摘 要： 在分析了各因素對船舶碰撞危險度影響情況后，系統(tǒng)簡化了計算，使其在嵌入式系統(tǒng)中可用，且僅對危機情況進(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際間的一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]確定一個范圍，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)實際測試發(fā)現(xiàn)，由于航道上船舶數(shù)量很多，在整個航行過程中很大一部分時間終端系統(tǒng)均會進(jìn)行碰撞警告，使得該功能實用性下降。為此，需要將不大可能相撞的船舶排除開，僅提醒那些在短時間內(nèi)不改變航向便可能相撞的情況，以降低事故發(fā)生率。
由于本終端通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，運算能力較低，計算量不能過大，從而影響了其他導(dǎo)航監(jiān)控功能的正常運行。因此需要通過一種簡單有效的計算方法得出一個較為可靠的評價。
1 影響船舶碰撞危險度的因素
船舶碰撞危險度可分為空間碰撞危險度和時間碰撞危險度。在實際的船舶避碰中，必須綜合考慮兩者對船舶碰撞的影響程度，即兩者的合成碰撞危險度。影響船舶碰撞危險度的因素非常多，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：最近會遇距離(DCPA)、最近會遇時間(TCPA)、目標(biāo)船方位、目標(biāo)船舷角、本船航速、目標(biāo)船航速、會遇時兩船的航速比等。另外，目標(biāo)船與本船的操縱性能、當(dāng)時航行水域的能見度、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)驗也是影響船舶碰撞危險度的重要因素。為了簡化模型，僅考慮來船與本船構(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)專家學(xué)者都認(rèn)為DCPA與TCPA是影響船舶碰撞危險度的主要因素。一般情況下，在分析DCPA對船舶碰撞危險度的影響時，不能與TCPA分開。TCPA是指由當(dāng)前時刻到達(dá)最近會遇點的時間，TCPA值由會遇兩船的距離、相對速度所決定，它描述了會遇局面的緊迫性。當(dāng)DCPA小于一定數(shù)值時，TCPA越小，會遇船舶之間存在的碰撞危險越高，而當(dāng)TCPA越大時，船舶間存在碰撞危險就越小。
另外，根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，當(dāng)最近會遇距離DCPA處于某個范圍時，其中一船認(rèn)為可以安全通過，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，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。通過大量的實際觀測和調(diào)查問卷統(tǒng)計可得到船舶避碰行動隨DCPA不同的不確定性分布。當(dāng)DCPA值在0.5 nm～0.8 nm時，船舶采取避碰行動的不確定性較高，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時發(fā)生碰撞的可能性最大。因此，處于該種情況下的會遇船舶具有較高的碰撞危險。
1.2 目標(biāo)船的相對舷角
船舶會遇是海上最常見的船舶交會態(tài)勢，對其劃分原則是根據(jù)國際海上避碰規(guī)則、航海習(xí)慣和自動避碰方法三者綜合分析的結(jié)果。由兩船的相對舷角互見中的兩船可劃分為對遇(F)、交叉相遇(A、B、E)和追越(C、D)幾類會遇態(tài)勢[2]，如圖1所示。
對相對舷角為F、A、B區(qū)域的來船，本船為讓路船；但對來自F、A區(qū)域的船，本船應(yīng)采取向右轉(zhuǎn)向避讓操縱；對來自B區(qū)域的船，因與本船的相對舷角較大，可采用向左轉(zhuǎn)向避讓操縱；對相對舷角為E、D、C區(qū)域的來船，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，本船才采取避讓操縱。
1.3 會遇兩船的速度比
P為會遇兩船的速度比，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且要求采取較大幅度的轉(zhuǎn)向避讓行動，以保證有較大安全距離通過。本船如果與目標(biāo)船同速或低于目標(biāo)船速，由于目標(biāo)船的行動變化，便會出現(xiàn)不能避碰的領(lǐng)域。特別是在低速的情況下，如果沒有對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，在操舵時越有安全感；但是船速小到一定程度時，目標(biāo)船安全感會增加，因為這時可以增加對方避讓的效果，同時也增加對方的滿意度。
2 船舶碰撞危險度的確定
在船舶避碰及避碰決策自動化系統(tǒng)研究中，碰撞危險度的確定十分重要。它不僅是船舶會遇局面劃分和避讓時機確定的重要依據(jù)，也是船舶避碰決策系統(tǒng)智能化設(shè)計與開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。目前，有關(guān)船舶碰撞危險度的確定，已在國內(nèi)外眾多專家、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于兩船會遇時的DCPA與TCPA[3]。這里，以來船與本船構(gòu)成的方位(B)、距離(D)、船速比(K)、最近會遇距離(DCPA)和最近會遇時間(TCPA)為參數(shù)，給出來船與本船構(gòu)成的碰撞危險度估計。
設(shè)UDCPA、UTCPA、UD、UB、UK分別為目標(biāo)船的DCPA、TCPA、距離、方位和航速比危險隸屬度，且屬于[0，1]，則目標(biāo)船的碰撞危險度表達(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)船不同的會遇態(tài)勢時的碰撞危險度。通過設(shè)定危險度的閾值范圍，便可有效去除危險度較低的船。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試
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)計方案，運算能力較PC機有所下降，使得各種信息計算不能過于復(fù)雜，本實現(xiàn)方案通過GPS模塊獲取本船的位置、航向、航速等信息，再通過GPRS模塊與服務(wù)器進(jìn)行通信，上報本船獲取的GPS信息，同時通過服務(wù)器獲取本船周圍4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)，無須進(jìn)行復(fù)雜計算以及隨之帶來的誤差，且精度較高。同時因模型中各危險隸屬度計算公式均采用前人研究成果中較簡單的計算公式，所以計算量小，在進(jìn)行此計算時不會消耗太多MCU資源。
通過實際測試，在4小時的航行過程中，原來的系統(tǒng)50%以上時間處于提醒附近有船狀態(tài)，而改進(jìn)后整個過程中僅提醒10次，且大部分為中途?？看a頭時產(chǎn)生。
作為一個嵌入式船載導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)，僅僅起到的是輔助作用，大部分時間船員均憑自己的經(jīng)驗進(jìn)行駕駛，如果系統(tǒng)在危險度較低時便進(jìn)行提醒會使得此功能因提醒過于頻繁而被船員忽略。因此，本系統(tǒng)中改為采用危險度的評判方法且在危險度很高時才提醒船員，從而真正達(dá)到提醒的目的，避免船員因一時疏忽造成不可挽回的錯誤。
參考文獻(xiàn)
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