基于船舶碰撞危險(xiǎn)度的內(nèi)河船舶避碰決策研究

劉東

（山東省濟(jì)寧市交通運(yùn)輸綜合執(zhí)法支隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著水上交通的增長(zhǎng)，內(nèi)河航道的航行環(huán)境變得更加復(fù)雜和擁擠，船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加（如圖1）。航道的水位變化、寬度、通航密度和水深的季節(jié)性變化，以及跨江大橋的增多，都加大了船舶的安全操控難度。降低船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)已成為航運(yùn)安全的重要挑戰(zhàn)。本文應(yīng)用時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度（TCPA）和空間碰撞危險(xiǎn)度（DCPT）評(píng)估內(nèi)河船舶的碰撞危險(xiǎn)，并優(yōu)化碰撞危險(xiǎn)度算法，快速準(zhǔn)確地計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度。進(jìn)一步建立船舶自動(dòng)避碰決策模型，旨在降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)、提高航運(yùn)效率。

圖1 長(zhǎng)江入海口附近海域通航情況

1 船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)階段劃分

內(nèi)河航行的船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)可分為對(duì)遇（F）、交叉相遇（A、B、E）和追越（C、D），如圖2 所示。

圖2 基于相對(duì)方位角劃分的船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)

《內(nèi)河避碰規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則”)中對(duì)于“直航船的行動(dòng)”的會(huì)遇局面劃分為以下四個(gè)局面：自由行動(dòng)、形成碰撞危險(xiǎn)、形成緊迫局面、形成緊迫危險(xiǎn)，如表1 所示。

表1 船舶會(huì)遇過(guò)程中的碰撞階段劃分

在船舶相遇過(guò)程中，兩船的交會(huì)情況不一定遵循預(yù)定序列。在特定情境下，可能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫o迫或高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)合。船員需迅速評(píng)估交會(huì)態(tài)勢(shì)，并制定合理的避障策略，以最大限度地降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

2 碰撞幾何原理

在"規(guī)則"中，“碰撞危險(xiǎn)”一詞未被明確定義。船舶碰撞危險(xiǎn)的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)是兩船相遇時(shí)的最近會(huì)遇距離(DCPA)和到達(dá)最近會(huì)遇距離所需的時(shí)間(TCPA)。通常情況下，當(dāng)DCPA 低于安全會(huì)遇距離且TCPA 較短時(shí)，應(yīng)認(rèn)為存在碰撞危險(xiǎn)。船舶碰撞危險(xiǎn)度(CRICollision Risk Index)是衡量船舶碰撞可能性大小的量，表示船舶之間不存在碰撞危險(xiǎn)，CRI=1,表明兩船不可避免碰撞，CRI 介于兩者之間時(shí)，兩船結(jié)合實(shí)際情況采取適合的避碰行動(dòng)，具體見(jiàn)圖3。

圖3 船舶碰撞危險(xiǎn)度曲線

2.1 船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

內(nèi)河航行的互見(jiàn)船舶在會(huì)遇中，設(shè)本船的地理坐標(biāo)為（x0，y0），船船速v0、航向C0，目標(biāo)船的地理坐標(biāo)為（x1，y1），船航速v1、航向C1，兩船距離為D，目標(biāo)船的相對(duì)方位為T(mén)r，船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖4 所示。

圖4 船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

參考文獻(xiàn)[1]，根據(jù)兩船的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，算得兩船DCPA 和TCPA 如下：

其中，r 為兩船相對(duì)速度vr的方向，T 為目標(biāo)船真方位。

2.2 本船改向后的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

兩船會(huì)遇，我船作為讓路船，進(jìn)行避碰操縱時(shí)，目標(biāo)船保向保速航行，我船只要采取轉(zhuǎn)向操作，船舶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)時(shí)刻發(fā)生改變。船舶的DCPA，TCPA 的數(shù)值也會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于船舶采取的操作措施，應(yīng)該有效地使得船舶的DCPA 或TCPA 有所增加，使船舶免于碰撞。船舶在采取轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)向后船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

