0引言
台风是世界上最严重的自然灾害之一，严重影响海上船舶的航行安全，每年都会给我国造成巨大的经济损失。目前，船舶在锚泊防台和航行中机动避台时，对台风动态的分析判断、防避台决策方案的生成和组织实施均以人工作业为主，这不仅工作量大、应变速度慢，而且容易产生决策指挥失误，导致严重的防避台事故，直接造成人民生命财产的损失。20世纪60年代欧洲著名的高级船长Wespter预言，随着科技的发展，船舶未来一定会实现智能避台决策技术。几十年来航海科技工作者进行了大量的探索，积累了智能避台决策的宝贵经验。20世纪90年代随着数值天气预报取得重大突破和电子海图显示与信息系统(ElectronicChartDisplayandInformationSystem，ECDIS)应用于航海实践，综合运用计算机技术、人工智能技术和自动控制技术来实现船舶海上机动避台和防台部署辅助决策己成为可能，而且也将成为未来研究防避台风技术的主要趋势。本系统利用现有的台风预报分析成果、历年的防避台案例以及防避台的实践经验，结合计算机与人工智能技术，设计出防避台智能辅助决策系统，具有一定的实用性和经济性。
1总体设计思想
为有效地实现防、避台风决策的科学性、有效性和可靠性的目标，满足相关部门防、避台风实际需要，该系统设计中充分体现以下设计思想。
1)突出决策的科学性与有效性。船舶防避台风决策的科学性，直接关系到船舶防避台的安全性，也是决策方案首要的原则，但在决策生成是应充分考虑到防避台风辖区和船舶防避台能力的实际情况，使决策方案能够得到有效实施。
2)信息自动获取与决策实时性。自动获取充分的决策信息是本系统实用性的重要特征，而且直接影响系统决策的实时性。本系统在设计过程中应充分考虑船舶在防避台风中获取信息的实际情况和发展的需要，实现信息的有效获取、自动转换和实时决策的目标。
3)系统运行的可靠性与安全性。船舶的防避台风过程持续时间长，要求系统能够根据变化的情况进行动态决策，必须确保系统运行的可靠性和安全性。系统在软件设计上应注重可靠性和安全性要求，严格按软件工程的要求进行研制和测试。
4)系统升级的可扩性与可维性。考虑到防避台决策技术的发展，防避台经验的总结与获取，相关知识库、数据库完善与丰富等方面的需要，系统应按集成的方法进行设计，确保系统的扩展与升级，以及便于使用者的维护。
2系统的主要功能
防避台智能辅助决策系统充分利用计算机处理技术、人工智能技术和最新的台风预报成果，根据船舶所属的船舶防台风锚地的水文气象、地理环境和防台风条件以及以往的防避台风的案例，综合考虑整个天气系统情况、船舶抗风能力、船舶的静态信息和机械状况、船长经验，辅助相关部门决策适合当时环境和情况的船舶防避台风优化方案，包括在港船舶的防台部署方案和海上航行的船舶的机动避台方案。
系统具有的主要功能如下。
1)防台部署辅助决策。
当台风进入三级防台圈时进行防台部署，根据台风强度、防台设施和船舶当前位置，参考以往的防台部署案例，自动生成适合当时环境和情况的防台部署方案;系统支持人工拖拉操作方式部署防台方案，允许对生成的防台部署方案进行人工干预，而系统对错误的人工干预会提出警告信息，对人工部署时的漏布情况会发出警报;实现了防台部署方案的查询和统计以及在数字电子海图上显示防台部署情况，生成并打印防台部署报表。
2)机动避台辅助决策。
充分利用导航系统提供的信息以及台风的分析预报成果，辅助远航执行任务的船舶在航行过程中遭遇台风的情况下决策最有助于船舶航行安全的避台航线，使复杂的防避台决策过程实现业务化和自动化。本模块的主要功能包括计算船舶—台风综合态势、计算台风对船舶的危险等级、决策适合当时环境和情况的避台方案、根据系统决策得到的避台方案进行避台模拟、根据模拟结果对避台方案进行分析等。
3)防避台专用数据库。
