一種主觀的船舶碰撞危險(xiǎn)度評價模型

劉茹茹，胡勤友

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著航海事業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是近年來海上貿(mào)易運(yùn)輸頻繁往來，航海人員生命安全及財(cái)產(chǎn)安全的保障受到更多關(guān)注.［1］為了提高航行安全，從20世紀(jì)70 年代末開始，船舶自動避碰系統(tǒng)的研究就已經(jīng)受到國際航海學(xué)術(shù)界的高度重視，各種自動避碰方法不斷出現(xiàn)，但是船舶會遇危險(xiǎn)度的計(jì)算一直存在分歧.典型的計(jì)算模型一般只考慮最近會遇距離(Distance to Closest Point of Approach，DCPA)［2］和最近會遇時間(Time to Closest Point of Approach，TCPA)兩個因素，缺少對其他因素的綜合評價［3］，影響船舶避碰的及時性和客觀性.本文就船舶安全距離圈和最晚施舵時間的不同，建立一個新的評價模型，對同一會遇態(tài)勢下安全距離圈和最晚施舵時間都不同的兩船的碰撞危險(xiǎn)度分別作出判斷.

在有碰撞危險(xiǎn)時，大尺度的船舶所需要的避讓時間通常會更多，應(yīng)早于小尺度的船舶采取避讓措施.因此，有碰撞危險(xiǎn)時的大船需要更大的安全距離圈和更多的最晚施舵時間，更早采取避碰措施.但是當(dāng)兩船距離很近時，大船對小船又會有船吸等現(xiàn)象，小船的危險(xiǎn)度也會很大.［4］由此可知，在影響船舶碰撞危險(xiǎn)度的其他因素(如船舶設(shè)備性能、周圍環(huán)境等)［5］不變的情況下，安全距離圈大小不同、最晚施舵時間不同的船舶會遇時的危險(xiǎn)度是不一樣的.針對這種情況，本文建立一個新的危險(xiǎn)度計(jì)算模型.

1 相關(guān)研究

碰撞危險(xiǎn)度的計(jì)算有很多種方法，微觀上大致可以分為以下幾種［6］:

(1)DCPA和TCPA 加權(quán)確定方法.該方法是由KEARON 于1977 年最先提出的:

一般情況下，右舷來船a=5，b=0.5;左舷來船a=5，b=1;ρi值越小，來船越危險(xiǎn).但是SDCPA，i和tTCPA，i的單位分別是n mile和h，在相加時只計(jì)算數(shù)值而不考慮量綱顯然有問題，而且該方法所定義的碰撞危險(xiǎn)度評價值也并不能完全反映船舶的碰撞危險(xiǎn)程度.

(2)數(shù)學(xué)方法.確定船舶碰撞危險(xiǎn)度的數(shù)學(xué)方法有模糊推理和定義兩種.用模糊推理方法研究操船者在交通密集海域感覺到的碰撞危險(xiǎn)度是使用操船模擬試驗(yàn)結(jié)果［7］，以相對距離及其變化率和相對方位變化率的模糊表現(xiàn)構(gòu)造關(guān)于操船者對會遇現(xiàn)狀及碰撞危險(xiǎn)度判斷的知識，用避讓操船模型推斷此時的主觀碰撞危險(xiǎn)度.雖然船舶碰撞危險(xiǎn)度具有模糊性和隨機(jī)性，用模糊數(shù)學(xué)方法確定船舶間碰撞危險(xiǎn)度是個合適的方法，但是考慮的因素不夠全面，而且利用人這個“數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)”時會因其融合能力和融合正確性而影響結(jié)果.用定義方法確定船舶碰撞危險(xiǎn)度是直接用時間碰撞危險(xiǎn)度和空間碰撞危險(xiǎn)度的組合將碰撞危險(xiǎn)度的大小定義為

根據(jù)避碰實(shí)際，上述算子的定義是

①若udT=0，則uT=0;

②若udT≠0，utT=0，則uT=0;

③若udT≠0，utT≠0，則uT=max [udTutT]

定義中的uT是由udT和utT中較大值決定的，uT的值越大，來船越危險(xiǎn).

