淺談航跡控制系統(tǒng)（TCS）設(shè)計(jì)

王志恩 蘇珍莉

摘? ? 要：本文收集各國船級社對航跡控制系統(tǒng)的配置要求，介紹航跡控制系統(tǒng)的組成配置、接口設(shè)計(jì)、功能要求、系統(tǒng)報(bào)警及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)，分析航跡控制系統(tǒng)未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：TCS;自動(dòng)舵;電子海圖

中圖分類號：U666.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper mainly collects the configuration requirements of various classification societies for the track control system， introduces the composition and configuration of the track control system， interface design， functional requirements， system alarm and discusses the relevant matters needing attention in the system design， and analyzes the future development prospect of the track control system.

Key words： TCS;? Autopilot;? ECDIS

1? ? 前言

隨著船舶自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，人們對安全便捷的駕駛方式的需求日益增大，使得航跡控制系統(tǒng)（簡稱TCS）也越來越受到船東們的重視。

航跡控制系統(tǒng)（TCS）是集合船位數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)、海圖、氣象、雷達(dá)和航速等信息，在各種狀態(tài)和船舶操縱性受到一定限制的條件下，使船舶自動(dòng)保持在預(yù)先計(jì)劃的對地航線上航行的系統(tǒng)。

根據(jù)SOLAS公約（2014）要求：所有1萬總噸及以上的船舶，應(yīng)設(shè)有1套首向或航跡控制系統(tǒng)，用于自動(dòng)控制和保持首向或直線航跡。

十幾年前的自動(dòng)化操舵系統(tǒng)，都是選擇首向信號加上自動(dòng)操舵儀來滿足該項(xiàng)要求。但隨著船舶自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，加上人工成本的上漲，船東開始追求船舶自動(dòng)航行控制，減少人員的配置及減少人為操作失誤帶來的損失，因此不少船東要求在自動(dòng)舵的基礎(chǔ)上增加航跡控制系統(tǒng)。

各大船級社在其一人橋樓入級規(guī)范的相關(guān)要求中，也明確了關(guān)于TCS的配置要求，其中挪威船級社和法國船級社更是明確要求TCS要滿足Category C要求。

海上安全委員會(huì)第69屆會(huì)議通過的決議MSC74（69），關(guān)于TCS性能標(biāo)準(zhǔn)的建議案，明確了TCS要達(dá)到的性能標(biāo)準(zhǔn);IEC也相應(yīng)頒布了IEC62065：2002 TCS的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及2014的修改補(bǔ)充。

2? ?系統(tǒng)的組成

TCS主要由電子海圖（ECDIS）系統(tǒng)（包括：電子海圖處理器、鍵盤、軌跡球和電源裝置等）和自動(dòng)舵系統(tǒng)（包括：自動(dòng)舵操舵儀、操舵控制箱、反饋裝置等）組成，同時(shí)還需配置滿足規(guī)范要求的TCS報(bào)警裝置。圖1為某船的航跡控制系統(tǒng)的組成框圖。

從圖1可以看出：首向、船位、航速、風(fēng)速、雷達(dá)、氣象等數(shù)據(jù)需要由相關(guān)傳感器發(fā)送至電子海圖和自動(dòng)舵。

表1為某船的TCS外部接口示意表。

3? ?系統(tǒng)的功能

根據(jù)MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS的啟動(dòng)至少需要有船位數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)、航速信息，以獲取船舶的操縱權(quán)。

TCS工作模式有兩種：一種是操縱船舶從當(dāng)前船位到單一預(yù)設(shè)航路點(diǎn);另一種是操縱船舶從當(dāng)前船位沿一序列預(yù)設(shè)航路點(diǎn)（即航跡）航行。

TCS操縱流程為：首先船員在電子海圖上進(jìn)行單一航路點(diǎn)或航跡設(shè)置，并將自動(dòng)舵設(shè)置為TCS模式;由電子海圖系統(tǒng)接收首向信號、船位、航速、風(fēng)速、風(fēng)向等外部信息，計(jì)算出當(dāng)前航跡與預(yù)定航跡之間的偏差;再通過電子海圖處理器內(nèi)部計(jì)算需要調(diào)整的首向方向，然后由電子海圖向自動(dòng)舵系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整首向的信號，由自動(dòng)舵控制舵機(jī)完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)控制船舶沿既定航跡自動(dòng)航行的目的。

根據(jù)IEC頒布的IEC62065：2002航跡控制系統(tǒng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，TCS可以分為3個(gè)不同級別：Category A、Category B、Category C。

（1）Category A：為單一直航跡或多段不帶轉(zhuǎn)彎的分航跡。簡言之，就是在一條直線上做航跡控制，航跡上不存在拐點(diǎn);如需實(shí)施轉(zhuǎn)向，則必須通過手動(dòng)切換至手動(dòng)操舵模式。圖2為Category A航跡示意圖。