对防避台辅助决策子系统所涉及的所有数据进行存储与管理，对防台部署辅助决策模块和机动避台辅助决策模块提供数据支持，包括防台部署情况报表的生成、以往部署方案的检索和管理等。本系统包括的数据库主要有:台风数据库、船舶数据库、部署方案库、防台部署数据库、防台设施数据库、模型数据库等。
(4)可视化显示。
实现船舶避台辅助决策系统评估产品的前端显示。以文档、表页、分析图表、态势标绘等方式，综合显示当前台风态势，为船舶避台方案措施的评估提供支持:船舶防台部署情况显示，船舶—台风综合态势显示，机动避台过程显示，避台方案显示等。
3硬件设计方案
根据相关部门的防台部署业务的实际，防避台指挥所硬件布局如图1所示。
1)船舶动态信息部位。输入各船舶的动态信息(船舶名称、经纬度、时间、航向、航速、人员、油、水、弹药等信息)。
2)台风信息部位。输入台风信息(时间、经纬度、风速、强度等)，查看当前台风位置，台风危险度计算与自动报警，预测台风到达时间。情况。
4)中心部位。安装Oracle数据库管理系统，存储系统所需要的相关数据。
其中的硬件设备配置如下:
服务器为HPProLiantML370G4，XEOM3．6/800-2M/512M/1000M;工作台为IntelPⅢ650CPU，64MB内存，10GHz以上机器;交换机支持10Mbps/100Mbps/1000Mbps。
4软件设计方案
4．1系统总体框架设计与分析
4．1．1系统总体结构
系统采用B/S模式与C/S模型相结合的结构体系，针对不同的用户实现效率最高，路径最优。C/S模式可实现防避台指挥部门内部数据共享、数据处理、系统维护、结果输出等功能，如台风数据的采集与入库、防避台决策信息的输出，避台决策模型的维护，生成避台方案等;而B/S模式则可实现防避台指挥部门与其他相关部门和应急体系终端的数据采集与信息发布功能。两者基于同一数据库系统，结构和功能上紧密联系，互为支撑，构成一个有机整体。
4．1．2软件开发平台
系统充分地利用Windows2000或WindowsXP操作系统较为完善的安全机制、多线程调用、多种文件系统支持、跨平台访问支持等优势，保证软件模块的快速、高效开发，以及现有模块的移植和集成。编程开发环境采用VC++6．0，后台数据库软件采用Oracle8i，相关的通用文字处理软件采用MicrosoftOffice2003，COM组件采用某公司开发的电子海图操作控件以及标绘控件。
4．1．3数据库的组织
系统在进行防避台决策过程中所需要的数据可以通过实时网络获取、人工输入、数据库读取等方式获取。同时在决策过程中会产生大量的临时数据，如何将这些数据合理、有效地组织起来是系统数据库设计需要考虑的重要问题。根据数据的特点可以分为七个主要的数据库:台风信息数据库、防台设施数据库、决策知识数据库、防台部署数据库、船舶信息数据库、模型数据库以及临时数据库。台风信息数据库主要存储历史台风相关数据，以便进行相关台风数据的查找;防台设施数据库主要存储防台锚地主要防台设施的相关信息，比如水鼓的位置、系泊力等信息;决策知识数据库主要存储防避台决策模型、历史灾情数据、政策法规、社会经济统计数据等;防台部署数据库主要存储当前的防台部署信息，系统可以自动读取相关数据，以便进行修改或报表输出;船舶信息数据库主要存储不同船舶的技术性能，如吨位、抗风等级等信息;模型数据库主要存储台风失速模型、路径综合集成模型、台风危险等级判断模型等相关的模式及相关标准;临时数据库用于存储系统运行过程中产生的中间数据及临时数据，在用户视图中临时数据库是隐性的。各数据库之间通过链表和外键等机制
4．2系统体系结构
根据系统所实现的主要功能，可划分为以下五个模块:台风信息预处理模块、防台部署辅助决策模块、机动避台辅助决策模块、防避台专用数据库模块和可视化显示模块，如图2。
4．2．1台风信息预处理模块
