船舶操縱模擬器的危險(xiǎn)性評(píng)估與預(yù)報(bào)

張一鳴

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引 言

船舶操縱模擬器在船舶駕駛培訓(xùn)、海事分析、航道規(guī)劃設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為通航安全性評(píng)估提供了技術(shù)支持。在船舶通航危險(xiǎn)性評(píng)估中，要對(duì)各項(xiàng)船舶操作和航行狀況進(jìn)行模擬，具體分析在不同航道中本船與目標(biāo)船存在碰撞的可能性，及時(shí)評(píng)估航行水域是否會(huì)發(fā)生事故危險(xiǎn)，進(jìn)而發(fā)布預(yù)報(bào)，警示船舶操縱者調(diào)整航行方案，規(guī)避碰撞、擱淺等風(fēng)險(xiǎn)。

1 船舶操縱模擬器與危險(xiǎn)性評(píng)估

1.1 船舶操縱模擬器

船舶操縱模擬器在電子海圖上能夠清晰顯示船舶動(dòng)態(tài)圖形，對(duì)航行狀態(tài)下的操縱運(yùn)動(dòng)模擬記錄下來(lái)，評(píng)估船舶航行存在的危險(xiǎn)性，并進(jìn)行預(yù)報(bào)。操縱模擬器可以滿足多種類型的船舶航行危險(xiǎn)性評(píng)估需求，如散貨船、郵輪、客船、集裝箱船等，同時(shí)支持多種模擬環(huán)境選擇，包括通航環(huán)境、航道工程、港口碼頭等，其系統(tǒng)框架如圖1 所示。該系統(tǒng)配置大屏幕環(huán)形投影設(shè)備，水平視場(chǎng)角為270°，系統(tǒng)可以對(duì)副本船平面投影，方便本船利用電子海圖掌握碰撞危險(xiǎn)性信號(hào)。

圖1 船舶操縱模擬器系統(tǒng)的組織框架圖Fig.1 Organization framework of ship maneuvering simulator system

1.2 危險(xiǎn)性評(píng)估

在船舶操縱模擬器危險(xiǎn)性評(píng)估中，要建立起操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)定速航行、加速航行、減速航行、淺水下操縱、風(fēng)流影響下操縱等多種航行條件進(jìn)行模擬，同時(shí)還要考慮兩船相遇受到浪、風(fēng)作用后能夠產(chǎn)生的船體運(yùn)動(dòng)軌跡變化。危險(xiǎn)性評(píng)估要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，擬定設(shè)計(jì)評(píng)估方案，在操縱模擬器中模擬船舶航行的安全保障措施，記錄模擬數(shù)據(jù)，包括模擬環(huán)境數(shù)據(jù)、操縱者指令、船舶運(yùn)動(dòng)信息等，之后再利用航跡數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)疊加處理，用圖形展示航跡，作出合理的危險(xiǎn)性評(píng)估判斷。危險(xiǎn)性評(píng)估需要假設(shè)分析條件，在操縱模擬器中設(shè)置風(fēng)流、船舶滿載、船舶調(diào)頭、航道航行速度、目標(biāo)船舶、試驗(yàn)工況等多項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)模擬試驗(yàn)情況，得出危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果，對(duì)船舶航行提出安全操縱措施建議，如控制航速、航道單向管制、不得停靠其他船舶等措施。

2 船舶操縱模擬器的危險(xiǎn)性評(píng)估與預(yù)報(bào)

2.1 寬水域航行碰撞危險(xiǎn)性評(píng)估與預(yù)報(bào)

在無(wú)障礙物、水深足夠的寬水域航行條件下，船舶航行無(wú)需考慮擱淺、觸礁等危險(xiǎn)，只需考慮是否會(huì)出現(xiàn)多船碰撞的可能性。船舶操縱模擬器可以自動(dòng)評(píng)價(jià)本船6 nmile 范圍內(nèi)的其他船舶，評(píng)估船舶碰撞的危險(xiǎn)性，為船舶避讓提前做出預(yù)報(bào)。在寬水域航行中，船舶會(huì)遇領(lǐng)域分為危險(xiǎn)領(lǐng)域（RD）、安全會(huì)遇領(lǐng)域（SD）、動(dòng)界領(lǐng)域（AD），3 種領(lǐng)域如圖2 所示。

