船舶邊界帶動態(tài)顯示系統(tǒng)的設計與應用

馬建斌，李　江，王柏霖

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

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船舶邊界帶動態(tài)顯示系統(tǒng)的設計與應用

馬建斌，李江，王柏霖

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

為進一步提高船舶在受限水域中航行的安全性，考慮船舶在受風流影響下所占用的航道寬度，以及船舶實時的運動趨勢，應用visual basic編程語言設計一種船舶邊界帶動態(tài)顯示系統(tǒng)，以大連海事大學教學實習船“育鯤”號為船型，對船舶進港操縱，以及靠離泊進行實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為駕駛員在受限水域中對船舶進行操縱、避碰及防止船舶擱淺操作提供指導。

visual basic；邊界帶；受限水域；操縱避碰；防擱淺

隨著國際大宗貨物運輸?shù)目焖侔l(fā)展，船舶運力需求量進一步增大，船舶自動化、大型化成為船舶運輸業(yè)的發(fā)展趨勢。同時，由于船舶在數(shù)量、種類及噸位等方面的迅速發(fā)展，船舶在通道、港口航道等受限水域的交通流和交通密度進一步增加。這使得船舶在上述水域航行過程中的安全問題也愈加嚴峻[1]?，F(xiàn)今，電子海圖、雷達等儀器的廣泛應用，使得船舶駕駛自動化水平大步提升，本質(zhì)性地提高了航行安全。但受儀器自身功能不完備及外界因素干擾的限制，使得駕駛員無法完全依賴于航海儀器。受ARPA矢量線的應用和航跡帶寬度概念的啟發(fā)，應用VISUAL BASIC編程語言設計一種船舶邊界帶動態(tài)顯示系統(tǒng)，將受限水域中船舶航行所占用航道寬度疊加在比例船型之上，旨在使得船舶因風流等外界因素導致的偏航更加直觀化。同時也為船舶在受限水域中航行、靠離泊以及錨泊時對周圍環(huán)境提供了可視化，彌補電子海圖顯示系統(tǒng)及雷達導航的功能缺陷，為船舶提供操縱。

1　系統(tǒng)原理

1.1雷達ARPA矢量線

“ARPA雷達矢量線”是指ARPA雷達上的速度矢量線[2]。根據(jù)速度的矢量性質(zhì)可分為速度大小及速度方向，本船速度大小是根據(jù)船舶的操縱性能，運用趨勢理論對船舶在單位時間內(nèi)預計的運動軌跡進行計算得出來的。其他物標的速度大小則是利用物標與本船相對位置的變化關系，并通過矢量相減獲得[3]。船舶的速度方向是通過船舶推進速度與風流等外力作用速度進行矢量合成計算得出。當船舶航行受到風流影響時，此時在船舶真實的運動方向和艏向之間存在風流壓差角；當船舶在無風流條件下穩(wěn)定航向航行時，船舶運動方向與艏向保持一致[3-4]。

1.2航跡帶寬度

按《海港總體設計規(guī)范》對航跡帶寬度定義，船舶在航道內(nèi)航行時，所占用的寬度為航跡帶寬度[5]。按照船舶實際的航行軌跡，航跡帶寬度可以分為船舶航行的左右偏移量和船寬2部分[6]。此時船舶所占用的空間，即為船舶在航行過程中船體所掃過水域范圍的大小，可以理解為船舶在航跡線法向上的投影。

因此，設計船舶邊界帶動態(tài)顯示系統(tǒng)即以船舶矢量線為基線，構造與其平行2條邊界線，兩邊界線之間的區(qū)域即為船舶實時航行狀態(tài)下所占用的航道空間寬度。

1.3設計案例

系統(tǒng)設計以大連海事大學教學實習船“育鯤”號為模型，主要參數(shù)見表1。

在其甲板輪廓首尾曲面部分以船艉中點為起點，逆時針均勻取288個點。以右舷曲面為例，定義舵柱為坐標原點，往艏向依次取點，其坐標分別為該點到原點縱、橫向距離(Xm,Ym)，單位為m，“育鯤”號右舷曲面部分的144個點見表2，其中(Xp,Yp)為對應像素點長度，左舷同理。

表1　“育鯤”輪主要參數(shù)

經(jīng)地理坐標與屏幕坐標間的相互轉(zhuǎn)換，以寺兒溝區(qū)及大港區(qū)掃描海圖作為背景。當船舶在該區(qū)域行駛時，系統(tǒng)讀取當前船舶運動數(shù)據(jù)，如GPS船位、船艏向、航跡向等。如圖1所示，O為坐標原點(0,0)，P為船舶轉(zhuǎn)心，某一時刻船舶航跡向COG與船舶船艏向TC之間夾角，即風流壓差角γ：

表2　右舷曲面點坐標

(1)

