摘 要： 在分析了各因素對船舶碰撞危險(xiǎn)度影響情況后,，系統(tǒng)簡化了計(jì)算,，使其在嵌入式系統(tǒng)中可用，且僅對危機(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)際測試發(fā)現(xiàn)，由于航道上船舶數(shù)量很多,，在整個(gè)航行過程中很大一部分時(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,，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,。
由于本終端通過嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),，運(yùn)算能力較低，計(jì)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(yùn)行,。因此需要通過一種簡單有效的計(jì)算方法得出一個(gè)較為可靠的評價(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(xiǎn)度的主要因素,。一般情況下,，在分析DCPA對船舶碰撞危險(xiǎn)度的影響時(shí)，不能與TCPA分開,。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,，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,。通過大量的實(shí)際觀測和調(diào)查問卷統(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)船的相對舷角
船舶會(huì)遇是海上最常見的船舶交會(huì)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(dòng)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(huì)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(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。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(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)可以增加對方避讓的效果，同時(shí)也增加對方的滿意度,。
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(huì)遇時(shí)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(huì)遇距離(DCPA)和最近會(huì)遇時(shí)間(TCPA)為參數(shù),，給出來船與本船構(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)勢時(shí)的碰撞危險(xiǎn)度,。通過設(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)算不能過于復(fù)雜，本實(shí)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(bào)本船獲取的GPS信息,，同時(shí)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(jì)算以及隨之帶來的誤差，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。
通過實(shí)際測試,，在4小時(shí)的航行過程中,，原來的系統(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)過程中僅提醒10次,，且大部分為中途?？看a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)
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