(3)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法.該方法將簡單的人工神經(jīng)元廣泛連接，以模擬人腦行為和功能.該方法提出用多指標(biāo)確定船舶碰撞危險(xiǎn)度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［8］，在實(shí)際計(jì)算中一般采取三指標(biāo)(即SDCPA，tTCPA及來船位于本船是左舷還是右舷，在網(wǎng)絡(luò)的輸入端將左舷來船輸入為0.1，將右舷來船輸入為0.9).但是，若該方法所依據(jù)的思想或所建立的碰撞危險(xiǎn)度模型不合適，則所得到的結(jié)果缺乏可信度.

(4)矢量解析法.在表現(xiàn)船舶碰撞各變量物理意義的基礎(chǔ)上，采用矢量解析的方法求取船舶碰撞的判斷條件.

(5)以船舶閉塞度作為碰撞危險(xiǎn)度.［9］在避讓操船中，所采取的避讓操作量的大小與避讓操船結(jié)果所殘留的危險(xiǎn)大小之間存在一種收支關(guān)系，兩者同時減少的情況是不可能出現(xiàn)的.因此，提出以閉塞度或困難度作為船舶碰撞危險(xiǎn)度.

另外，在宏觀上有著眼于避讓失敗概率的方法、著眼于不可控制概率的方法、最佳避讓操縱的方法、使用故障樹分析(FTA)的方法等.［10］

上述方法都在逐步改善中尋求更適合自動避碰決策系統(tǒng)與自動避碰決策系統(tǒng)之間的避碰及自動避碰決策系統(tǒng)與人之間的避碰［11］，但都有一定的局限性.由于決策取決于對危險(xiǎn)度的認(rèn)識和計(jì)算，安全距離圈大小不同、最晚施舵時間不同的船舶的操縱者對同一情況的認(rèn)識就會不同，感覺到的危險(xiǎn)度也不相同，作出的決策就會不相同.

2 新模型的建立

通常情況下，兩船距離越近，碰撞危險(xiǎn)度就越大.本文在以DCPA，TCPA 模型和可拓集合論確定海上船舶碰撞危險(xiǎn)度模型［12］的基礎(chǔ)上，建立一個基于不同船舶安全距離圈和最晚施舵時間的碰撞危險(xiǎn)度計(jì)算模型.先定義一個船舶安全距離圈R:以船舶的重心為圓心，根據(jù)船舶操縱經(jīng)驗(yàn)確定的半徑值固定的一個圓形水域范圍.顧名思義，一旦來船進(jìn)入本船的安全距離圈即表示其對本船有很大的危險(xiǎn)，需要采取避碰措施.航行環(huán)境不同，船舶安全距離圈的大小也不同，在狹水域的船舶安全距離圈自然要比寬水域的小.

假設(shè)兩船在開闊水域會遇，本船為較大船舶，則可根據(jù)船舶安全距離圈的定義得到兩船的安全距離圈.假設(shè)開始時本船在O 點(diǎn)，以速度VO航行;來船在P 點(diǎn)，以速度VP航行;來船進(jìn)入本船的船舶安全距離圈的位置為A;本船的安全距離圈半徑為RO;當(dāng)來船從P 點(diǎn)到達(dá)本船的船舶安全距離圈A 點(diǎn)所需時間是T.本船與來船相對位置示意圖見圖1.

圖1 本船與來船相對位置示意圖

在圖1 所示的會遇態(tài)勢下，可以得到兩船的SDCPA和tTCPA.在SDCPA和tTCPA加權(quán)方法計(jì)算的基礎(chǔ)上，考慮到SDCPA與tTCPA的量綱不同，采用一個新的關(guān)系式計(jì)算本船的碰撞危險(xiǎn)度

式中:Ro為本船的安全距離圈半徑;To為主觀上決定采取避讓措施的最晚施舵時間，兩者都是根據(jù)船舶駕駛員的經(jīng)驗(yàn)及操作技術(shù)等取的定值.當(dāng)式(1)中Ro-SDCPA和To-tTCPA中有一個的值小于0 時，即認(rèn)為危險(xiǎn)度為0.