總之，在船舶避碰決策中，首要任務(wù)是對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以準(zhǔn)確判斷船舶的當(dāng)前狀態(tài)和未來(lái)可能的動(dòng)作。該決策應(yīng)綜合考慮船舶的速度、航向、尺寸、轉(zhuǎn)向性能，以及相對(duì)航向、相對(duì)速度、最近會(huì)遇點(diǎn)、海況和環(huán)境因素。避碰行動(dòng)需要遵守“規(guī)則”，并結(jié)合動(dòng)態(tài)路徑預(yù)測(cè)和船舶間的通信進(jìn)行調(diào)整。高級(jí)的避碰決策還可能利用數(shù)學(xué)模型和算法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)路徑并做出更準(zhǔn)確的決策。

3 船舶碰撞危險(xiǎn)度及模型建立

船舶碰撞危險(xiǎn)度的概念尚未在學(xué)術(shù)界得到嚴(yán)格的定義，部分原因是其模糊性和不確定性特性。雖然海事法庭在案件處理中對(duì)兩船碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行了定性解釋，但這仍然不足以闡明碰撞危險(xiǎn)度的概念。自1983 年日本學(xué)者今津隼馬首次對(duì)碰撞危險(xiǎn)度進(jìn)行研究以來(lái)，學(xué)者們提出了多種碰撞危險(xiǎn)度的計(jì)算方法，其中包括DCPA 和TCPA 加權(quán)法、模糊評(píng)價(jià)法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本研究采用DCPA 和TCPA 加權(quán)法[2]對(duì)碰撞危險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度(TCR-Time Collision Risk)和空間碰撞危險(xiǎn)度(SCR-Space Collision Risk)構(gòu)建了相應(yīng)的碰撞危險(xiǎn)度模型[3]。

3.1 時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度(TCR)

TCR 定義如下：存在碰撞危險(xiǎn)會(huì)遇兩船中的一船駛近到其最晚施舵點(diǎn)的時(shí)間上的緊迫程度，設(shè)船舶從采取措施時(shí)的位置到最晚施舵點(diǎn)處的時(shí)間為t1，船舶安全通過(guò)時(shí)間為t2，TCR 的大小是通過(guò)t1、t2和TCPA 的關(guān)系來(lái)確定的。若TCPA 小于t1，則TCR=1，兩船必然碰撞，若TCPA 大于t2，則TCR=0，兩船不存在碰撞危險(xiǎn)，通常APRA 的量程為12 n mile，兩船的距離在12n mile 以上時(shí)，認(rèn)為在時(shí)間上不存在碰撞危險(xiǎn)。TCR＞0 時(shí)，表明他船還未駛過(guò)最近會(huì)遇點(diǎn)，TCR＜0 時(shí)，表明他船已駛過(guò)最近會(huì)遇點(diǎn)，令時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度的隸屬度函數(shù)為utt。

DLMA 表示船舶的最晚施舵距離。即當(dāng)船舶駛近到即使本船轉(zhuǎn)向90°時(shí)，也不能避免碰撞的距離。DLMADCPA為最晚施舵點(diǎn)處船舶的DCPA 值，DLMA 的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

3.2 空間碰撞危險(xiǎn)度(SCR)

空間碰撞危險(xiǎn)度(SCR-Space Collision Risk）的定義是：兩船存在碰撞危險(xiǎn)的情況下，其中一船基于以下幾個(gè)主要指標(biāo)來(lái)確定兩船發(fā)生碰撞的可能性大小：他船的初始最近會(huì)遇距離、初始最近會(huì)遇距離點(diǎn)的方位、他船相對(duì)于本船的相對(duì)方位以及兩船的最低安全會(huì)遇距離。這些指標(biāo)綜合反映了船舶之間的空間關(guān)系和碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度。船舶的安全會(huì)遇距離為d1，船舶安全通過(guò)距離為d2，SCR 的大小通過(guò)d1、d2和DCPA 的關(guān)系來(lái)確定，當(dāng)本船與他船的初始會(huì)遇距離小于船舶安全會(huì)遇距離時(shí)，SCR=1，兩船不管怎樣采取措施都不可避免碰撞，當(dāng)本船與他船初始會(huì)遇距離大于安全通過(guò)距離時(shí)，SCR=0，說(shuō)明兩船不存在碰撞危險(xiǎn)，若時(shí)，SCR的取值范圍隨著DCPA 的取值變化，令空間碰撞危險(xiǎn)度的隸屬度函數(shù)為udt。