式中：A、B分別為該γ下曲面上與雷達矢量線(航跡向)距離最遠的點，即PM，PN為最大值。已知船舶航跡向后，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要工作即確定任意γ下對應的A、B兩點的坐標A(XmaxID.P,YmaxID.P)，B(XmaxID.P,YmaxID.P)，以該兩點為端點做與航跡向平行的2條邊界線。在原點O處重建直角坐標系，則航跡向所在直線為過船舶轉(zhuǎn)心斜率為k的一條直線，其中

(2)

γ≠0°且γ≠±180°。則該直線可表示為：

(3)

任意時刻的斜率已知，且該直線過轉(zhuǎn)心P點，則可求得該時刻b值，最終確定該時刻的直線表達式。已知該直線方程，再根據(jù)點到直線距離公式求取PM、PN的最大距離，進而確定A，B坐標，最終可以得到以A，B為端點，與雷達矢量線平行，其時間長度可調(diào)的2條線段，見圖1。

圖1　船舶邊界帶示意

2　應用

在航海實踐中，通常以船舶總噸位衡量船舶的大??；一般來說，船舶長度越長、寬度越寬，那么船舶的總噸位一般相應也就越大。因此，通常從船長、船寬和總噸位3方面對船舶尺度與海事事故關系進行分析與研究[7]。同時，根據(jù)世界海事組織(IMO)統(tǒng)計，港口水域中船舶平均海事事故發(fā)生的概率與船長的3/2次方成正比，而船舶碰撞率CR(collision rate)與船舶總噸位的關系也可表示為

CR=0.001 4GT+0.000 9

(4)

從式(4)中可以很清楚得出結(jié)論，船舶隨著的噸位增大，碰撞率也隨之增高。這是由于隨著船舶的噸位增加，其運動時的慣性就隨之增加，船舶的應舵性能也就越差[7]。其次，當船舶在港口航道等受限水域中航行時，船長或引航員通常是依靠他們在航海工作中所積累的實際經(jīng)驗以及通過視覺對船舶在航道航行時與陸地物標或航標間相互位置的變化，對船舶進行指揮。通常大多數(shù)的船長和引航員都能成功地完成這些航行任務，但由于這些方法依靠的是人的經(jīng)驗與感覺，難以在實際應用中進行量化，這使得受限水域中航行的船舶，面對復雜的航行環(huán)境很容易對某個因素的疏忽而導致安全事故的發(fā)生[8]。

2.1判斷船舶是否偏航

2008年12月，“GY11”號由引航員領航自秦皇島905#泊位滿載出港。當引航員完成掉頭操作剛將船駛上航道時，船長即表示無需引航并要求引航員下船，同時接過指揮權自行要車要舵，引航員只好在向船長交代注意事項后離船。就在引航員離船后，港口VTS發(fā)現(xiàn)該船有偏離航道的趨勢，并立即向該船發(fā)出了警告，但該船船長未能及時采取有效措施，不久，該船即擱淺在航道西側(cè)。

事故分析指出，該船長對船舶在狹水道(航道)對航行環(huán)境缺乏充分了解，沒有充分考慮風、流等外界因素對船舶航行的影響而預配合適的風流壓差角。

當船舶在港口、通道等受限水域中航行時，由于受風、流、潮汐等因素影響以及航速的限制，往往會產(chǎn)生較大風流壓差，且受限水域內(nèi)通常有各種陸標、浮標等助航標志以及淺灘、海底電纜等航海危險物。這些因素使得可航行的水域面積嚴重受到局限，船舶操縱性能降低，易形成緊迫局面[9]。在船舶進出港時，需要引航員和駕駛員憑借個人經(jīng)驗指揮操縱船舶，而缺少可靠直觀的顯示，尤其對于大型船舶而言，既要使得船舶沿計劃航線行駛，又要保證整個航行占用空間安全無礙。而該系統(tǒng)則可以效地解決上述問題，直觀顯示船舶是否采取適當風流壓差角，通過控制航向使得矢量線沿著預定航線移動，邊界帶顯示的船舶占用空間內(nèi)無危險以保證船舶航行安全。

2.2船舶避碰

2012年6月6日，美國德克薩斯州休斯敦航道，能見度良好，天氣良好。夏令時0530，“Mary Ann Hudson”號散貨船從21號城市碼頭移泊到29號城市碼頭時與系泊中的散貨船“Star Grip”相撞(見圖2)。在0528時，“Mary Ann Hudson”的大副在船艏用無線電告知船長“Star Grip”的龍門起重吊擋住了“Mary Ann Hudson”的航行路徑。引航員命下令左舵20°并改為前進2，同時命令拖船“Andrew K”(位于船首右側(cè))緩慢向后拖曳，試圖使船舶遠離“Star Grip”。然而，這些行動并沒能讓“Mary Ann Hudson”讓清龍門吊。本次事故未引起人員傷亡和環(huán)境污染，但是2艘船舶損失超過50萬美元。

