船舶非航道航行避碰時(shí)機(jī)研究

秦 可 肖亮希 劉劍平

（1.東海海巡執(zhí)法總隊(duì)，上海 200000；2.洋山港海事局，上海 200000）

0 引 言

國(guó)際海上避碰規(guī)則第八條（避免碰撞的行動(dòng)）各款規(guī)定了船舶在任何能見度情況下行動(dòng)規(guī)則，但無論是第1、2、4款，對(duì)船舶避免碰撞的行動(dòng)僅僅提供了原則性的規(guī)定，船舶駕駛?cè)藛T無法根據(jù)規(guī)則確定具體的避碰時(shí)機(jī)。船舶避碰時(shí)機(jī)受多種因素影響，隨當(dāng)時(shí)具體環(huán)境而變，規(guī)則不可能給出確定、具體的避碰行動(dòng)方法與方案，也不可能給出具體的量化規(guī)定[1]。

航海界專家學(xué)者從不同的研究角度確認(rèn)船舶避碰決策模型。鄭忠義教授和吳兆麟教授[2]通過對(duì)我國(guó)船長(zhǎng)及駕駛員進(jìn)行問卷調(diào)查，利用統(tǒng)計(jì)分析方法得到采取避碰行動(dòng)可能性模糊函數(shù)，由此確認(rèn)了船舶采取避碰行動(dòng)時(shí)兩船的距離；文獻(xiàn)[3]運(yùn)用模糊推理方法綜合考慮了DCPA、TCPA等因素，然后將各因素對(duì)船舶避碰危險(xiǎn)的隸屬度和影響權(quán)重帶入避碰綜合評(píng)價(jià)公式；李世友[4]通過機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)船舶避碰決策。

由于避碰時(shí)機(jī)的決策不僅與兩船的相對(duì)狀態(tài)有關(guān)，還與本船的航行領(lǐng)域、駕駛員的水平相關(guān)[5]。本文在模糊評(píng)判的基礎(chǔ)上加入了基于主觀的船舶碰撞危險(xiǎn)度系數(shù)，建立了確定船舶避碰行動(dòng)時(shí)機(jī)的評(píng)判模型，使得評(píng)價(jià)體系與實(shí)際情況更符合。

1 問題描述

國(guó)際海上避碰規(guī)則第八條第1款要求船舶如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可，為避免碰撞所采取的行動(dòng)應(yīng)是積極、及早的，其中“早”便是對(duì)采取避讓行動(dòng)的時(shí)機(jī)提出要求。就船舶采取避讓行動(dòng)而言，受到當(dāng)時(shí)氣象、交通密度、船速、船舶本身的操縱性能及駕駛員等因素的限制，即使在航行條件良好的開闊水域，船舶避碰時(shí)機(jī)并非越早越好[6]。本文在已知來船航向、航速、方位等信息下，本船作為讓路船確定一個(gè)合適的避碰時(shí)機(jī)（采取避碰行動(dòng)的距離）。

2 評(píng)判矩陣的建立

綜合評(píng)判是對(duì)多種影響因素和決定事物的綜合分析，在綜合評(píng)判問題中通常帶有一定程度的模糊性，所以應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法最適合，模糊綜合評(píng)判法與實(shí)際中人處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行決策時(shí)的思維方式非常相似，是對(duì)人腦思考過程的重現(xiàn)。

2.1 因素集和評(píng)判結(jié)果集

影響船舶避讓時(shí)機(jī)的因素主要有：來船舷角、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、船速比、船舶大小、航行水域狀況、船舶密度和氣象條件等。

設(shè)U和L是兩個(gè)有限的論域：

其中，U為評(píng)判因素集，即影響船舶采取最佳避碰時(shí)機(jī)的因素集，L為評(píng)判結(jié)果集，即船舶采取避碰時(shí)機(jī)可能的取值。

U的定義為：U1為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的評(píng)判向量，U2為來船舷角的評(píng)判向量，U3為船速比的評(píng)判向量，U4為船舶密度的評(píng)判向量，U5為航行水域狀況的評(píng)判向量，U6為氣象條件的評(píng)判向量，U7為船舶尺度的評(píng)判向量。

L的定義為：L1=1,L2=2,L3=3,L4=4,L5=5,L的單位為海里。

2.2 建立評(píng)判矩陣

對(duì)單一評(píng)價(jià)因素Ui的評(píng)價(jià)結(jié)果可用L上的一個(gè)模糊集(Ui1/L1,Ui2/L2,Ui3/L3,Ui4/L4,Ui5/L5)表示，其中

式1中i=1，2，……，7；j=1，2，……，5，得到最佳避碰時(shí)機(jī)評(píng)價(jià)矩陣E:

采用專家評(píng)判方法確定確定各評(píng)判因素集U：

U1的確定

相對(duì)速度(V01)越大避讓船舶越應(yīng)該提前行動(dòng)，得到評(píng)價(jià)向量：

當(dāng) 0 kn ≤ V01＜5 kn 時(shí)，U1=（0.8，0.2，0，0，0）

當(dāng) 5 kn ≤ V01＜15 kn 時(shí)，U1=（0.4，0.3，0.2，0，0）

當(dāng) 15 kn ≤ V01＜25 kn 時(shí)，U1=（0.2，0.6，0.2，0.1，0）

當(dāng) 25 kn ≤ V01＜35 kn 時(shí)，U1=（0，0.2，0.6，0.2，0）

當(dāng) 35 kn ≤ V01＜45 kn 時(shí)，U1=（0，0，0.2，0.3，0.5）

當(dāng) 45 kn ≤ V01時(shí)，U1=（0，0，0，0.2，0.8）

U2的確定

相對(duì)方位(Q)對(duì)避碰時(shí)機(jī)的影響：前方大于后方，右舷大于左舷。得到的評(píng)價(jià)向量為：

當(dāng) -10°≤ Q＜10°時(shí)，U2=（0，0，0.1，0.3，0.6）

當(dāng) 10°≤ Q＜60°時(shí)，U2=（0.1，0.2，0.3，0.3，0.1）

當(dāng) 60°≤ Q＜112°時(shí)，U2=（0,1，0.2，0.4，0.2，0.1）

當(dāng) 112°≤ Q＜248°時(shí)，U2=（0.5，0.4，0.1，0，0）

當(dāng) 248°≤ Q＜270°時(shí)，U2=（0.1，0.4，0.4，0.1，0）

當(dāng) 270°≤ Q＜250°時(shí)，U2=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

U3的確定

避讓時(shí)機(jī)隨船速比（Kv=V0/V1）增大而延遲，根據(jù)專家打分得到船速比的評(píng)價(jià)向量：

當(dāng) Kv＜0.8 時(shí)，U3=（0，0，0.1，0.3，0.6）

當(dāng) 0.8 ≤ Kv＜1.2 時(shí)，U3=（0，0.2，0.6，0.2，0）

當(dāng) 1.2 ≤ Kv時(shí)，U3=（0.6，0.2，0.2，0，0）

U4的確定

避讓時(shí)機(jī)隨船舶密度（ρ）的增大而延遲，評(píng)價(jià)向量為：

當(dāng)船舶密度小時(shí)，U4=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

當(dāng)船舶密度一般時(shí)，U4=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

當(dāng)船舶密度大時(shí)，U4=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

U5的確定

避讓時(shí)機(jī)隨可航水域的增大而提前，評(píng)價(jià)向量為：

在開闊水域，U5=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

一般水域時(shí)，U5=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

狹窄水域時(shí)，U5=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

U6的確定

避讓時(shí)機(jī)隨氣象條件的變壞而提前，氣象條件包括風(fēng)浪及能見度情況，得到評(píng)價(jià)向量：

氣象條件好時(shí)，U6=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

氣象條件一般時(shí)，U6=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

氣象條件差時(shí)，U6=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

U7的確定

避讓時(shí)機(jī)隨船舶尺度（L）的增大而提前，評(píng)價(jià)向量為：

當(dāng) L＜50m 時(shí)，U7=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

當(dāng)50m≤L＜100m時(shí)，U7=（0.1，0.3，0.3，0.2，0.1）

當(dāng)100m≤L＜250m時(shí)，U7=（0.1，0.2，0.3，0.3，0.1）

當(dāng)250m≤L時(shí)，U7=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

在實(shí)際避碰局面中，本船根據(jù)以上7個(gè)影響因素選取適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)向量，組成評(píng)價(jià)向量E。

2.3 避碰時(shí)機(jī)綜合評(píng)價(jià)模型

各評(píng)判因素權(quán)重用向量X表示，X=(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7)，在確定避碰時(shí)機(jī)中重點(diǎn)因素是相對(duì)方位、相對(duì)速度和船速比，根據(jù)專家評(píng)價(jià)得到各評(píng)判因素的權(quán)重：X=(0.2, 0.4, 0.15, 0.1, 0.05, 0.05, 0.05)

評(píng)價(jià)結(jié)果為：Y=X·E。在模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算中計(jì)算方式有很多種，為避免信息的丟失本文中采用加權(quán)平均型模糊算子。根據(jù)最大隸屬度法反模糊化，得到避碰時(shí)機(jī)（距離）YL。