對于來船，此時的SDCPA＞RP，故其危險(xiǎn)度ρP=0.經(jīng)過一段時間tm后，兩船的相對位置見圖2，可得到來船的碰撞危險(xiǎn)度計(jì)算公式

圖2 經(jīng)過tm后兩船的相對位置示意圖

圖2中V'o表示本船對目標(biāo)船的相對運(yùn)動速度.由tm時刻前后兩次危險(xiǎn)度計(jì)算可以看出，ρo≠ρP，所以可以得出結(jié)論:安全距離圈大小和最晚施舵時間都不同的兩船在會遇時，其碰撞危險(xiǎn)度的值不同;也就是說，船舶操縱者對碰撞危險(xiǎn)的認(rèn)識是不同的.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)本船在O 點(diǎn)，來船在P 點(diǎn)，船舶的坐標(biāo)分別為(x，y)，根據(jù)船舶操縱經(jīng)驗(yàn)取船舶安全距離圈半徑R和最晚施舵時間T，分別從兩船對遇、交叉和追越3 種態(tài)勢分析.

(1)兩船對遇態(tài)勢.設(shè)定參數(shù)見表1.

表1 兩船對遇態(tài)勢下的設(shè)定參數(shù)

由式(1)和(2)可以分別得出兩船的危險(xiǎn)度.在對遇態(tài)勢下，隨著兩船的運(yùn)動，其危險(xiǎn)度變化見圖3.

圖3 對遇態(tài)勢下兩船危險(xiǎn)度的變化

(2)兩船交叉會遇態(tài)勢1.設(shè)定參數(shù)見表2.

表2 兩船交叉會遇態(tài)勢1 下的設(shè)定參數(shù)

由式(1)和(2)可以分別得出兩船的危險(xiǎn)度.在交叉會遇態(tài)勢1 下，隨著兩船的運(yùn)動，其危險(xiǎn)度變化見圖4.

圖4 交叉會遇態(tài)勢1 下兩船危險(xiǎn)度的變化

(3)兩船交叉會遇態(tài)勢2.設(shè)定參數(shù)見表3.

表3 兩船交叉會遇態(tài)勢2 下的設(shè)定參數(shù)

由式(1)和(2)可以分別得出兩船的危險(xiǎn)度，在交叉會遇態(tài)勢2 下隨著兩船的運(yùn)動，其危險(xiǎn)度變化見圖5.

圖5 交叉會遇態(tài)勢2 下兩船危險(xiǎn)度的變化

(4)兩船追越態(tài)勢.設(shè)定參數(shù)見表4.

表4 兩船追越態(tài)勢下的設(shè)定參數(shù)

由式(1)和(2)可以分別得出兩船的危險(xiǎn)度.在追越態(tài)勢下，隨著兩船的運(yùn)動，其危險(xiǎn)度變化見圖6.

圖6 追越態(tài)勢下兩船危險(xiǎn)度變化

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:當(dāng)兩船會遇時，同一時刻安全距離圈較小、最晚施舵時間短的小船的危險(xiǎn)性較小;當(dāng)兩船保持原運(yùn)動狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)動時，小船的危險(xiǎn)度不斷增大，而安全距離圈較大、最晚施舵時間長的大船的危險(xiǎn)度開始時一直較大，當(dāng)最晚施舵時間短的小船進(jìn)入大船安全圈時，大船的危險(xiǎn)度增大為1(表示對大船來說很危險(xiǎn));當(dāng)兩船的距離很近，大船對小船的影響不可忽略時，小船的危險(xiǎn)度仍在增大，甚至增大到1(說明此刻小船也很危險(xiǎn)).整個模擬過程中，在兩船的危險(xiǎn)度沒有全部達(dá)到1 之前，安全距離圈較小、最晚施舵時間短的小船的危險(xiǎn)度始終小于安全距離圈較大、最晚施舵時間長的大船的危險(xiǎn)度.

4 結(jié)束語

用模型計(jì)算船舶碰撞危險(xiǎn)度，發(fā)現(xiàn)安全距離圈不同和最晚施舵時間不同的船舶操縱者對危險(xiǎn)度的認(rèn)識不同，這對不同的船舶根據(jù)自身對危險(xiǎn)度大小的認(rèn)識及時采取不同的避讓措施有著重要的指導(dǎo)意義.但在實(shí)際情況下，每一船舶對前方船舶的開始避讓距離要大于后方船舶的開始避讓距離，右前方的一般大于左前方的，且一般情況下船舶都位于安全距離圈中心靠后的位置，因此本系統(tǒng)把船舶安全距離圈的幾何形狀當(dāng)作一個對稱圓形距離圈來處理是有一定缺陷的.

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