淺談航跡控制系統（TCS）設計

王志恩 蘇珍莉

摘? ? 要：本文收集各國船級社對航跡控制系統的配置要求，介紹航跡控制系統的組成配置、接口設計、功能要求、系統報警及系統設計中需要注意的事項，分析航跡控制系統未來的發展前景。

關鍵詞：TCS;自動舵;電子海圖

中圖分類號：U666.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper mainly collects the configuration requirements of various classification societies for the track control system， introduces the composition and configuration of the track control system， interface design， functional requirements， system alarm and discusses the relevant matters needing attention in the system design， and analyzes the future development prospect of the track control system.

Key words： TCS;? Autopilot;? ECDIS

1? ? 前言

隨著船舶自動化、智能化水平的不斷提高，人們對安全便捷的駕駛方式的需求日益增大，使得航跡控制系統（簡稱TCS）也越來越受到船東們的重視。

航跡控制系統（TCS）是集合船位數據、航向數據、海圖、氣象、雷達和航速等信息，在各種狀態和船舶操縱性受到一定限制的條件下，使船舶自動保持在預先計劃的對地航線上航行的系統。

根據SOLAS公約（2014）要求：所有1萬總噸及以上的船舶，應設有1套首向或航跡控制系統，用于自動控制和保持首向或直線航跡。

十幾年前的自動化操舵系統，都是選擇首向信號加上自動操舵儀來滿足該項要求。但隨著船舶自動化、智能化水平的不斷提高，加上人工成本的上漲，船東開始追求船舶自動航行控制，減少人員的配置及減少人為操作失誤帶來的損失，因此不少船東要求在自動舵的基礎上增加航跡控制系統。

各大船級社在其一人橋樓入級規范的相關要求中，也明確了關于TCS的配置要求，其中挪威船級社和法國船級社更是明確要求TCS要滿足Category C要求。

海上安全委員會第69屆會議通過的決議MSC74（69），關于TCS性能標準的建議案，明確了TCS要達到的性能標準;IEC也相應頒布了IEC62065：2002 TCS的檢驗標準及2014的修改補充。

2? ?系統的組成

TCS主要由電子海圖（ECDIS）系統（包括：電子海圖處理器、鍵盤、軌跡球和電源裝置等）和自動舵系統（包括：自動舵操舵儀、操舵控制箱、反饋裝置等）組成，同時還需配置滿足規范要求的TCS報警裝置。圖1為某船的航跡控制系統的組成框圖。

從圖1可以看出：首向、船位、航速、風速、雷達、氣象等數據需要由相關傳感器發送至電子海圖和自動舵。

表1為某船的TCS外部接口示意表。

3? ?系統的功能

根據MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS的啟動至少需要有船位數據、航向數據、航速信息，以獲取船舶的操縱權。

TCS工作模式有兩種：一種是操縱船舶從當前船位到單一預設航路點;另一種是操縱船舶從當前船位沿一序列預設航路點（即航跡）航行。

TCS操縱流程為：首先船員在電子海圖上進行單一航路點或航跡設置，并將自動舵設置為TCS模式;由電子海圖系統接收首向信號、船位、航速、風速、風向等外部信息，計算出當前航跡與預定航跡之間的偏差;再通過電子海圖處理器內部計算需要調整的首向方向，然后由電子海圖向自動舵系統發出調整首向的信號，由自動舵控制舵機完成轉向動作，從而實現控制船舶沿既定航跡自動航行的目的。

根據IEC頒布的IEC62065：2002航跡控制系統檢驗標準，TCS可以分為3個不同級別：Category A、Category B、Category C。

（1）Category A：為單一直航跡或多段不帶轉彎的分航跡。簡言之，就是在一條直線上做航跡控制，航跡上不存在拐點;如需實施轉向，則必須通過手動切換至手動操舵模式。圖2為Category A航跡示意圖。

