摘 要： 在分析了各因素對(duì)船舶碰撞危險(xiǎn)度影響情況后，系統(tǒng)簡(jiǎn)化了計(jì)算，使其在嵌入式系統(tǒng)中可用，且僅對(duì)危機(jī)情況進(jìn)行碰撞預(yù)警，從而輔助防止船舶碰撞事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞： 碰撞危險(xiǎn)度；船舶避碰；嵌入式系統(tǒng)
船舶碰撞事故是航行安全的首害。據(jù)資料顯示，長(zhǎng)江干線1991年至2000年間船舶碰撞的事故數(shù)占總事故數(shù)的50%以上。隨著水上交通管制電子系統(tǒng)(VTS)的應(yīng)用，水上交通安全得到了極大改善，尤其在船舶航行線路上的天氣水文等信息通報(bào)方面已比較完善，但是在船舶間碰撞警告方面則有所欠缺。目前通用的方法是按照國(guó)際間的一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]確定一個(gè)范圍，設(shè)定的固定距離為2~4海里，此范圍內(nèi)有船則進(jìn)行通告。經(jīng)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于航道上船舶數(shù)量很多，在整個(gè)航行過(guò)程中很大一部分時(shí)間終端系統(tǒng)均會(huì)進(jìn)行碰撞警告，使得該功能實(shí)用性下降。為此，需要將不大可能相撞的船舶排除開(kāi)，僅提醒那些在短時(shí)間內(nèi)不改變航向便可能相撞的情況，以降低事故發(fā)生率。
由于本終端通過(guò)嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算能力較低，計(jì)算量不能過(guò)大，從而影響了其他導(dǎo)航監(jiān)控功能的正常運(yùn)行。因此需要通過(guò)一種簡(jiǎn)單有效的計(jì)算方法得出一個(gè)較為可靠的評(píng)價(jià)。
1 影響船舶碰撞危險(xiǎn)度的因素
船舶碰撞危險(xiǎn)度可分為空間碰撞危險(xiǎn)度和時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度。在實(shí)際的船舶避碰中，必須綜合考慮兩者對(duì)船舶碰撞的影響程度，即兩者的合成碰撞危險(xiǎn)度。影響船舶碰撞危險(xiǎn)度的因素非常多，而且各種因素之間還存在相互制約。一般認(rèn)為有下列主要因素：最近會(huì)遇距離(DCPA)、最近會(huì)遇時(shí)間(TCPA)、目標(biāo)船方位、目標(biāo)船舷角、本船航速、目標(biāo)船航速、會(huì)遇時(shí)兩船的航速比等。另外，目標(biāo)船與本船的操縱性能、當(dāng)時(shí)航行水域的能見(jiàn)度、水文氣象情況、船舶密度等因素、船舶尺度以及船舶駕駛員的操船經(jīng)驗(yàn)也是影響船舶碰撞危險(xiǎn)度的重要因素。為了簡(jiǎn)化模型，僅考慮來(lái)船與本船構(gòu)成的方位、距離、船速比、DCPA和TCPA。
1.1 DCPA和TCPA
在船舶避碰研究領(lǐng)域中，大多數(shù)專(zhuān)家學(xué)者都認(rèn)為DCPA與TCPA是影響船舶碰撞危險(xiǎn)度的主要因素。一般情況下，在分析DCPA對(duì)船舶碰撞危險(xiǎn)度的影響時(shí)，不能與TCPA分開(kāi)。TCPA是指由當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間，TCPA值由會(huì)遇兩船的距離、相對(duì)速度所決定，它描述了會(huì)遇局面的緊迫性。當(dāng)DCPA小于一定數(shù)值時(shí)，TCPA越小，會(huì)遇船舶之間存在的碰撞危險(xiǎn)越高，而當(dāng)TCPA越大時(shí)，船舶間存在碰撞危險(xiǎn)就越小。
