賀益雄,黃立文,牟軍敏,熊勇
(1.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院,湖北武漢,430063;2.武漢理工大學(xué)內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢,430063)
以往自動(dòng)避碰研究中,行動(dòng)方案多以來(lái)船方位、航速等確定[1-2]。鄭中義[1]對(duì)局面劃分和避碰行動(dòng)進(jìn)行了研究,建立了碰撞危險(xiǎn)度模型;李麗娜等[3]基于船舶擬人智能避碰決策系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于專家系統(tǒng)原理、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多Agent技術(shù)等方法、導(dǎo)彈制導(dǎo)、機(jī)器人避碰原理等展開(kāi)了廣泛研究[4]。以往研究存在以下不足:1)對(duì)來(lái)船航向、兩船相對(duì)方位等因素考慮不足;2)未考慮會(huì)遇不同階段。階段不同應(yīng)采取行動(dòng)可能完全不同;3)對(duì)操縱性能、船型尺度等因素考慮不足;4)不完全符合《1972國(guó)際海上避碰規(guī)則》(簡(jiǎn)稱《規(guī)則》)和海員通常做法[4]。目前相關(guān)成果離應(yīng)用還有較大差距。
遠(yuǎn)洋船舶大部分時(shí)間航行于船舶密度較小、天氣較好的開(kāi)闊水域。如能在這種環(huán)境中率先實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰,對(duì)減輕船員勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人為因素對(duì)安全的影響和降低成本具有重大意義。開(kāi)闊水域中同時(shí)避讓兩艘或以上船舶的概率很低。即使需要,也是先行避讓最危險(xiǎn)船舶,再避讓其他船舶。兩船環(huán)境下自動(dòng)避碰也是多船環(huán)境下自動(dòng)避碰實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。因此良好天氣、開(kāi)闊水域中兩船相遇時(shí),確定目標(biāo)船危險(xiǎn)程度、會(huì)遇局面階段和生成自動(dòng)避碰方案是自動(dòng)避碰最終實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)《規(guī)則》,兩船在海上以交叉相遇態(tài)勢(shì)相遇直至發(fā)生碰撞可分為多個(gè)階段[5],不同階段讓路船應(yīng)采取的避碰行動(dòng)可能完全不同。航海實(shí)踐中駕駛員按《規(guī)則》、海員通常做法和本人知識(shí)、技能、經(jīng)驗(yàn)等,確定避碰行動(dòng)方案并執(zhí)行。人是智能的,可智能地判斷局面、階段并決定方案。而自動(dòng)避碰須依賴計(jì)算機(jī)完成,只有對(duì)會(huì)遇階段進(jìn)行準(zhǔn)確劃分,計(jì)算機(jī)才能判斷并生成避碰方案。各階段必須嚴(yán)格定義,使機(jī)器判斷成為可能。研究從《規(guī)則》和海員通常做法出發(fā),以MMG模型和船舶領(lǐng)域理論為基礎(chǔ),根據(jù)碰撞危險(xiǎn)、緊迫局面和緊迫危險(xiǎn)的公認(rèn)理解或定義,研究其定量模型,結(jié)合碰撞危險(xiǎn)度模型,對(duì)整個(gè)交叉相遇局面進(jìn)行階段劃分。在階段劃分基礎(chǔ)上按《規(guī)則》、海員通常做法和新研究發(fā)現(xiàn)的最有效避碰行動(dòng)方向判定模型提出交叉相遇局面讓路船各個(gè)階段自動(dòng)避碰方案。
假設(shè) 環(huán)境為天氣良好的無(wú)流開(kāi)闊水域;鑒于定速航行的大型船舶采取變速行動(dòng)來(lái)避讓他船基本是不可能的,自動(dòng)避碰方案中不考慮變速;不考慮協(xié)調(diào)避讓;來(lái)船船位、航向、航速已知;兩船構(gòu)成《規(guī)則》中所定義本船為讓路船的交叉相遇局面。