该模块主要为防避台风决策做好相关的信息准备。首先，系统通过网络或者人工输入的方式实时获取台风动态信息，台风动态信息的获取可能来自多个气象台(比如中央台、香港台、广州台等)，在获取到相关信息后，需要对所获取的信息进行预处理，以便为后续的防避台辅助决策提供有效的数据支持，其中最主要的处理模块为:根据各气象台的台风预报信息，对台风未来的移动路径进行综合集成补充预报。
台风路径预报的准确与否是关系到防台避台能否取得胜利的关键，因为台风危险度的判断、防避台方法、船舶—台风综合态势和舰台七要素的计算、避台航线与避台时机的决策都与台风的路径(台风的位置、移向、移速)密切相关。如果不能准确掌握当前台风的移动路径，就难以形成正确、科学的判断，也不可能制定和实施正确的防台避台方案，这将给防台避台行动造成极大的困难，因此有必要尽可能准确掌握台风路径。由于系统会从多个气象台获取台风的动态信息，所以需要对各气象台的台风路径进行综合集成预报。一般的综合集成预报大多采用平均法或加权平均，没有涉及到集成的最大难题点，即如何处理权重系数的变化和分配这一实质性的问题。由集成预报公式X珔=∑Ni=1aiXi可以看出，集成预报中集成预报值和各预报台预报结论之间是线性映射关系，因此系统构建了一个线性神经网络，以各气象台预报结论为输入，以集成预报结论为输的权值，可以得到最优的集成补充预报结论。
线性神经元采用的传递函数为线性函数purelin，其输入与输出之间是简单的纯比例关系。线性神经元的输入可以取任意值，其输入与输出关系为:
a=purelin(WP+b)=WP+b(1)
其中:W为权值矩阵，相应于各个气象台的预报权重;P为输入矢量，相应于各个气象台的路径预报结论;b为阈值矢量。
线性神经网络结构如图3。
利用函数newlin可以生成一个线性神经网络。其常用的格式为:
net=newlin(PR，S)(2)
其中，PR为R×2维矩阵，表示R维输入矢量的最小值和最大值之间的范围;S表示线性神经网络的输出个数，即网络层神经元的个数;函数返回变量net为生成的线性神经网络对象。在线性神经网络生成的同时，newlin已调用默认的初始化函数initzero对网络的权值和阈值进行了零初始化。用户可以任意改变线性网络权值和阈值的初始化函数，并使用init函数对网络重新进行初始化。
对线性神经网络的训练可以调用train函数完成。利用train函数对线性神经网络进行训练实际上是根据所给的“输入—目标”样本矢量集，调用神经网络生成时所定义的权值和阈值学习函数learnwh对网络不断进行调节，最终使网络输
4．2．2防台部署辅助决策模块
该模块根据不同船舶所属的防台风锚地的水文气象、地理环境和防台风条件以及以往的防台部署案例，综合考虑整个天气系统情况、船舶抗风能力、船舶的静态信息和机械状况、船长经验，辅助相关部门在任何时间为任意地点的船舶决策适合当时环境和情况的优化的防台部署方案，其数据流如图4所示。该模块的主要包括四个主要子模块。
1)台风对防台区域的危险等级计算。
该子模块是防台部署辅助决策模块中最主要的一个子模块，在防避台风中发生的许多事故，绝大多数是由于船长或抗台指挥员对来袭台风的威胁程度判断不准确而造成的。当前对台风威胁程度的判断大多停留在感性认识上，单凭经验来判断，而没有采用定量的方法。因此，在系统开发时，借鉴了人工神经网络模拟人脑判断台风危险程度的思路，建立了基于BP神经网络的台风威胁等级判断模型，以此来定量分析台风的威胁程度，以便决定是否需要进行防台部署。
2)防台部署方案的智能决策。
该子模块主要完成四个子功能:
①自动从防台设施数据库中读取防台设施数据，并在电子海图上显示各个防台设施的位置;
②从决策知识数据库中读取相关防台部署的决策模型，根据历史防台部署数据，以及各防台设施的相关性能，解算出最优部署方案，将相关部署数据存储于防台部署数据库中;
③根据最优防台部署方案，在电子海图上显示部署情况;
④提供相关部署报表、防台部署图的打印功能。
3)人工拖拉部署防台方案功能的实现。
