关于船舶自动避碰的探讨

武汉理工大学航运学院毕业生专题报告关于船舶自动避碰的探讨姓名:熊志鹏班级:航海0902班指导老师:周春辉日期:2013年5月20日关于船舶自动避碰的探讨熊志鹏武汉理工大学430062摘要:随着国际航运和造船技术的发展，世界海运量迅速扩大,船舶呈大型化、高速化趋势发展，海域通航状况更为复杂，船舶操纵难度也日益增加。提高船舶运输的安全性和经济性尤为重要,这引起了航运技术的变革,促进了船舶自动化技术的发展。船舶驾驶自动化是目前船舶自动化的重要组成部分,从船舶驾驶自动化技术的研究成果看,避碰系统是其中的一个薄弱环节,而这一环节与船舶的航行安全直接相关。关键词:自动避碰；智能化；自动导航操纵引言：近年来尽管航海技术的日益提高，船舶导航通信设备得到了进一步的完善，但由于种种主观和客观的原因，船舶的碰撞事故仍屡屡发生，给海洋环境及生命财产带来极大的危害。随着计算机技术的快速发展，船舶导航系统与操作的自动化程度日益提高和完善，船舶自动避碰技术也得到快速的发展。本文主要提出了船舶避碰系统的组成，现状以及其发展趋势。1船舶避碰系统的发展及现状航海技术随着人类社会的发展而不断向前，它经历了一个由低级到高级、由简单到复杂、由仅仅依靠人力或自然力到使用柴油动力再到应用计算机、自动化等高科技手段的过程；近年来，为了确保船舶的安全航行、降低成本预算、扩大经济效益、减少船员数量，船舶以安全、节约、经济、减员为目标，朝着大型化、快速化、自动化的方向发展。在船舶自动化领域，船舶避碰向来都是研究的热点和难点。一些西方的发达国家在上个世纪五十年代便开始研究船舶避碰问题了。初始时期，他们将几何的原理和方法应用到了避碰上，并且定量化了避碰规则，这一切的努力在很大程度上促进了船舶数学模型的发展。紧接着，他们进一步从特征和表现形式等方面分析了船舶碰撞危险，相应地又融入了会遇船舶之间的距离和方位的变化分析，从而得到了预测船舶碰撞是否会发生的方法。在此基础上，他们又根据会遇船舶的最近会遇距离和到达最近会遇点的时间等数据，最终判定出了避碰行动的操作时机和操作幅度。目前，两船会遇时的避碰决策无论是在理论上还是在实际操作上都达到了一定的水准，并取得了不错的成绩。然而在《规则》里，关于多船会遇方面并没有什么指导性、建设性的规定和指示，这造成了多船避碰决策判定的不方便，致使这方面的技术还没有很成熟。同时，船舶驾驶员的船舶操纵经验和心理素质在船舶驾驶方面又存在很大的影响。基于以上的种种原因，船舶避碰的研究还不足以应对现实生活中所有的船舶会遇的情况。80年代后，伴随着新兴科技如计算机、智能控制等地飞速发展和实际应用，人们将研究的焦点聚集到了船舶避碰专家系统上，其中最早将其应用到实际上的是英国的LivepoolUniversity和日本的TokyoMercantileMarineUniversity；美、英、德也紧随其后将他们的船舶避碰专家系统应用到了实际中。进入21世纪后，SouthamptonUniversity在观察记录目标船的距离、方位等变化特点的基础上，通过判定船舶碰撞危险度的方法得出避碰决策。尽管这种方法还不太成熟，特别是它没有充分地结合船舶驾驶员的习惯操作和《规则》的规定，但它为我们研究船舶避碰开辟了一个新的研究思路。最近一些年，船舶的智能避碰系统是研究的主方向。长期以来，国内外相关领域的研究人员虽然致力于从人工智能、专家系统等方面研究，但从整体上看，目前国际上在这方面的研究并没怎么应用到实际中，还仍算是研究室研究阶段，其研究的成果也并未全面覆盖船舶智能避碰决策领域，也就是说，可以应用到实际中的船舶智能系统还没有系统的的形成。