定義1 本船/來(lái)船:指交叉相遇局面中讓路船/直航船;來(lái)船方位位于本船桅燈光弧之內(nèi)并構(gòu)成最終碰撞危險(xiǎn),但不構(gòu)成對(duì)遇或追越局面。
定義2 船舶領(lǐng)域和動(dòng)界:采用文獻(xiàn)[6-7]定義;
定義3 碰撞危險(xiǎn),是指滿足以下條件局面:1)保向保速,來(lái)船最終會(huì)進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域;2)來(lái)船進(jìn)入本船桅燈可見(jiàn)范圍;3)TCS≤20 min,緊迫局面時(shí)間(time to close situation,TCS):當(dāng)前到 PCSF的時(shí)間。最終碰撞危險(xiǎn)(collision risk at last,CRAL)表示不論當(dāng)前有沒(méi)有碰撞危險(xiǎn),兩船如保向保速,將最終出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)。碰撞危險(xiǎn)形成點(diǎn)(point collision risk formed,PCRF)表示從該時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始形成碰撞危險(xiǎn)。
定義4 緊迫局面:該局面下,本船右滿舵轉(zhuǎn)向,來(lái)船亦將進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域;PCSF為一時(shí)間或位置點(diǎn),此時(shí)本船右滿舵轉(zhuǎn)向,來(lái)船將與本船船舶領(lǐng)域邊界相切。
定義5 緊迫危險(xiǎn):該局面下本船右滿舵轉(zhuǎn)向,兩船亦將碰撞。碰撞含義定為兩船重心距離小于兩船船長(zhǎng)之和一半。PIDF為本船滿舵向右轉(zhuǎn)向,兩船不碰撞的最后時(shí)間點(diǎn);緊迫危險(xiǎn)時(shí)間(time to immediate danger,TID):當(dāng)前到PIDF時(shí)間。
定義6 碰撞危險(xiǎn)度(CRI):指微觀危險(xiǎn)度[1,12],兩船位置、運(yùn)動(dòng)等關(guān)系所確定的碰撞危險(xiǎn)度量。
定義7 空間碰撞危險(xiǎn)度(SCRI)/時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度(TCRI):借鑒文獻(xiàn)[1,12]定義確定為:SCRI是會(huì)遇中船舶保向保速發(fā)生碰撞的可能性度量;TCRI是指會(huì)遇中一船按照《規(guī)則》和海員通常做法采取措施避免緊迫局面在時(shí)間上的緊迫性度量。
根據(jù)兩船在海上相遇直至發(fā)生碰撞可分為以下4 個(gè)階段[5]:
1)PCRF之前,碰撞危險(xiǎn)未形成的自由行動(dòng)階段;2)PCRF和PCSF之間,碰撞危險(xiǎn)形成但緊迫局面未形成階段;3)PCSF和PIDF之間緊迫局面形成但緊迫危險(xiǎn)未形成階段;4)PIDF之后,緊迫危險(xiǎn)至碰撞發(fā)生階段。
PCRF之前讓路船可自由行動(dòng),因此自動(dòng)避碰方案中應(yīng)選擇最有效的避讓方式;PCRF之后,《規(guī)則》15條要求讓路船避免橫越他船前方,考慮到一般船舶不會(huì)選擇向左旋回一圈的避讓方式,亦即要求讓路船向右避讓。PCSF之后,按照《規(guī)則》18條,為避免碰撞,必要時(shí)應(yīng)背離規(guī)則采取行動(dòng),讓路船應(yīng)采取最有效的避讓方式。在不考慮變速避讓時(shí),最有效的避碰方式實(shí)際上只需確定向哪舷操滿舵。
為便于計(jì)算,采用圖1所示坐標(biāo)系。大地固定坐標(biāo)系XOY:X、Y軸和方向正向指向正東、正北和向右;隨船移動(dòng)坐標(biāo)系xoy:y、x軸和方向正向指向船首、右舷和向右。兩坐標(biāo)系夾角為本船航向TC,與物標(biāo)方位TB和舷角Q有
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系:
圖1 坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system
[6-9],考慮到《規(guī)則》第 15、16條相關(guān)規(guī)定,采用偏移中心圓形船舶領(lǐng)域模型,參見(jiàn)圖2。圓心為虛擬船位置,實(shí)際船位位于虛擬船位左后方。船舶領(lǐng)域的半徑,實(shí)際船位相對(duì)于中心偏移量等參數(shù)可由船長(zhǎng)適當(dāng)選取。模擬對(duì)象為一艘7.6萬(wàn)噸級(jí)滿載散貨船,開(kāi)闊水域中半徑R取6倍船長(zhǎng),中心偏移方向199°、距離為3倍船長(zhǎng)。
圖2 采用的船舶領(lǐng)域Fig.2 Ship domain used
船舶避碰過(guò)程中縱搖、垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)研究意義不大,只需研究靜水中縱向、橫向和首搖3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。因此,本文采用MMG三自由度船舶運(yùn)動(dòng)模型:
式中各個(gè)符號(hào)的含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10-11]。船位坐標(biāo)計(jì)算基于上述模型和龍格-庫(kù)塔方法。
2.4.1 碰撞危險(xiǎn)
根據(jù)定義3,設(shè)不同時(shí)刻來(lái)船沿船舶領(lǐng)域中心方向距離船舶領(lǐng)域邊界距離為Dis(參見(jiàn)圖3):
圖3 函數(shù)Dis變量涵義Fig.3 The meaning of variables in function Dis
式(4)中D(t)表示t時(shí)刻船舶領(lǐng)域中心到來(lái)船距離。若:1)min(f(t))≥0,來(lái)船不進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域,則無(wú)CRAL。2)min(f(t))≤0,說(shuō)明來(lái)船某時(shí)刻進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域,有CRAL;若滿足TCS≤20 min且來(lái)船在本船桅燈可見(jiàn)距離內(nèi),即構(gòu)成碰撞危險(xiǎn),否則不構(gòu)成。
2.4.2 緊迫局面形成點(diǎn)(PCSF)計(jì)算模型
假設(shè)場(chǎng)景:本船保速保向至tm時(shí)刻,在tm時(shí)刻操右滿舵。從當(dāng)前局面開(kāi)始的t時(shí)刻,他船沿船舶領(lǐng)域中心方向到邊界距離為Dis,因此Dis是關(guān)于t和tm的二元函數(shù)。求PCSF就是求滿足條件的tm=:此時(shí)操右滿舵旋回,來(lái)船與本船船舶領(lǐng)域相切。即求
(Xt R,Yt R)由下式?jīng)Q定:
若t≤tm,則:
若t>tm,則:以初始條件,時(shí)間t-tm,舵角35°按方程組(3)計(jì)算。上標(biāo)t代表t時(shí)刻;下標(biāo)0代表本船、R代表來(lái)船;v代表速度,TC 代表航向;(x,y)、(X,Y)、(XR,YR)為本船、領(lǐng)域中心、來(lái)船位置。
從問(wèn)題的物理意義來(lái)看,Dis=f(t,tm)具有以下性質(zhì):
1)?t1> 0,t2> 0,tmmin(f(t,tm))單調(diào)下降;
2)若來(lái)船相距較遠(yuǎn),不操舵來(lái)船最終進(jìn)入本船船舶領(lǐng)域。則有:
min(f(t,0))> 0,min(f t,TCPA( ))<0
2.4.3 緊迫危險(xiǎn)形成點(diǎn)定量計(jì)算
與求取緊迫局面形成點(diǎn)數(shù)學(xué)模型相同,將船舶領(lǐng)域改成以本船重心為圓心,半徑為兩船船長(zhǎng)之和一半的圓形區(qū)域。
2.5.1 空間碰撞危險(xiǎn)度模型(SCRI)