圖2 寬水域航行狀態(tài)下船舶會(huì)遇領(lǐng)域劃分Fig.2 Division of areas encountered by ships under wide water navigation

根據(jù)圖2 可知，在會(huì)遇領(lǐng)域劃分中需要考慮到航區(qū)能見(jiàn)度、海上風(fēng)浪、通航密度、船舶操縱性、水深、避碰規(guī)則等因素，這些因素都是動(dòng)態(tài)變化的，需要操縱模擬器給出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。為簡(jiǎn)化操縱模擬器的模型，令任一舷角的RD，SD，AD 值為固定值，具體劃分為用戶設(shè)定與系統(tǒng)默認(rèn)形式。當(dāng)多目標(biāo)船可能與本船會(huì)遇的情況下，RD，SD，AD 值會(huì)發(fā)生變化，分為本船追目標(biāo)船、目標(biāo)船追本船以及其他情況。在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，綜合分析各項(xiàng)影響因素，根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)確定DCPA 和TCPA 的變化值，當(dāng)操縱模擬器判斷本船不能安全航行通過(guò)指定區(qū)域時(shí)，及時(shí)發(fā)揮出危險(xiǎn)性預(yù)報(bào)。當(dāng)目標(biāo)船舶接近本船時(shí)，DCPA 的評(píng)價(jià)模型為：

式中：為本船與目標(biāo)船舶的相對(duì)速度；為相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離，根據(jù)和能夠評(píng)估出船舶碰撞的危險(xiǎn)性，判斷的標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：u為目標(biāo)船舶在會(huì)遇的情況下與本船存在的碰撞危險(xiǎn)性。當(dāng)u=1 時(shí)，表明碰撞發(fā)生，操縱訓(xùn)練需停止；當(dāng)u=0 時(shí)，表明不會(huì)發(fā)生碰撞，或者已經(jīng)解除碰撞風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)本船處于安全航行狀態(tài)；當(dāng)u為非0 和非1 的其他值時(shí)，表明本船處于除上述2 種情況之外的其他情形。

在危險(xiǎn)性預(yù)報(bào)階段，根據(jù)危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果及時(shí)預(yù)報(bào)避讓行動(dòng)，具體包括：目標(biāo)船舶自由行動(dòng)6 n mile 以上，無(wú)需采取避讓操作；目標(biāo)船舶距離本船3～6 n mile，發(fā)出及早采取行動(dòng)預(yù)報(bào)；目標(biāo)船舶距離本船3～2 n mile，發(fā)出采取行動(dòng)預(yù)報(bào)；目標(biāo)船舶距離本船2 n mile 以內(nèi)，發(fā)出采取避碰行動(dòng)預(yù)報(bào)。

2.2 狹水道航行擱淺危險(xiǎn)性評(píng)估與預(yù)報(bào)

狹水道是指受到水域限制，航行中存在礁石、淺灘等障礙物的狹長(zhǎng)水道，此類型水道具備水深淺變化大、形態(tài)彎曲、船只多、障礙物多等特點(diǎn)，船舶在此處航行易發(fā)生危險(xiǎn)性事件。在全面考慮本船航速、航向、航行條件等因素的情況下，采用擱淺危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)算法對(duì)船舶航行存在的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估和預(yù)報(bào)。當(dāng)危險(xiǎn)性評(píng)估取值為0 時(shí)，表明船舶不會(huì)發(fā)生擱淺事件。當(dāng)危險(xiǎn)性評(píng)估取值為1 時(shí)，表明船舶必然會(huì)發(fā)生擱淺事件。當(dāng)危險(xiǎn)性評(píng)估取值介乎于0～1 時(shí)，表明船舶發(fā)生擱淺事件的可能性高低。船舶操作模擬器能夠自動(dòng)記錄擱淺危險(xiǎn)性評(píng)估信息，用于評(píng)價(jià)船舶的航行操縱水平。狹水道分為直航道、曲航道兩大類型，根據(jù)點(diǎn)到直線距離的不同，還可以將直航道細(xì)分為3 種不同的類型，左中右航道的危險(xiǎn)性指數(shù)分布曲線如圖3所示。