其原因主要有：（1）在评价船舶碰撞危险度（CollisionRiskIndex，CRI）方面，往往仅考虑DCPA和TCPA这两个因素，并没有利用多因素进行有效地综合评价；（2）如今，还没有专门深入的进行船舶避碰行动各指标的重要性和它们之间的相互关系等方面研究；（3）目前，人们还没有对采取避碰行动的标准达成共识，譬如，关于船舶驾驶员何时进行避碰的问题上，有的用船舶领域的一些标准来确定，有的以确保两船间最小安全驶过距离为标准，还有的是以一定的碰撞危险度阈值、到达会遇点的时间或两船之间的距离为标准；（4）在多船避碰的研究上，目前多数的研究均是在以本船为避让船的基础上进行的，并没有怎么研究本船不是避让船而是直航船时，若避让船没有按照《规则》进行避让操作，本船要在何时采取什么样避碰措施；（5）在研究避碰系统时，如今的研究都是以本船与目标船拥有相同认知为前提进行的，几乎没怎么考虑到若是此前提不存在会对船舶避碰决策造成什么样的影响。2自动避碰系统的组成2.1系统组成船舶自动避让系统可通过信息收集、数据处理和行动决策三个主要部分组成，其具体的组成见图1。图1：系统的组成2.2系统流程船舶的自动避让系统应具有在大范围内的快速自组织和自适应能力，面对复杂的环境和任务能够随机应变。该系统的工作流程是：AIS采集来船的相关航行动态数据、ARPA雷达对本船周边环境的危险目标探测到的有关数据和电子海图等设备提供的相关航行环境数据，都送到态势评估部分进行检测与分析，然后不同的信息格式转化成相应统一的格式，任务所涉及区域的相关信息映射到特征模板（同于电子海图系统中的矢量文件）上，由特征模板提供一个完整的外部环境。模糊数学模型将对相关信息数据进行计算，然后由船舶自动避让系统根据本船的操纵性能、外围环境的影响因素，结合《1972年国际海上避碰规则》（简称《避碰规则》）的相关规定等实际情况对船舶会遇态势作出决策，最终指令船舶操纵系统实施有效的避让行动。3自动避碰信息采集系统介绍3.1ECDIS应用系统ECDIS是指符合有关国际标准的船用电子海图系统。它以计算机为核心，连接定位、测深、雷达等设备，以ENC为基础，综合反映船舶行驶状态，为船舶驾驶人员提供各种信息查询、量算和航海记录专门工具，是一种专题地理信息系统（GIS）。根据IMO决议A.817（19）ECDIS的性能标准和国内外文献中关于ECDIS的资料，ECDIS的应用系统应当满足以下这些要求：（1）ECDIS应用系统的界面设计应当符合人的使用习惯，具备系统登录、注销、管理日志等功能，方便人的操作；（2）ECDIS不仅要能将符合S-57的ENC信息完全的显示出来，还要能将航线管理和航路监控等辅助航行的信息显示出来；（3）ECDIS应用系统要能完成海图的基本操作，如海图的漫游，缩放，旋转，快速拼接显示等等；（4）ECDIS应用系统要具备航线管理、航路监控、显示船位等等功能，以减少航海人员的工作量，其中关于航线管理方面要能够在计划航线上任意地增加，移动，删除航路点；（5）ECDIS应用系统要具备记忆前面12小时的航行细节的能力，并且以1min的频率记录本船使用官方的数据和航迹，以便在需要的时候可以随时查看；（6）ECDIS应用系统要能以不同于其它普通等深线显示的方式将本船的安全等深线表现出来；（7）ECDIS要允许ENC改正数据的手工输入，并且在进行核对后，以不同于官方ECDIS数据显示的形式将其显示出来；（8）ECDIS应用系统在碰到事故和遭遇危险时要能给出报警提示；（9）ECDIS可以在不影响任何设备传输性能和其本身功能的情况下，与各种导航传感器连接，并显示相应的导航信息。为了迎合上述需要，ECDIS应用系统要包括以下七大功能模块，具体如图2所示。图2ECDIS应用系统结构图3.2AIS系统船载自动识别系统是不需要人工介入的无线电通信系统，它能够借助VHF广播来接收或发送船舶的动态信息和静态信息等，自动地实现船-岸、船-船通信，它是国际海事组织、国际航标协会、国际电信联盟等几个国际组织共同的研究成果。只要船舶中使用了AIS，就可以将本船的动态信息如船位、航速、航向，静态信息如呼号、船名等周期性的通过VHF发送出去而不需要有船舶驾驶员的帮助。AIS在海上接收和发送数据信息的范围一般为20nmile左右，这主要取决于天线高度。