參考文獻(xiàn)[12],兩船的空間碰撞危險(xiǎn)要么存在需要采取避碰行動(dòng),要么空間碰撞危險(xiǎn)不存在,不需要采取避碰行動(dòng)。SCRI模糊集為UdT;udT為UDT隸屬函數(shù);Domaint表示t時(shí)刻船舶領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)的集合。udT定為
2.5.2 時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度模型(SCRI)
設(shè)TCS變化域?yàn)閁t,TCRI模糊集為UtT,t0為定義的PCRF到PCSF時(shí)間,utT為UtT的隸屬函數(shù)。則有
2.5.3 碰撞危險(xiǎn)度(CRI)
CRI為SCRI和TCRI的合成,取論域:U=Ut×Ud即
式中:“⊕”為合成算子,采取普通實(shí)數(shù)乘法算子作為SCRI和TCRI合成CRI的合成算子。即
根據(jù)《規(guī)則》和海員通常做法,在PCRF之前,讓路船可自由行動(dòng),自動(dòng)避碰方案中應(yīng)選擇最有效避讓方式。碰撞危險(xiǎn)階段,按《規(guī)則》15條,交叉相遇局面讓路船讓路時(shí)應(yīng)避免橫越直航船前方。正常情況下,讓路船不會(huì)向左旋回一圈避讓,實(shí)際上是要求讓路船向右轉(zhuǎn)向避讓。PCSF之后,按照《規(guī)則》18條,為避免碰撞,必要時(shí)應(yīng)背離規(guī)則采取行動(dòng),讓路船應(yīng)采取最有效避讓方式。以海上速度定速航行船舶,由于主機(jī)保護(hù)程序限制,降速緩慢。大型船舶慣性大,降低船速的減速效果并不明顯,采取變速行動(dòng)避讓基本不可能。最有效避讓方式實(shí)際上指的是向哪舷轉(zhuǎn)向更有效。圖4顯示了目標(biāo)船位于第一象限時(shí),目標(biāo)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線與兩船航向航速關(guān)系的5種情形。其中,RVC為目標(biāo)船相對(duì)速度航向;TC0為本船航向;TB00為目標(biāo)船看本船真方位。
情形 1 RVC>1.5π+TC0,目標(biāo)船將從本船船首通過(guò),本船向左/右改向DCPA增加/減少,向左改向最為有效;
情形 2 RVC=1.5π+TC0,向左改向和向右改向效果基本相同;
情形 3 RVC∈(1.5π+TC0,TB00),目標(biāo)船將從本船船首通過(guò),本船向右/左改向DCPA增加/減少。向右改向是最為有效的避讓方向;
情形4 RVC=TB00,目標(biāo)船將與本船碰撞,向左改向和向右改向效果基本相同;
情形5 RVC<TB00,目標(biāo)船將從船尾通過(guò).本船向左/右改向DCPA增加/減少。向左改向是最為有效的避讓方向。
對(duì)于情形3和情形5,同樣可以分析目標(biāo)船位于第四象限的5種情形,結(jié)論如圖5所示。
圖4 目標(biāo)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)線與兩船航向航速關(guān)系Fig.4 The relations between relative motion lines of target ship and two ships’courses/velocities
圖5 不同RVC區(qū)域的最有效改向方向示意圖Fig.5 More effective direction of altering course in different RVC areas
對(duì)交叉相遇局面的讓路船而言,目標(biāo)船可能出現(xiàn)的舷角Q范圍為Q∈[0,π],不同舷角范圍、RVC時(shí)最有效的改向方向如表1所示。
表1 最有效改向方向Table 1 More effective direction of altering course
若最終無(wú)碰撞危險(xiǎn),無(wú)須采取行動(dòng)。否則:
1)階段1(CRI=0),碰撞危險(xiǎn)未形成??杉霸?、自由地采取避讓行動(dòng),按最有效改向方向模型確定改向方向。
2)階段 2(0<CRI<1),碰撞危險(xiǎn)已形成,未構(gòu)成緊迫局面。采取向右轉(zhuǎn)向可確保安全距離駛過(guò),不應(yīng)背離《規(guī)則》,程序中應(yīng)規(guī)定向右轉(zhuǎn)向。