另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，當(dāng)最近會(huì)遇距離DCPA處于某個(gè)范圍時(shí)，其中一船認(rèn)為可以安全通過(guò)，并且可能為了增大DCPA而采取了違背規(guī)則的向左轉(zhuǎn)向行動(dòng)，而另一船則根據(jù)規(guī)則采取了向右轉(zhuǎn)向的避讓措施，因此造成碰撞。通過(guò)大量的實(shí)際觀測(cè)和調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)可得到船舶避碰行動(dòng)隨DCPA不同的不確定性分布。當(dāng)DCPA值在0.5 nm～0.8 nm時(shí)，船舶采取避碰行動(dòng)的不確定性較高，從而導(dǎo)致不協(xié)調(diào)碰撞發(fā)生次數(shù)較多，特別是當(dāng)DCPA=0.6 nm時(shí)發(fā)生碰撞的可能性最大。因此，處于該種情況下的會(huì)遇船舶具有較高的碰撞危險(xiǎn)。
1.2 目標(biāo)船的相對(duì)舷角
船舶會(huì)遇是海上最常見(jiàn)的船舶交會(huì)態(tài)勢(shì)，對(duì)其劃分原則是根據(jù)國(guó)際海上避碰規(guī)則、航海習(xí)慣和自動(dòng)避碰方法三者綜合分析的結(jié)果。由兩船的相對(duì)舷角互見(jiàn)中的兩船可劃分為對(duì)遇(F)、交叉相遇(A、B、E)和追越(C、D)幾類(lèi)會(huì)遇態(tài)勢(shì)[2]，如圖1所示。
對(duì)相對(duì)舷角為F、A、B區(qū)域的來(lái)船，本船為讓路船；但對(duì)來(lái)自F、A區(qū)域的船，本船應(yīng)采取向右轉(zhuǎn)向避讓操縱；對(duì)來(lái)自B區(qū)域的船，因與本船的相對(duì)舷角較大，可采用向左轉(zhuǎn)向避讓操縱；對(duì)相對(duì)舷角為E、D、C區(qū)域的來(lái)船，本船可視為直航船而不采取任何避讓操縱，只有當(dāng)出現(xiàn)緊近局面時(shí)，本船才采取避讓操縱。
1.3 會(huì)遇兩船的速度比
P為會(huì)遇兩船的速度比，P=VO/VT，VO為本船航速，VT為目標(biāo)船航速。與目標(biāo)船相比，本船的速度越慢，P值越小，避碰界限就越寬；P值越大，避碰界限就越窄。這就意味著低速船必須先采取避碰行動(dòng)且要求采取較大幅度的轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)，以保證有較大安全距離通過(guò)。本船如果與目標(biāo)船同速或低于目標(biāo)船速，由于目標(biāo)船的行動(dòng)變化，便會(huì)出現(xiàn)不能避碰的領(lǐng)域。特別是在低速的情況下，如果沒(méi)有對(duì)方的合作便不可能完全避碰。
相遇的兩船就速度而論，本船的速度越大，即P值越大，在操舵時(shí)越有安全感；但是船速小到一定程度時(shí)，目標(biāo)船安全感會(huì)增加，因?yàn)檫@時(shí)可以增加對(duì)方避讓的效果，同時(shí)也增加對(duì)方的滿(mǎn)意度。
2 船舶碰撞危險(xiǎn)度的確定
在船舶避碰及避碰決策自動(dòng)化系統(tǒng)研究中，碰撞危險(xiǎn)度的確定十分重要。它不僅是船舶會(huì)遇局面劃分和避讓時(shí)機(jī)確定的重要依據(jù)，也是船舶避碰決策系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。目前，有關(guān)船舶碰撞危險(xiǎn)度的確定，已在國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家、學(xué)者的共同努力下，提出了許多構(gòu)建思想和方法，并認(rèn)為最根本的因素莫過(guò)于兩船會(huì)遇時(shí)的DCPA與TCPA[3]。這里，以來(lái)船與本船構(gòu)成的方位(B)、距離(D)、船速比(K)、最近會(huì)遇距離(DCPA)和最近會(huì)遇時(shí)間(TCPA)為參數(shù)，給出來(lái)船與本船構(gòu)成的碰撞危險(xiǎn)度估計(jì)。
設(shè)UDCPA、UTCPA、UD、UB、UK分別為目標(biāo)船的DCPA、TCPA、距離、方位和航速比危險(xiǎn)隸屬度，且屬于[0，1]，則目標(biāo)船的碰撞危險(xiǎn)度表達(dá)式為[4-6]：