3 基于船舶主觀碰撞危險(xiǎn)度的避碰距離

為了避免以往在模糊評(píng)判中對(duì)本船操縱性、人員操縱水平的忽略，本文采取一種基于主觀的船舶碰撞危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型。

3.1 船舶碰撞危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型

首先定義一個(gè)以船舶重心為圓心的船舶領(lǐng)域安全距離圈R，然后根據(jù)船舶操縱性能及駕駛員操縱水平來確定本船安全水域范圍，一旦來船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線進(jìn)入本船的安全領(lǐng)域即表示其對(duì)本船造成危害，隨著航行環(huán)境的變化船舶安全距離圈的大小也不同[7]。

如圖1所示的會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，通過AIS數(shù)據(jù)讀取可以得到兩船的DCPA和TCPA，考慮到DCPA和TCPA的量綱不同，采用如下方式計(jì)算本船的碰撞危險(xiǎn)度

圖1 船舶相對(duì)位置示意圖

式中R0為本船的安全距離圈半徑；T0為主觀上決定采取避讓措施的最晚施舵時(shí)間，兩者根據(jù)船舶大小，操縱性及駕駛員的經(jīng)驗(yàn)、操作技術(shù)等取的定值；D表示兩船最近的會(huì)遇距離(DCPA)；T表示兩船最近的會(huì)遇時(shí)間(TCPA)；當(dāng)R0-D和T0-T中有一個(gè)小于或等于0時(shí)，即認(rèn)為危險(xiǎn)度為零，船舶暫且不需要采取避碰行動(dòng)。對(duì)于確定的安全狀態(tài)，ρ值為0，隨著ρ值的增大船舶碰撞危險(xiǎn)度增加。

3.2 避碰距離修正

根據(jù)兩船避碰狀態(tài)的不同修正避碰時(shí)機(jī)。

當(dāng)來船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線過本船重心時(shí)ρ=1，船舶最佳采取避碰時(shí)機(jī)為：l=YL

當(dāng)來船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線與本船的避讓方向同側(cè)形成碰撞危險(xiǎn)時(shí)，船舶最佳采取避碰時(shí)機(jī)為：l=(2-ρ)YL

當(dāng)來船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線與本船的避讓方向異側(cè)形成碰撞危險(xiǎn)時(shí)，船舶最佳采取避碰時(shí)機(jī)為：l=ρ·YL

4 算例分析

設(shè)本船的速度V0=13 kn，航向C0=0000，目標(biāo)船的速度和航向?yàn)閂1=19 kn，C1=2400，目標(biāo)船的方位B=0320，距離D=6.0海里，本船船長(zhǎng)L=189 m，天氣良好、水域開闊、船舶密度小。

根據(jù)數(shù)據(jù)得到與目標(biāo)船的相對(duì)速度V01=27.9 kn，相對(duì)方位Q=0320，船速比Kv=0.68，最近會(huì)遇距離DCPA=0.5,最近會(huì)遇時(shí)間TCPA=12.9 min。

于是得到評(píng)價(jià)矩陣E為:

將X與E帶入Y=X·E式中，得到評(píng)判結(jié)果Y=（0.1，0.39，0.27，0.235，0.15）,由最大隸屬度原則第二種決策比較理想，即YL=2 nm。根據(jù)碰撞模型得到船舶避碰危險(xiǎn)度ρ=0.75（R0=2 nm,T0=15 min）。

由圖知來船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線與本船的避讓方向同側(cè)，所以將ρ帶入l=（2-ρ）式，得到最佳采取避碰距離l=(2-0.75)*2=2.5海里。

專家評(píng)判意見為：2-3海里；2海里左右；2海里；1-3海里，2-3海里。結(jié)果表明模糊評(píng)判確定的避碰時(shí)機(jī)與專家意見基本一致，本文構(gòu)造的船舶避碰時(shí)機(jī)的度量方法是可行的。

5 結(jié) 語

本文采用模糊評(píng)判對(duì)于影響船舶避碰時(shí)機(jī)的因素分析研究，并在此基礎(chǔ)上加入了船舶主觀碰撞危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，從而建立模糊評(píng)價(jià)矩陣模型。此模型通過加入船舶主觀情況，彌補(bǔ)了以往評(píng)價(jià)體系中僅僅考慮船舶相對(duì)的狀況，使得評(píng)價(jià)模型更加貼切、合理。通過對(duì)船舶實(shí)際情況的分析計(jì)算，表明各因素對(duì)避碰時(shí)機(jī)的影響采用模糊評(píng)判方法是可行的，該模型為船舶避碰提供可量化的參考。

圖2 船舶相對(duì)位置示意圖