3)階段 3(CRI=1,TID>0),緊迫局面已形成,緊迫危險(xiǎn)尚未形成,向右大幅度轉(zhuǎn)向已不能安全距離駛過(guò)。按責(zé)任條款,每一船舶必要時(shí)應(yīng)背離規(guī)則避免緊迫危險(xiǎn)。應(yīng)按最有效改向方向判別模型判定改向方向,幅度為操滿舵,直至兩船距離開(kāi)始變大。
4)階段4(CRI=1,TID≤0),緊迫危險(xiǎn)已經(jīng)形成,應(yīng)采取最有助于避免碰撞的行動(dòng),此時(shí)應(yīng)按最有效改向方向判別模型判定改向方向。
以2.2節(jié)中船舶為模擬對(duì)象,使用MATLAB編程查驗(yàn)數(shù)字模型準(zhǔn)確性。分別對(duì)不同轉(zhuǎn)速航速和全速滿舵旋回進(jìn)行比較。結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)整各系數(shù),船舶數(shù)字模型的船速性能、旋回性能和實(shí)船可相當(dāng)接近,在螺旋槳轉(zhuǎn)速78~100 r/min時(shí),速度相差小于0.3 kn;進(jìn)距、旋回初徑、直徑等旋回圈要素相差小于50 m。
使用二分法的緊迫局面、緊迫危險(xiǎn)形成點(diǎn)定量模型計(jì)算流程參見(jiàn)圖6。以初始條件:目標(biāo)船方位045°、距離 5.6 nmile、航速12 kn、航向 270°,本船初速12 kn、航向 000°。輸出結(jié)果:PCSF:5 513 m/919 s后形成緊迫局面,PIDF:1 097 s。
圖6 緊迫局面、緊迫危險(xiǎn)形成點(diǎn)計(jì)算流程Fig.6 Computing procedure of close situation/immediate danger formed point
交叉相遇局面讓路船階段判斷、定量模型數(shù)值計(jì)算流程參見(jiàn)圖7。
圖7 讓路船階段判斷流程Fig.7 Procedure for stage judgment of give-way ship
本文中參考文獻(xiàn)[6]采用平移中心動(dòng)界,半徑2.7 nmile,中心偏移量 1.9 nmile,方位為舷角 199°。以目標(biāo)船方位 045°、距離 5.656 nmile、航速 6 m/s、航向270°,本船初速6 m/s,航向000°為條件進(jìn)行仿真模擬,計(jì)算輸出結(jié)果:1)TCS<20 min;2)DCPA=0,TCPA=1 234.7 s;3)最終有碰撞危險(xiǎn);4)TRC=644 s,DRC=3 864 m來(lái)船進(jìn)入動(dòng)界;5)來(lái)船在動(dòng)界之外,暫無(wú)碰撞危險(xiǎn);6)CRI=0,處于階段1,可自由采取避讓行動(dòng)。
仿真結(jié)果表明,研究采用的數(shù)學(xué)模型是可靠的,二分法取小值很小(5 m)時(shí),算法快速、可靠收斂(大循環(huán)次數(shù)一般只有5~10次);精度可以滿足船舶自動(dòng)避碰研究和航海實(shí)踐的要求;CRI模型符合海員通常做法和駕駛員習(xí)慣思維;最有效改向方向判別模型基于來(lái)船相對(duì)運(yùn)動(dòng)航向、真方位和本船航向的比較可快速確定最有效轉(zhuǎn)向方向。
研究成果可產(chǎn)生交叉相遇局面下讓路船各個(gè)階段避碰行動(dòng)方案,結(jié)合轉(zhuǎn)向模型、復(fù)航模型可生成各個(gè)時(shí)間點(diǎn)可能避讓方案。需進(jìn)一步研究本船應(yīng)該采取的轉(zhuǎn)向幅度和時(shí)機(jī)、復(fù)航的時(shí)機(jī)等。在局面劃分的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)所有可能的避碰方案,并對(duì)所有方案進(jìn)行最優(yōu)化選擇,可最終確定符合避碰規(guī)則和海員通常做法的最優(yōu)化自動(dòng)避碰方案。
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