（2）Category B：在完全滿足Category A 的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)航跡點(diǎn)之間帶人工輔助的轉(zhuǎn)彎。即航跡上可以存在拐點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)折線航跡，但在拐點(diǎn)處的轉(zhuǎn)彎仍需要人工輔助，且拐彎需基于預(yù)設(shè)好的拐彎半徑或轉(zhuǎn)向速率;當(dāng)船舶航行至預(yù)設(shè)的拐彎半徑點(diǎn)處時(shí)會(huì)有報(bào)警提示，需要船員輔助轉(zhuǎn)彎。圖3為Category B航跡示意圖。

（3）Category C：在完全滿足Category A 的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)航跡點(diǎn)之間的全自動(dòng)導(dǎo)航，即在拐點(diǎn)處的拐彎全自動(dòng)完成，無需人工輔助;由電子海圖系統(tǒng)通過各輸入?yún)?shù)（如首向、船位、航速、風(fēng)向、風(fēng)速等）進(jìn)行計(jì)算并將轉(zhuǎn)向信息發(fā)送至自動(dòng)舵，由自動(dòng)舵調(diào)整舵角實(shí)現(xiàn)平滑拐彎;同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對船舶當(dāng)前航跡與預(yù)定航跡之間的偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如超出預(yù)設(shè)值會(huì)發(fā)出警報(bào)。圖4為Category C航跡示意圖。

4? ?系統(tǒng)報(bào)警設(shè)計(jì)

為保證航行安全，根據(jù)MSC74.（69）ANNEX 2的要求，TCS需要對下列情況進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警：

（1）失電報(bào)警;

（2）船位監(jiān)測報(bào)警：當(dāng)船位偏差超出預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警;

（3）航向監(jiān)測報(bào)警：當(dāng)航向偏差超出超出預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警;

（4）傳感器失效報(bào)警：當(dāng)發(fā)覺系統(tǒng)所使用的定位信號或首向信號發(fā)生丟失或處于報(bào)警時(shí)，發(fā)出報(bào)警，并為用戶提供安全操縱模式的指導(dǎo);當(dāng)值船員在30s內(nèi)未確認(rèn)失效和報(bào)警狀態(tài)，向后備駕駛員發(fā)出警報(bào)。該報(bào)警建議接入橋樓值班報(bào)警系統(tǒng)，以便通過橋樓值班報(bào)警系統(tǒng)向船長、大副、二副等發(fā)出報(bào)警信號;

（5）交叉航跡報(bào)警：當(dāng)實(shí)際船位偏離航線超出預(yù)定的交叉航跡限值時(shí)，發(fā)出報(bào)警;

（6）偏航報(bào)警：當(dāng)實(shí)際航向與航跡方向的偏差超過預(yù)設(shè)限值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

（7）低速報(bào)警：當(dāng)航速低于預(yù)設(shè)限值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

5? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）TCS有一定的適用范圍，并不是所有的船都適合配置該系統(tǒng)。根據(jù)MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS適用于航速從最小操縱速度增加至30kn和船舶最大轉(zhuǎn)彎速率不大于10°/s，對于航速太高的船舶并不適用;

（2）TCS主要是基于電子海圖和自動(dòng)舵系統(tǒng)，為保證航行安全，需要電子海圖和自動(dòng)舵聯(lián)合設(shè)計(jì)、共同取證。在TCS證書上會(huì)注明該套系統(tǒng)的TCS類別，標(biāo)明配套的電子海圖和自動(dòng)舵的廠家及型號。船級社要求必須提供相關(guān)TCS證書才允許安裝;

（3）TCS需要采集各輸入?yún)?shù)（如：首向、船位、航速、風(fēng)向、風(fēng)速等）進(jìn)行計(jì)算，因此系統(tǒng)間的接口問題尤為重要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要協(xié)商好各系統(tǒng)間的接口信號，包括接口格式和通信協(xié)議，可參照表1。

6? ?系統(tǒng)的未來發(fā)展

對于長距離的遠(yuǎn)洋船舶來說，TCS可以大大減輕船員的負(fù)擔(dān)，也減少由于人為操作失誤導(dǎo)致的事故。

隨著船舶自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢，單純的TCS功能已不能滿足船東多元化業(yè)務(wù)的需求。目前不少廠家已經(jīng)開始在TCS功能上加入遠(yuǎn)程遙控功能，由船公司對船舶航線進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，甚至可以利用聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在陸上實(shí)現(xiàn)各船隊(duì)的遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)時(shí)監(jiān)控各航線上的船舶航行情況并實(shí)時(shí)調(diào)整。

智能船舶、無人船的興起，進(jìn)一步推動(dòng)了TCS的發(fā)展。《智能船舶規(guī)范》提出航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化，即根據(jù)船舶所具有的技術(shù)條件和性能、特定的航行任務(wù)、吃水情況、貨物特點(diǎn)和船期計(jì)劃等，充分考慮風(fēng)、浪、流、涌等因素，在保證船舶、人員和貨物安全的條件下，設(shè)計(jì)和優(yōu)化航路、航速，使燃料消耗最低，并在整個(gè)航行期間不斷優(yōu)化。因此在可預(yù)見的未來，航跡控制會(huì)往智能化、自主航行和自主學(xué)習(xí)的方向不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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