时刻下的船舶状态编码。
[0082] S2.2、在船舶属性逻辑的编码过程中，涉及到本船是直航船还是让路船，而截然不同的避碰操作行为，涉及COLREGS相关背景知识，因此，本文采用归纳逻辑程序设计(Inductive Logic Programming，ILP)编码规则，ILP是机器学习与逻辑程序设计的交叉领域，可借助于逻辑程序设计已有的理论与方法，在一阶逻辑的框架下，克服传统机器学习存在的背景知识的局限性、知识表示机制的局限性等问题，使机器更好地模拟人的思维，可通过让计算机考察具体事例，概括出能够刻画事例特有属性的一般性规则。一条规则的形式和结构具体表达为：
[0083]
[0084] 其中，“←”表示逻辑蕴含符号，右边部分被称为“规则体”，表示该条规则的前提，左边部分为“规则头”，表示该条规则的结果。规则体是由逻辑文字fk组成的合成式，k=1，2，...，L是规则体中逻辑文字的个数，称为规则的长度。规则头的“⊕”也是逻辑文字，用来表示规则所判定目标类别或概念。根据规则可以获得船舶的属性逻辑，即直航船属性还是让路船属性。
[0085] S2.2.1、船舶追越场景规则及编码
[0086] 两艘机动船同向行驶，当后船速度大于前船速度时，将形成追越局面，在追越过程中需遵循COLREGS第十三条规定：在能见度良好的情况下，“任何船舶在追越任何他船时，均应给被追越船让路”。在追越路径规定范围内，5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，船艉向±67.5°方向内3nm内，它船速度大于测试船加速行驶，形成被追越局面；测试船位于它船船艉向±67.5°方向3nm内，加速追越它船，场景图见图2。
[0087] 根据上述分析，若目标船追越本船，本船为直航船，则进行保向保速；若本船追越目标船，本船为让路船，则进行转向避碰操纵。此外两艘船舶的相对方位要在[112.5°，247.5°]范围内。
[0088] ①两艘机动船舶，当目标船追越本船时，本船是直船船，数理逻辑编码如下：
[0089]
[0090] 其中，X为本船，Y为目标船，vt为目标船速度，v0为本船速度，α为目标船相对本船的舷角，β为本船相对于目标船的方位。“power‑driven vessels(X)”与“power‑driven vessels(Y)”代表两船都是机动船。因为是目标船追越本船，所以本船的速度要小于目标船的速度，用本船与目标船的速度比值小于1来表达。此外目标船相对本船舷角在[112.5°，247.5°]范围内。
[0091] ②两艘机动船舶，当本船追越目标船时，本船为让路船，要进行左转向或者右转向的避碰操纵，数理逻辑编码如下：
[0092]
[0093] 此规则逻辑编码中，增加了船舶的避碰操纵的描述，“give‑way ship(X)”，即本船为让路船，而目标船为直航船，用“keep course(Y)”来表达，要进行保向保速，从而同时将船舶之间的避让责任与避碰操纵都考虑在内。
[0094] S2.2.2、船舶对遇场景规则及编码
[0095] 对遇是两艘机动船在互见的情况下的一种会遇局面，COLREGS第十四条对遇局面第一款规定当两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，各应向右转向，从而各从他船的左舷驶过。5级海况及以下，能见度不低于1km。测试船舶能够基于电子海图和灯浮标正确识别的进港航道航行，过程中与航道内对向来船会遇。航道按照双线航道设计（相关尺度依据《海港总体设计规范》（JTS165‑2013）对应的船型标准及航道尺度计算），会遇船舶沿对向航道中线行驶。
[0096] 多线航道宽度：
[0097] W=QA+b+Qc
[0098] A=n（Lsin（θτ）+B）
[0099] 式中：W为航道通航宽度(m)；Q为表示航道线数；A为航迹带宽度(m)；c为船舶与航道底边线间的富裕宽度(m)；b为船舶间富裕宽度(m)，取设计船宽B，当船舶交会密度较大时，船舶间富裕宽度可适当增加；n为船舶漂移倍数；L为设计船长(m)；θτ为风、流压偏角(°)；B为设计船宽(m)。对应场景描述如图3所示。
[0100] 由上述分析可知，当两艘船舶构成对遇局面时，无论本船或者目标船都是让路船，两船有同等的避让责任，需要进行右转向的避碰操作，对应的逻辑编码为：
[0101]
[0102] S2.2.3、船舶交叉相遇场景规则及编码
[0103] 交叉相遇局面范围是两船彼此仅能看见对方一侧的舷灯，双方航向线交叉，有他船在本船右舷的船舶（显示绿舷灯的船）为让路船，应给他船（显示红舷灯的船）让路，而他船，即直航船则应保持航向和航速。海域上设置2nm宽，6nm航道，电子海图上标注；5级海况及以下，测试船舶营运速度航行，在其航向左右任意一侧3nm范围内有它船航行。二船艏向交叉，且交叉舷角大于5°且小于112.5°，它船自船速为测试船舶航速±20% ，二船形成交叉相遇局面，对应场景描述如图4所示。
[0104] 按照COLREGS规定，当船舶形成交叉相遇局面并存在碰撞危险时，位于左舷的船舶要给位于右舷的船舶让路，承担避让责任，具体可分为三种情形：
[0105] ①当本船与目标船构成左舷交叉相遇的会遇避碰时，本船为直航船，进行保向保速；由目标船执行避碰操纵，只有当目标船没有履行让路船的责任与义务进行避碰操作或形成紧迫局面时，本船才需要进行避碰操作。可建立如下的规则逻辑编码模型：
[0106]
[0107] ②当来船的相对方位或舷角在[5°，67.5°]，为小角度交叉相遇，此时本船为让路船，右转向的避让效果要好于变速，本船应采取右转向的避碰操纵。可建立如下规则逻辑编码模型：
[0108]
[0109] ③右舷大角度交叉相遇，是指目标船舷角在[67.5°，112.5°]时，目标船为直航船，进行保向保速，本船为让路船，要采取避碰操纵，此时本船可以进行变(减)速避让、左转向避让、右转向避让。可建立如下的规则逻辑编码模型：
[0110]
[0111] 3）船舶机器驾驶综合编码方案：综合驾驶行为指标编码和船舶状态指标编码，船舶机器驾驶综合编码如表8所示。
[0112] 表8船舶机器驾驶综合编码
[0113]
[0114] 相比表7，本表增加了船舶属性编码，该编码方式为01编码，其中0表示直航船，而1表示让路船，前者则不必动作，而后者则需要进行避碰动作。由此得到面向机器语言的船舶驾驶避碰行为编码方案，为船舶避碰决策提供基础理论支持。
[0115] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，应涵盖在本发明的保护范围之内。