3.3 船舶碰撞危險(xiǎn)度模型

利用時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度和空間碰撞危險(xiǎn)度計(jì)算船舶碰撞危險(xiǎn)度，其模型如下:

在船舶避讓操作中，核心目標(biāo)是確保SCR 和TCR的數(shù)值低于安全閾值。低于閾值即意味著避讓行動(dòng)是有效的，且兩船能夠安全地避讓對(duì)方。

4 船舶自動(dòng)避碰決策

內(nèi)河船舶的自動(dòng)避碰決策是一個(gè)復(fù)雜的流程，其過(guò)程基于“規(guī)則”和良好的船藝，通過(guò)利用機(jī)器替代駕駛員進(jìn)行決策，它涉及通過(guò)船載設(shè)備收集和處理關(guān)于船舶自身、周?chē)昂铜h(huán)境的信息[5]，評(píng)估碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，制定和實(shí)施合適的避碰策略，內(nèi)河船舶自動(dòng)避碰決策流程是結(jié)合“規(guī)則”、專家有關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上,模仿專家采取行動(dòng)的過(guò)程[6]。具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)階段：航跡保持階段、避碰階段、和復(fù)航階段。此外，人為因素在船舶碰撞事故中起著至關(guān)重要的作用。自動(dòng)避碰決策流程可描述為圖6，該流程主要包括：

圖6 船舶自動(dòng)避碰決策流程圖

（1）在航跡保持階段，船舶需實(shí)時(shí)評(píng)估與其他船的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判斷潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如有碰撞危險(xiǎn)，轉(zhuǎn)入避碰階段采取措施；若無(wú)，繼續(xù)按原航線航行。

（2）實(shí)施避讓措施后，需判斷本船與他船是否避免了碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如已避免，避碰結(jié)束；如未避免，繼續(xù)避碰行動(dòng)。

（3）在復(fù)航階段，需持續(xù)評(píng)估與他船的相對(duì)狀況，判斷潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如有碰撞危險(xiǎn)，中斷復(fù)航，重新進(jìn)入避碰；若無(wú)，繼續(xù)復(fù)航至原航線。

圖6 展示了避碰決策流程，船舶自動(dòng)避碰決策體系涵蓋了信息采集、信息處理、碰撞危險(xiǎn)度確認(rèn)、避讓措施選擇、復(fù)航時(shí)機(jī)和應(yīng)急預(yù)案等環(huán)節(jié)，可全面模擬實(shí)際海上情況，確保船舶安全行駛。

在內(nèi)河中，船舶的有效避讓方式主要有三種：僅依靠轉(zhuǎn)向、僅依靠變速、以及轉(zhuǎn)向和變速的結(jié)合。當(dāng)兩船在內(nèi)河中相遇存在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)該按照如圖7 所示的流程尋求本船的有效避讓行動(dòng)方案：

圖7 有效避讓行動(dòng)方案流程

在圖7 中，我們根據(jù)本船和他船的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及《內(nèi)河避碰規(guī)則》判斷本船在會(huì)遇中是直航船還是讓路船。若本船是直航船且他船已采取有效避讓行動(dòng)，本船應(yīng)保持航向和航速不變。若本船是讓路船或他船未采取有效避讓行動(dòng)，需要制定本船的避讓方案。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶避碰決策是避碰理論的核心和難點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化至關(guān)重要。通過(guò)使用碰撞危險(xiǎn)度指標(biāo)，可以構(gòu)建自動(dòng)避碰模型。根據(jù)碰撞危險(xiǎn)度的程度，駕駛員能采取相應(yīng)的避碰行動(dòng)。利用TCPA 和DCPA 的相對(duì)隸屬度函數(shù)，可以計(jì)算碰撞危險(xiǎn)度。基于自動(dòng)避碰流程，能建立自動(dòng)避碰決策模型，并確定避碰行動(dòng)的時(shí)機(jī)和幅度。