为了提高系统的人机交互功能，系统提供了人工拖拉部署方式。用户可以在防台部署智能决策子模块中生成的防台部署方案中，根据当时台风的态势以及防台设施的当前状态，适当修改最优防台部署方案中不合理的地方，以便完成防台部署方案的最优化。
4)防台部署方案(案例)管理。
该子模块主要完成防台部署方案案例的保存功能，以便对进行防台部署时进行参考。
4．2．3机动避台辅助决策模块
充分利用导航系统提供的信息以及台风信息预处理模块生成的台风综合路径、大风圈半径等信息，辅助船舶在航行过程中遭遇台风的情况下决策最有助于船舶航行安全的避台航线，使复杂的防避台决策过程实现业务化和自动化，其数据流如图5所示。
该模块的主要包括三个子模块。
1)船舶台风综合态势解算子模块。
根据导航系统提供的船舶当前的航行信息，以及台风信息预处理模块生成的台风综合路径信息，根据模型数据库中船舶台风综合态势解算模型自动算出当前船舶—台风综合态势，主要包括四个计算。
①计算船舶—台风方位、距离。根据台风当前经纬度位置，计算出台风未来t小时的移向移速;计算出船舶相对于台风的方位和距离。
②计算船舶—台风相对航向、相对航速。
根据台风当前经纬度位置，计算出台风未来t小时的移向移速;计算出船舶相对于台风的航向、航速。
③计算船舶—台风最近会遇距离(DCPA)和最近会遇时间(TCPA)。计算船舶—台风最近会遇距离;计算船舶—台风最近会遇时间。舶—台风大风圈接近时间;计算船舶—台风大风圈接近距离。
⑤船舶大风浪中失速模型。计算不同的船舶在台风浪中航行的自然失速量。
2)机动避台方案决策子模块。
当船舶受到台风危险大风威胁时，可以采用改向、变速等手段，使船舶相对于台风的相对运动线发生变化，从而使船舶从台风危险大风海区外通过;或者改变船舶相对于台风的相对运动速度，等待台风减弱或转向后从台风外部的安全海区通过。机动避台方案决策子模块根据船舶和台风的相对位置、船舶当前的计划航向、航速以及台风预报的移向、移速，就可以计算船舶—台风7要素以及船舶在受到台风威胁情况下应采取的避台方案。
模型中主要包括五个计算。
①计算船舶改向从台风后通过的避台路线。船舶的航速大于台风移动的速度时的避台路线选择;船舶的航速小于计算船舶改向从台风前通过的避台路线。船舶的航速大于台风移动的速度时的避台路线选择;船舶的航速小于台风移动的速度时的避台路线选择。
③计算船舶变速从台风前通过的避台路线。船舶变速从台风前通过的可能性判断;船舶的变速从台风前通过的避台路线选择。
④计算船舶变速从台风后通过的避台路线。船舶的变速从台风后通过的避台路线选择;船舶变速从台风后通过的航速选择。
⑤计算船舶开始避离时机。功能为计算船舶开始避离危险大风海区的最佳时间
3)模拟避台子模块。
①根据模拟避台模块所提供的船舶规避机动要素，结合台风的运动要素，模拟显示出船舶—台风综合态势的变化过程，以便船舶指挥员实时判断规避机动要素是否合理;
②实时显示船舶、台风在模拟过程中的经纬度，速度等信息;
③根据模拟过程中的船舶—台风综合态势，实时计算舰台七要素并显示传来;
④根据当时船舶—台风综合态势，制定出一个规避台风的航行路线;
⑤可以在船舶的相对运动和真运动间进行切换
4．2．4可视化显示模块
可视化显示模块的主要功能:实现船舶避台辅助决策系统评估产品的前端显示;以文档、表页、报表、分析图表、态势标绘等方式，综合显示当前台风态势，为船舶避台方案措施的评估提供支持;船舶防台部署情况显示，船舶—台风综合态势显示，机动避台过程显示，避台方案显示等，其数据流如图6所示。
5结语基于ECDIS的防避台智能辅助决策系统的研制成功，彻底解决了决策避台方案时仅用手工作业带来的缺陷。系统能够根据船舶与台风之间的相对态势，充分利用计算机技术、人工智能技术和最新的台风预报成果，实时地决策适合当时环境和情况的防避台方案，使复杂的防避台过程实现业务化和自动化。
