新的航海技術(shù)對(duì)船舶避碰自動(dòng)化產(chǎn)生的影響

李樹寬

摘 要：針對(duì)目前航海領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和主要發(fā)展目標(biāo)——航海自動(dòng)化，在介紹其構(gòu)成、功能和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)其決定性因素——船舶避碰自動(dòng)化進(jìn)行深入分析，提出AIS和海圖信息數(shù)字化兩項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用對(duì)船舶避碰自動(dòng)化帶來的積極影響，旨在為其它新技術(shù)更好的應(yīng)用提供理論依據(jù)，有效解決避碰自動(dòng)化方面的問題，促進(jìn)航海自動(dòng)化更好發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航海自動(dòng)化;船舶避碰;避碰自動(dòng)化;新航海技術(shù)

0 引言

船舶碰撞事故除了會(huì)造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成很大污染。通過對(duì)碰撞事故產(chǎn)生原因的調(diào)查，有八成以上的事故是因?yàn)槿藶橐蛩禺a(chǎn)生的。船員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則，在思想上沒有形成較高的意識(shí)是導(dǎo)致船舶碰撞事故發(fā)生的主要原因之一，船位校核不及時(shí)、對(duì)航路的安排不合理、判斷錯(cuò)誤與值班人員擅離職守則是導(dǎo)致船舶擱淺觸礁的主要原因。要想從根本上減少人為因素的影響，可從兩個(gè)途徑入手，其一，加強(qiáng)對(duì)船員的教育培訓(xùn)和管理，提高船員責(zé)任感與業(yè)務(wù)素質(zhì);其二，提高船舶系統(tǒng)自動(dòng)化水平，使航海過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展推動(dòng)作用下，船員不再長時(shí)間從事航海已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。航海是十分艱苦的工作，工作環(huán)境與條件十分復(fù)雜，這使船員有極大的流動(dòng)性，根據(jù)相關(guān)院校的生源情況，在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，生源很少，絕大多數(shù)學(xué)生都不愿意選擇航海專業(yè)，更沒有學(xué)習(xí)愿意把航海作為自己的終身職業(yè)。在這種情況下，難免出現(xiàn)船員的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)專業(yè)技術(shù)的掌握不夠全面和嫻熟的問題。因此，必須提高船舶系統(tǒng)自動(dòng)化水平，盡可能減少人員參與，減少船員的實(shí)際工作量，并實(shí)現(xiàn)避碰自動(dòng)化目標(biāo)，降低船舶碰撞事故發(fā)生幾率。

1 航海自動(dòng)化

伴隨自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等不斷發(fā)展，目前的船舶自動(dòng)化已經(jīng)完成了四個(gè)階段的發(fā)展，正向著智能化的方向發(fā)展。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船舶系統(tǒng)而言，其自動(dòng)化主要包含三部分內(nèi)容，即航海、機(jī)艙與船體，在這三部分當(dāng)中，航海的自動(dòng)化是關(guān)鍵所在[1]。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

在功能實(shí)現(xiàn)方面，航海自動(dòng)化包含幾個(gè)組成部分：（1）航線編制;（2）航向自動(dòng)控制;（3）自動(dòng)定位;（4）自動(dòng)避碰;（5）綜合航行管理。

航線編制主要任務(wù)在于以運(yùn)輸任務(wù)及船舶的實(shí)際情況為依據(jù)，結(jié)合環(huán)境條件進(jìn)行航線的編制，選出一條最為經(jīng)濟(jì)和安全的航線，將其作為船舶的自動(dòng)控制重要參考;對(duì)航向的自動(dòng)控制是指通過自動(dòng)控制使船舶始終沿計(jì)劃確定的航線進(jìn)行航行;自動(dòng)定位是指對(duì)船位進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)且實(shí)時(shí)的定位，并保證定位結(jié)果的準(zhǔn)確性;自動(dòng)避碰是指防止船舶之間發(fā)生碰撞和擱淺觸礁。對(duì)于綜合航行管理，它將各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)際輸入作為依據(jù)，通過必要的試驗(yàn)和分析、對(duì)比，給出能使船舶始終保持經(jīng)濟(jì)與安全航行的決策，同時(shí)將傳輸至操船機(jī)構(gòu)，對(duì)這一決策予以嚴(yán)格實(shí)施，利用顯示器，能將航行信息實(shí)時(shí)顯示出來，為操縱人員的操作提供必要參考[2]。