圖3 狹水道中左中右航道的危險(xiǎn)性指數(shù)分布曲線Fig.3 Distribution curve of risk index of left,middle and right waterway in narrow waterway

在直航道中，按照航道中線劃分為左航道和右航道，船舶航行方向?yàn)楹降乐芯€。當(dāng)船舶航行在右航道上時(shí)，用D表示航道中線到船舶中心的垂直距離；當(dāng)船舶航行在左航道時(shí)，用表示航道中線到船舶中心的垂直距離；如果D==0，那么表示船舶航行在航道中線上；用V表示船舶沿著D航行的速度分量，用表示船舶沿著航行的速度分量；當(dāng)V和均為負(fù)數(shù)時(shí)，表明船舶偏離左航道或右航道，即船舶擱淺的危險(xiǎn)性降低；當(dāng)V和均大于0 時(shí)，表明船舶向左航道或右航道靠近，即船舶擱淺的危險(xiǎn)性增大，需及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)性預(yù)報(bào)。

2.3 狹水道航行碰撞危險(xiǎn)性評(píng)估與預(yù)報(bào)

當(dāng)船舶在狹水道上通行時(shí)，受航行水域過(guò)于狹窄的影響，增加了船舶與船舶之間的避讓失敗風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致狹水道航行碰撞危險(xiǎn)性增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查資料顯示，狹水道是船舶碰撞事故最多的區(qū)域，部分狹水道寬度僅幾百米，在風(fēng)力作用下，大型船舶在與小船相遇時(shí)，可能會(huì)突然竄到小船航道，增加碰撞危險(xiǎn)性。所以，加強(qiáng)對(duì)狹水道船舶碰撞危險(xiǎn)性評(píng)估顯得尤為重要。在評(píng)估狹水道碰撞危險(xiǎn)性時(shí)，需考慮船舶長(zhǎng)度、航行速度和駕駛員操作能力等因素。本文引入球場(chǎng)式船舶領(lǐng)域分析方法，判斷碰撞危險(xiǎn)性高低。共分為以下3 個(gè)領(lǐng)域：危險(xiǎn)領(lǐng)域，當(dāng)本船各舷角目標(biāo)臨界小于船尾180°舷角上的分布時(shí)，表明存在較高的碰撞危險(xiǎn)性；安全領(lǐng)域，當(dāng)本船各舷角的安全會(huì)遇距離分布在船尾180°舷角上時(shí)，表明船舶在安全區(qū)域航行；動(dòng)界領(lǐng)域，該領(lǐng)域是為保證危險(xiǎn)領(lǐng)域中船舶不會(huì)發(fā)生碰撞事件而設(shè)置的特定安全會(huì)遇領(lǐng)域。當(dāng)本船遇到大型目標(biāo)船時(shí)，狹水道船舶碰撞危險(xiǎn)性分析會(huì)按照目標(biāo)船船頭、船尾與本船船頭、船尾可能發(fā)生的會(huì)遇勢(shì)態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

為驗(yàn)證船舶操作模擬器對(duì)危險(xiǎn)性評(píng)估和預(yù)報(bào)的有效性，構(gòu)建仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。系統(tǒng)具備創(chuàng)建航行區(qū)域、轉(zhuǎn)換參數(shù)處理、控制船舶運(yùn)用、評(píng)價(jià)碰撞危險(xiǎn)性、評(píng)價(jià)擱淺危險(xiǎn)性等功能。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為寬水域和狹水道，直航道的長(zhǎng)度為3 704 m，走向?yàn)?00°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無(wú)限水深；直航道的長(zhǎng)度為3 704 m，走向?yàn)?45/225°，彎曲度為45°，寬度為141 m，無(wú)限水深；直航道的長(zhǎng)度為3 704 m，走向?yàn)?90/270°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無(wú)限水深。