AIS系统可以分为信息采集部分（数据转换）、信息显示模块（人机交换内容显示）、信息处理模块（AIS的核心部分）、通讯模块（VHF收发机）等四部分。具体如图3所示。图3AIS系统结构图（1）信息处理模块：该模块主要用于处理船舶信息。它可以将本船的所有静态、动态和航行信息储存下来并将这些信息以一定的通用规则编码后送至通信接口并向外传送出去；它还可以接收本船周围的它船的静态信息如MMSI、船名，动态信息如它船位置、航向、航速，以及与航行相关的信息如船舶目的港、吃水等等，并将这些信息进行解码、储存起来，连同本船的数据信息一起传给信息显示模块。（2）信息显示模块：是用于人机交流的设备，它可以将本船和它船的一些航行信息和航行数据显示出来，还可以对AIS自身实施监控。为了提高AIS的可操作性和易操作性，在实际中使用的时候，往往将其和ECDIS、雷达等系统结合起来，最终显示在一个终端上。（3）通讯模块：受控于AIS的核心部分——信息处理模块。它能够自动地借助于带宽为25KHz的CH87B、CH88B两个国际专用频段接收和发送合乎规定的船舶的动态、静态、航行信息数据。AIS系统为了能够完全满足数据通信的需要往往要包含4台VHF发射机，VHF发射机在CH87B和CH88B两个频段上交替工作。（4）信息采集模块：用来接收一些来自传感器的信息，例如：本船的经纬度、航向、航速等等。其中，本船的经纬度由GPS提供，本船的对地航向由罗经提供，本船的船速由计程仪提供。这些传感器通常是通过RS232或者是RS485/422通讯接口与AIS相连。AIS具有以下优点：（1）AIS属于无线电通信设备，它无需人为操作便可自动地实现船-岸、船-船间的通信；（2）AIS的短消息联系机制可以减少VHF的呼叫流量；（3）AIS能够实时地、自动地监测本船周围同样配备AIS的船舶，帮助船舶驾驶员进行瞭望及避碰；（4）AIS能够很快地搜寻到遇难船舶，这便为海上救援和搜寻工作提供了很大的便利；（5）AIS能够自动的将本船和它船的数据信息存储起来，这为一段时间后的查询和分析提供了很大的方便；（6）AIS为船员减轻了工作强度，缓解了他们的工作压力，并在一定程度上避免了人为的工作失误。AIS的使用，加快了相关领域专家学者研究船舶自动避碰决策系统的步伐，推动了船舶海上航行安全研究的向前发展，对自动化、信息化、智能化的技术在航海领域上的应用具有深远的意义与影响。3.3ARPA简介ARPA能人工或自动捕捉目标，捕获后自动跟踪目标并以矢量形式在显示器屏幕上显示目标的航向和航速。另外，由操作者设定最近会遇距离（CPA）和到达最近会遇距离的时间（TCPA）的允许界限，当处理电路计算出目标的最近会遇距离和到达最近会遇距离的时间小于所设定的允许界限时，会自动以各种方式（视觉或音响）报警，提醒驾驶员采取避让措施。4总结语：随着国际航运和造船技术的发展，世界海运量迅速扩大,船舶呈大型化、高速化趋势发展，海域通航状况更为复杂，船舶操纵难度也日益增加。提高船舶运输的安全性和经济性尤为重要,这引起了航运技术的变革,促进了船舶自动化技术的发展，船舶自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，而船舶自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这也是21世纪国际船舶自动化技术发展总趋势。参考文献[1]通讯员：许润润记者：耿挺“船舶自动驾驶提高安全航行”上海科技报/2013年/1月/9日/第A01版[2]张一鸣基于AIS的船舶自动避碰系统对VTS利用价值的研究[3]郑道昌船舶航行自动避让的研究—船舶自动避让系统的组成及相关数据的处理[4]周江华.郑道昌船舶航行自动避让研究--船舶自动避让系统的危险度评价[期刊论文][5]黄建设，陈三川.航海技术的新发展.航海技术，2002[6]INTERNATIONALSTANDARDIEC61174InternationalElectroTechnicalCommission．SecondEditi