1.2 研究現(xiàn)狀

航海自動(dòng)化起源于航海技術(shù)的自動(dòng)化;上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)并使用了數(shù)據(jù)駕駛臺(tái)，到八十年代中期，伴隨智能化船舶理論研究日益深入，出現(xiàn)了集成駕駛臺(tái)，由ATLAS研發(fā)的NACOS55-2是此類駕駛臺(tái)的代表產(chǎn)品，它利用咨詢終端與計(jì)劃對(duì)航行計(jì)劃進(jìn)行輸入（也可完成航線設(shè)計(jì)），然后采用TRACKPILOT以羅經(jīng)及計(jì)程儀層獲取的參數(shù)為依據(jù)，對(duì)船舶進(jìn)行自動(dòng)駕駛，使其始終沿規(guī)劃好的航線進(jìn)行航行;如果船舶航行時(shí)會(huì)遇到來船，則系統(tǒng)能以船運(yùn)動(dòng)要素為依據(jù)，實(shí)施危險(xiǎn)判斷與報(bào)警，幫助駕駛員采取有效避碰措施[3];如果船舶的航行嚴(yán)重偏離航線或與障礙物之間的距離越來越近，則系統(tǒng)能以預(yù)定閾值為依據(jù)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員隨時(shí)注意并采取有效措施;另外，在航行過程中產(chǎn)生的所有航行信息都能通過顯示器獲取，或在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中進(jìn)行檢索查詢。通過上述分析可知，在向系統(tǒng)中輸入航線之后，在相對(duì)較寬的水域條件下，采用NACOS55-2能良好的進(jìn)行自動(dòng)航行，而在會(huì)受到水域限制和有來船的情況下，采用NACOS55-2可以發(fā)出報(bào)警，此時(shí)操作人員只需要提出決策和進(jìn)行必要的操作。由此可見，在航線確定后，對(duì)航海自動(dòng)化有較大影響的因素是避碰系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2 避碰自動(dòng)化

為區(qū)分船舶之間的碰撞與船舶擱淺觸礁，一般將避免船舶之間發(fā)生碰撞的系統(tǒng)稱作避碰系統(tǒng)，將避免船舶擱淺觸礁的系統(tǒng)稱作避礁系統(tǒng)，但這是不可分割的整體，必須對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧才能保證船舶始終安全航行，所以嚴(yán)格意義上的避碰是同時(shí)避免船舶之間發(fā)生碰撞與擱淺觸礁[4]。

2.1 現(xiàn)狀分析

船舶的自動(dòng)避碰涉及到很多內(nèi)容，如對(duì)水上和水下相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)采集和處理、根據(jù)避碰信息處理結(jié)果生成決策，并對(duì)生成的決策進(jìn)行自動(dòng)實(shí)施。由于該系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)重要組成部分，所以決策的實(shí)施可以采用操船系統(tǒng)進(jìn)行[5]。

近幾年研究的重點(diǎn)為在寬度較大水域條件下的碰壁信息采集處理和決策生成，其中，對(duì)于信息采集與處理，主要是對(duì)避碰信息進(jìn)行量化，包括運(yùn)動(dòng)要素與安全判據(jù)，以此對(duì)碰撞的危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià);而在決策生成方面，可使用很多方法，如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家智能與多種方法的相互結(jié)合。根據(jù)相關(guān)研究成果，人為因素是導(dǎo)致碰撞和擱淺觸礁的首要原因，據(jù)此，若每一名操作人員都能嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則，并盡職盡責(zé)，則能有效避免事故發(fā)生。單純依靠人力無法從根本上解決這方面問題，而根據(jù)相關(guān)研究成果，采用將專家智能技術(shù)作為核心的研究方法，能很好的解決這一實(shí)際問題。目前，通過對(duì)專家系統(tǒng)和人工智能的應(yīng)用，已經(jīng)有效解決了開闊水域條件下船舶自動(dòng)避碰方面的問題[6]。

2.2 存在問題

從上述分析可知，盡管寬水域條件下的自動(dòng)避讓已經(jīng)得到了解決，但在性能上還需要進(jìn)行完善;受限水域條件下的自動(dòng)避碰還沒有得到深入和廣泛的分析，其主要原因?yàn)閷?duì)信息源進(jìn)行的探測(cè)和探測(cè)結(jié)果可靠性方面的問題還沒有得到有效解決。信息獲取長時(shí)間以來都采用導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行，但船用導(dǎo)航雷達(dá)自身具有很大的局限性，無法保證信息獲取可靠性高，成為影響自動(dòng)化發(fā)展的主要瓶頸。針對(duì)這方面問題，在八十年代提出了水中雷達(dá)技術(shù)，借助這項(xiàng)技術(shù)能確定航行過程中船舶與水下障礙物之間的距離，然后以要求的安全水深為依據(jù)進(jìn)行危險(xiǎn)的判斷和報(bào)警。但它的探測(cè)距離很小，只有1000m左右，所以在當(dāng)前并未得到廣泛應(yīng)用。

3 航海新技術(shù)