圖2　碰撞示意圖

根據(jù)對該事故的調(diào)查，當“Mary Ann Hudson”號船艉漂向“Star Grip”時，引航員已經(jīng)有所察覺，但是沒有采取有效地避讓行動。在最后的事故調(diào)查報告中指出，引航員及駕駛員未能及時發(fā)現(xiàn)碰撞危險和沒有及時采取有效的避讓行動是導致該事故發(fā)生的直接原因[10]。

船舶在港口水域航行存在航道交叉的情況，進出錨地，穿越船舶密集區(qū)，此時要使用較低航速，船舶更容易受風流影響；且可航寬度受限，駕駛員精神狀態(tài)高度緊張，參考電子海圖上比例船型及矢量線的顯示或視覺觀察不能夠準確而又全面地判斷是否存在危險，因此就容易導致類似事故的發(fā)生。而該系統(tǒng)可對船舶間碰撞、船與危險物的碰撞起到預測作用，以直觀的顯示警示駕駛員及時采取避讓措施。另外，船舶在穿越船舶密集區(qū)時，要設計好穿越航線，確保船舶矢量線盡可能與設計的穿越航線重合，兩條邊界線與周圍船舶保證足夠安全距離。警惕出現(xiàn)在邊界帶以內(nèi)及矢量線末端相交的船舶。

2.3指導船舶進出口門

2013年1月7日，當?shù)貢r間1118,752 ft長的油船“Overseas Reymar”與舊金山-奧克蘭海灣大橋相撞。事故調(diào)查指出，船舶計劃從CD段穿過，但由于能見度降低且缺失CD段信息，引航員決定改從DE段通過大橋。由于改向未能及時判斷出船舶的運動趨勢，導致事故發(fā)生[11]，見圖3。

圖3　撞橋事故軌跡示意

駕駛員也可根據(jù)船舶航行占用空間的動態(tài)顯示判斷以當前船舶的航行的姿態(tài)能否安全進入狹水道、運河、港口等處的入口,以及對船舶橋區(qū)通航提供操縱指導。

2.4確保船舶霧航安全

此前提到的船橋碰撞事故中，港口方通常會在能見度不良的環(huán)境下采取船舶限航或禁航機制，以提高船舶進出港的安全性，但由于船期、泊位、貨物周轉(zhuǎn)等各種因素，船舶在能見度不良的情況下進出港的情況依舊存在[12]。那么在能見度不良的航行環(huán)境下，該系統(tǒng)就可以為引航員及駕駛員提供船舶運動狀態(tài)、是否偏航、與周圍環(huán)境的關系等直觀的顯示，使駕駛員及引航員做到心中有數(shù)，確保船舶航行安全。

2.5其他應用

通過調(diào)節(jié)矢量線，觀察邊界帶，該系統(tǒng)亦可應用于定點錨泊[13]，并通過錨位、船位以及船舶運動趨勢判斷出船舶是否走錨。在靠離泊操縱中，可以通過調(diào)節(jié)矢量線得到船舶運動趨勢，保持船舶與泊位之間的相對速度與距離之間的關系。

3　誤差分析

除應考慮到GPS自身的定位誤差外，一般將GPS天線安裝在船舶的頂部，只有在海況較好的情況下，GPS天線與船舶的運動才基本一致。若海況較差，GPS天線會受到操縱、橫搖的影響，記錄的定位跳變較大，誤差較高。這時，船舶航跡和航向的變化比較復雜，且航跡向的計算也存在一定的誤差。另外，船載羅經(jīng)存在的誤差會導致風流壓差角計算誤差，繼而影響邊界帶寬度的精度。

4　結(jié)束語

大型船舶在受限水域航行時，駕駛員需要考慮的因素有很多，在航道可航寬度與船舶邊界之比的限制條件下，放大海圖比例尺動態(tài)顯示比例船型與船舶航行占用空間將有助于駕駛員的預判，以提高船舶航行安全。該系統(tǒng)的設計，更大意義在于對現(xiàn)有電子海圖功能的完善，對船舶受限水域航行安全的提高有較大意義。

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Design and Application of the Dynamic Display System for Ship Boundary Zone

MA Jian-bin, LI Jiang, WANG Bai-lin

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

In order to improve the safety of ship sailing in restricted waters, a dynamic display system of ship’s boundary zone is developed based on Visual Basic language, considering the channel space occupied by ships and the tendency of motion of ship in real time. This system is tested by the berthing and handling experiments with the practice teaching ship of Dalian Maritime University, the experimental results show that the system has a certain guiding significance for controlling the ship in restricted waters, avoiding collision and preventing grounding.

Visual Basic; boundary zone; restricted water; collision avoidance and ship handling; grounding prevent

2016-04-10

2016-04-29

交通運輸部海事局科技項目(14400003N010，80714003)

馬建斌(1991—)，男，碩士生

U675.9

A

1671-7953(2016)04-0145-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.034

研究方向:交通信息工程及控制；航海安全保障

E-mail:macrisy@sina.com