本船船長(zhǎng)260 m，船寬43 m。目標(biāo)船共4 艘，船長(zhǎng)211 m，船寬32 m。船舶采樣周期均為0.5 s，每間隔3 s 評(píng)估船舶碰撞或擱淺危險(xiǎn)性。船舶運(yùn)動(dòng)控制部分用于對(duì)操縱參數(shù)、船位解算進(jìn)行處理，當(dāng)在狹水道環(huán)境下實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)新船位暫定虛擬船位。當(dāng)船速為2.6 m/s，加速度為0.02 m/s時(shí)，滿舵狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首角速度為0.007 rad/s，舵角為15°的轉(zhuǎn)首角速度為0.005 rad/s，舵角為5°的轉(zhuǎn)首角速度為0.001 rad/s。啟動(dòng)船舶操縱模擬器進(jìn)行參數(shù)配置，啟動(dòng)流程如圖4 所示。評(píng)價(jià)模塊可供選擇，配置ED，SD，AD 參數(shù)，配置后點(diǎn)擊運(yùn)行程序。

圖4 船舶操作模擬器評(píng)價(jià)模塊參數(shù)配置啟動(dòng)流程圖Fig.4 Startup flow chart of parameter configuration of ship operation simulator evaluation module

3.2 模擬驗(yàn)證結(jié)果

船舶操縱模擬器的仿真驗(yàn)證結(jié)果如下：

在寬水域航行中，船舶操縱模擬器評(píng)估碰撞危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果如圖5 所示。在全速狀態(tài)下，遇到1 艘目標(biāo)船，在左舷前方交叉，（collision）最小值為0，最大值為0.47，平均值為0.32。從圖5 可以看出，前段航行無(wú)危險(xiǎn)度，目標(biāo)船距離本船較遠(yuǎn)，當(dāng)目標(biāo)船接近后，本船的危險(xiǎn)性增大；本船與目標(biāo)船橫向相遇時(shí)，危險(xiǎn)性評(píng)估值最大，之后出現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)估值下降，表明兩船碰撞危險(xiǎn)性減小，直到無(wú)危險(xiǎn)性。

圖5 寬水域航行本船與1 艘目標(biāo)船碰撞的危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果Fig.5 Risk assessment results of collision between the ship and one target ship when sailing in wide waters

在寬水域航行中，寬水域航行本船與3 艘目標(biāo)船碰撞的危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果如圖6 所示。歸一化運(yùn)算后，（collision）最小值為0，最大值為0.64，平均值為0.43。可以判斷初始階段的航行未出現(xiàn)危險(xiǎn)性，當(dāng)多船相遇后出現(xiàn)危險(xiǎn)性值曲線起伏變動(dòng)，相遇過(guò)后危險(xiǎn)性評(píng)估為0。

圖6 寬水域航行本船與3 艘目標(biāo)船碰撞的危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果Fig.6 Risk assessment results of collision between the ship and three target ships when sailing in wide waters

在狹水道航行中，船1 與船2 目標(biāo)船碰撞危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，（collision）最小值為0，最大值為0.44，平均值為0.28。船舶從初始階段距離目標(biāo)船舶1.7 nmile之外的區(qū)域危險(xiǎn)性較小，當(dāng)船舶相互接近時(shí)，碰撞危險(xiǎn)性增加，兩船相遇之后，碰撞危險(xiǎn)性降低，順利通過(guò)狹水道之后危險(xiǎn)性降至0。

在狹水道航行中，本船可能會(huì)交叉相遇目標(biāo)船。（Grounding）最小值為0.10，最大值為0.75，平均值為0.57。船舶從初始階段開(kāi)始存在一定危險(xiǎn)性，當(dāng)船舶舵角左轉(zhuǎn)調(diào)整到10°后，通航的危險(xiǎn)性評(píng)估值也隨之下降。當(dāng)船舶改到左航道后，危險(xiǎn)性陡然升高，達(dá)到峰值，之后在船舶靠近航道中線后危險(xiǎn)性下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶操縱模擬器是檢驗(yàn)船舶通航環(huán)境安全性的重要技術(shù)，也是培訓(xùn)船舶駕駛員的重要工具。在使用船舶操縱模擬器時(shí)，要對(duì)各種海況和通航環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，輸入相關(guān)參數(shù)，生成電子海圖，顯示船舶動(dòng)態(tài)圖形，進(jìn)而對(duì)船舶通航環(huán)境是否存在碰撞、擱淺等事故進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)判斷船舶航行的危險(xiǎn)性，準(zhǔn)確作出通航環(huán)境安全性評(píng)價(jià)。