為有效保證航行安全，近幾年，相繼提出了一系列新技術(shù)，如GPS、ECDIS、GMDSS等，以上技術(shù)被航海領(lǐng)域的專業(yè)人士稱作九十年代的航海三大件。在此之后又提出了AIS與VDR，極大的推動(dòng)了自動(dòng)避碰的研究和發(fā)展。

3.1 AIS

通過研究可知，船舶之間和船與岸之間的信息交互對(duì)航行安全保障有重要作用，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了現(xiàn)有通信導(dǎo)航存在的不足，在這種情況下，AIS應(yīng)運(yùn)而生。AIS（Automatic Identification System，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)），AIS不僅信息量巨大，而且可繞開障礙進(jìn)行信息傳輸，受天氣因素的影響較小，然而，由于AIS能提供很多額外的信息，所以值班人員會(huì)面臨到信息過載的問題，對(duì)避碰有重要影響的信息，目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)卻需要雷達(dá)來獲取;另外，AIS還可能從產(chǎn)生出錯(cuò)誤的信息，不僅隨機(jī)產(chǎn)生，而且還沒有檢錯(cuò)方式，需要依靠人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷和分析。AIS的合理應(yīng)用能有效保證海上船舶與生命的安全，并能提高航行效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的有效保護(hù)，其功能主要包括幾點(diǎn)：（1）對(duì)船只進(jìn)行識(shí)別;（2）協(xié)助追蹤目標(biāo);（3）簡(jiǎn)化信息交流;（4）提供輔助信息，防止碰撞的發(fā)生[7]。

根據(jù)以上特點(diǎn)可知，AIS的優(yōu)點(diǎn)能解決雷達(dá)具有的局限性，但因?yàn)榇嬖诤芏嗳秉c(diǎn)而且并非每個(gè)船舶或漂浮物都具備安裝AIS的條件，所以AIS并不能完全替代雷達(dá)，僅僅可以作為一種獲取動(dòng)態(tài)信息的傳感器，通過對(duì)其所提供的的各項(xiàng)信息的利用，能為導(dǎo)航雷達(dá)提供輔助信息支持，保證信息可靠性與科學(xué)性。另外，AIS還能向其它船舶發(fā)送本船所采取的避讓措施，也就是在生成避讓決策以后，利用AIS將必然參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送出去，使同樣安裝有AIS的其它船舶明確本船意圖，以此實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)配合，保證避讓順利進(jìn)行，避免事故的發(fā)生[8]。

通過上述分析可知，船舶自動(dòng)避碰對(duì)AIS的應(yīng)用能發(fā)揮出兩項(xiàng)作用：（1）保證信息可靠性與科學(xué)性;（2）為避碰意圖傳輸提供必要的通信工具。

3.2 海圖信息數(shù)字化

通過相關(guān)專家和學(xué)者的多年努力，寬水域條件下的自動(dòng)避碰問題已經(jīng)得到解決，取得了相應(yīng)的初步成果，為整個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用及研究打下了良好基礎(chǔ)，而受限水域條件下的自動(dòng)避讓卻沒有得到解決。要想解決這一問題，需從兩個(gè)方面入手：（1）獲取足夠的靜態(tài)信息;（2）對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

在靜態(tài)信息獲取方面，八十年代提出了可采用探測(cè)聲吶技術(shù)對(duì)水下危險(xiǎn)物進(jìn)行探測(cè)，雖然可行，但有效探測(cè)距離較小，無法承擔(dān)實(shí)際探測(cè)任務(wù)。到了九十年代之后，海圖信息數(shù)字化得到快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲吶探測(cè)與電子海圖的充分結(jié)合，成為靜態(tài)信息提供重要方式;把避讓決策的功能模塊嵌入至ECDIS當(dāng)中，由ECDIS對(duì)動(dòng)態(tài)信息實(shí)際交換與處理進(jìn)行分析研究，這是解決以上第二方面問題的有效途徑。通過以上分析可以看出，在自動(dòng)避碰方面，ECDIS的應(yīng)用能為系統(tǒng)提供充足、可靠且有效的靜態(tài)信息，并能為動(dòng)靜信息之間的結(jié)合提供可靠的媒介。

4 結(jié)語

綜上所述，航行安全要求不斷提高推動(dòng)了自動(dòng)化研究實(shí)際發(fā)展，但盡管如此，航海自動(dòng)化方面的問題還沒有得到完全且有效的解決。避碰自動(dòng)化是限制航海自動(dòng)化發(fā)展的主要客觀因素，但通過對(duì)各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用能為自動(dòng)避碰創(chuàng)造良好條件，同時(shí)帶來全新突破。為保證航行安全性和海洋清潔性，在新時(shí)期做好航海自動(dòng)化是必然趨勢(shì)，而想要實(shí)現(xiàn)航海自動(dòng)化的前提是做好避讓自動(dòng)化的研究，利用新技術(shù)來解決各方面問題。

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