其中，d1、d2為船舶碰撞距離和注意距離，根據(jù)圖1 取值為：
上述模型反映了本船與目標(biāo)船不同的會(huì)遇態(tài)勢(shì)時(shí)的碰撞危險(xiǎn)度。通過(guò)設(shè)定危險(xiǎn)度的閾值范圍，便可有效去除危險(xiǎn)度較低的船。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試
本終端采用ARM9體系結(jié)構(gòu)MCU搭配GPRS通信模塊和GPS定位模塊，主頻200 MHz。采用嵌入式終端代替以往的PC機(jī)終端，更適應(yīng)船舶航行的惡劣條件，安全性和可靠性得到了提高，且降低了設(shè)備成本。但采用嵌入式設(shè)計(jì)方案，運(yùn)算能力較PC機(jī)有所下降，使得各種信息計(jì)算不能過(guò)于復(fù)雜，本實(shí)現(xiàn)方案通過(guò)GPS模塊獲取本船的位置、航向、航速等信息，再通過(guò)GPRS模塊與服務(wù)器進(jìn)行通信，上報(bào)本船獲取的GPS信息，同時(shí)通過(guò)服務(wù)器獲取本船周?chē)?海里范圍內(nèi)的其他船只的GPS信息，如圖2所示。
如此便能直接獲取模型中需要的各種初始數(shù)據(jù)，無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算以及隨之帶來(lái)的誤差，且精度較高。同時(shí)因模型中各危險(xiǎn)隸屬度計(jì)算公式均采用前人研究成果中較簡(jiǎn)單的計(jì)算公式，所以計(jì)算量小，在進(jìn)行此計(jì)算時(shí)不會(huì)消耗太多MCU資源。
通過(guò)實(shí)際測(cè)試，在4小時(shí)的航行過(guò)程中，原來(lái)的系統(tǒng)50%以上時(shí)間處于提醒附近有船狀態(tài)，而改進(jìn)后整個(gè)過(guò)程中僅提醒10次，且大部分為中途停靠碼頭時(shí)產(chǎn)生。
作為一個(gè)嵌入式船載導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)，僅僅起到的是輔助作用，大部分時(shí)間船員均憑自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行駕駛，如果系統(tǒng)在危險(xiǎn)度較低時(shí)便進(jìn)行提醒會(huì)使得此功能因提醒過(guò)于頻繁而被船員忽略。因此，本系統(tǒng)中改為采用危險(xiǎn)度的評(píng)判方法且在危險(xiǎn)度很高時(shí)才提醒船員，從而真正達(dá)到提醒的目的，避免船員因一時(shí)疏忽造成不可挽回的錯(cuò)誤。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭中義，吳兆麟.船舶避碰行為的統(tǒng)計(jì)和分析.中國(guó)航海學(xué)會(huì)海洋船舶駕駛委員會(huì)論文集，1995-1997：94-97.
[2] 鄭中義，吳兆麟.船舶最佳轉(zhuǎn)向避碰幅度決策模型.大連 海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26(4)：5-8.
[3] 蔡存強(qiáng).國(guó)際海上避碰規(guī)則釋義.人民交通出版社，1996.
[4] 史國(guó)友.航海模擬器中DCPA、TCPA的算法.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25(3).
[5] SHINYA N，KUNIJI K.A study on the safety assessment of marine traffic.The Journal of Japan Institute of Navigation，1994，92：101-111.
[6] DAVIS P V，DOVE M T，STOCKET C T.A computer simulation of marine traffic using domains and arenas.The Journal of Navigation，1980，33(1)：206.