（2）Category B：在完全滿足Category A 的基礎上，可實現多個航跡點之間帶人工輔助的轉彎。即航跡上可以存在拐點，實現折線航跡，但在拐點處的轉彎仍需要人工輔助，且拐彎需基于預設好的拐彎半徑或轉向速率;當船舶航行至預設的拐彎半徑點處時會有報警提示，需要船員輔助轉彎。圖3為Category B航跡示意圖。

（3）Category C：在完全滿足Category A 的基礎上，可以實現多個航跡點之間的全自動導航，即在拐點處的拐彎全自動完成，無需人工輔助;由電子海圖系統通過各輸入參數（如首向、船位、航速、風向、風速等）進行計算并將轉向信息發送至自動舵，由自動舵調整舵角實現平滑拐彎;同時，系統會對船舶當前航跡與預定航跡之間的偏差進行實時監測，如超出預設值會發出警報。圖4為Category C航跡示意圖。

4? ?系統報警設計

為保證航行安全，根據MSC74.（69）ANNEX 2的要求，TCS需要對下列情況進行自動報警：

（1）失電報警;

（2）船位監測報警：當船位偏差超出預設的范圍時，發出報警;

（3）航向監測報警：當航向偏差超出超出預設的范圍時，發出報警;

（4）傳感器失效報警：當發覺系統所使用的定位信號或首向信號發生丟失或處于報警時，發出報警，并為用戶提供安全操縱模式的指導;當值船員在30s內未確認失效和報警狀態，向后備駕駛員發出警報。該報警建議接入橋樓值班報警系統，以便通過橋樓值班報警系統向船長、大副、二副等發出報警信號;

（5）交叉航跡報警：當實際船位偏離航線超出預定的交叉航跡限值時，發出報警;

（6）偏航報警：當實際航向與航跡方向的偏差超過預設限值時，發出報警。

（7）低速報警：當航速低于預設限值時，發出報警。

5? ? 系統設計注意事項

（1）TCS有一定的適用范圍，并不是所有的船都適合配置該系統。根據MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS適用于航速從最小操縱速度增加至30kn和船舶最大轉彎速率不大于10°/s，對于航速太高的船舶并不適用;

（2）TCS主要是基于電子海圖和自動舵系統，為保證航行安全，需要電子海圖和自動舵聯合設計、共同取證。在TCS證書上會注明該套系統的TCS類別，標明配套的電子海圖和自動舵的廠家及型號。船級社要求必須提供相關TCS證書才允許安裝;

（3）TCS需要采集各輸入參數（如：首向、船位、航速、風向、風速等）進行計算，因此系統間的接口問題尤為重要。在系統設計時，需要協商好各系統間的接口信號，包括接口格式和通信協議，可參照表1。

6? ?系統的未來發展

對于長距離的遠洋船舶來說，TCS可以大大減輕船員的負擔，也減少由于人為操作失誤導致的事故。

隨著船舶自動化、智能化發展的趨勢，單純的TCS功能已不能滿足船東多元化業務的需求。目前不少廠家已經開始在TCS功能上加入遠程遙控功能，由船公司對船舶航線進行遠程控制，甚至可以利用聯網平臺在陸上實現各船隊的遠程調度，實時監控各航線上的船舶航行情況并實時調整。

智能船舶、無人船的興起，進一步推動了TCS的發展。《智能船舶規范》提出航路設計和優化，即根據船舶所具有的技術條件和性能、特定的航行任務、吃水情況、貨物特點和船期計劃等，充分考慮風、浪、流、涌等因素，在保證船舶、人員和貨物安全的條件下，設計和優化航路、航速，使燃料消耗最低，并在整個航行期間不斷優化。因此在可預見的未來，航跡控制會往智能化、自主航行和自主學習的方向不斷發展。

參考文獻

[1] IMO.ANNEX 2-Recommendation on Performance Standards for Track Control?Systems. MSC.74 （69）， 1998.

[2] LR. Rules and Regulations for the Classification of Ship. 2017.

[3] Maritime navigation and radio communication equipment and systems –??Track control systems – Operational and performance requirements， methods?of testing and required test results， IEC 62065. 2014.

[4] 中國船級社. 智能船舶規范[S]. 2015.