不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下目標(biāo)船行為模擬及其特征分析

楊雪鋒，劉 文，徐 鵬，陳 華

(1. 重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2. 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；3. 中國(guó)交通通信信息中心 交通安全應(yīng)急信息技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；4. 海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

按照《國(guó)際海上避碰規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則”）的要求，駕駛?cè)藛T需根據(jù)目標(biāo)船的行為特征，劃分其與本船的會(huì)遇態(tài)勢(shì)，這是確定船舶避讓責(zé)任和采取避讓行動(dòng)的重要依據(jù)。只有明確了船舶間會(huì)遇態(tài)勢(shì)，駕駛?cè)藛T才能據(jù)此做出相應(yīng)的避讓行動(dòng)[1]。無(wú)數(shù)船舶碰撞事故的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)會(huì)遇態(tài)勢(shì)的認(rèn)識(shí)不一致是造成船舶間避碰行動(dòng)不協(xié)調(diào)，乃至碰撞的重要原因之一[2]。此外，無(wú)人船的研究已成為當(dāng)前水上交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3-4]，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船自主航行，劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)是其必須解決的技術(shù)問(wèn)題。

船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)可分為在互見(jiàn)中的會(huì)遇態(tài)勢(shì)和能見(jiàn)度不良時(shí)的會(huì)遇態(tài)勢(shì)。其中，互見(jiàn)中的船舶又包括不同類船舶間的避讓規(guī)定和機(jī)動(dòng)船之間的避讓規(guī)定。本文僅以互見(jiàn)中機(jī)動(dòng)船之間會(huì)遇態(tài)勢(shì)為研究對(duì)象。

《規(guī)則》第十三、十四和十五條分別定義了追越、對(duì)遇和交叉3種會(huì)遇態(tài)勢(shì)。追越是指一船從他船正橫后大于22.5°的某一方向上趕上他船時(shí)，應(yīng)認(rèn)為是在追越中，追越船應(yīng)該給被追越船讓路；對(duì)遇是指2艘機(jī)動(dòng)船在相反或接近相反的航向上相遇，致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)的一種會(huì)遇局面；交叉會(huì)遇是指兩機(jī)動(dòng)船在追越和對(duì)遇局面以外的航向交叉，致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)的局面，此時(shí)，有他船在本船右舷的船舶為讓路船。

從上述定義可以看出，《規(guī)則》并未對(duì)3種會(huì)遇態(tài)勢(shì)進(jìn)行嚴(yán)格的定義，只對(duì)其做了定性的描述，如《規(guī)則》中使用了“相反或接近相反”等模糊的概念?；谶@一原因，早期研究主要集中在會(huì)遇態(tài)勢(shì)的定性劃分，這在避碰專家系統(tǒng)中尤為明顯，如F.P.Coenen等[5]研發(fā)的避碰專家系統(tǒng)，通過(guò)專家知識(shí)庫(kù)中的If-then產(chǎn)生式規(guī)則，將會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分為目標(biāo)船從左舷向右舷穿越、目標(biāo)船從右舷向左舷穿越、目標(biāo)船追越本船、本船追越目標(biāo)船、目標(biāo)船正對(duì)本船駛來(lái)、目標(biāo)船停車6種類型；王敬全等[6]提出的避碰專家系統(tǒng)中，將基本會(huì)遇局面劃分為對(duì)遇、右交叉、左交叉、從左邊追越、從右邊追越和被追越6種態(tài)勢(shì)。船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)的定性劃分研究基本確定了會(huì)遇態(tài)勢(shì)的類型，如對(duì)遇、追越（左舷/右舷）、大角度交叉（左舷/右舷）、小角度交叉（左舷/右舷）等類型，這為后續(xù)船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法的研究奠定了基礎(chǔ)。

會(huì)遇態(tài)勢(shì)的定量劃分主要包括兩類，第一類會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法是根據(jù)目標(biāo)船的相對(duì)方位B劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)。船員在會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分時(shí)的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)遇局面與交叉會(huì)遇局面以5°舷角為分界線，交叉會(huì)遇局面與追越局面以112.5°為分界線較為合理[7-8]。以此為基礎(chǔ)，部分研究人員對(duì)會(huì)遇態(tài)勢(shì)進(jìn)一步細(xì)分。武漢理工大學(xué)的朱沁根據(jù)避讓行動(dòng)的類型，以相對(duì)方位線6°，60°，112.5°，180°，247.5°，292.5°和354°為分界線，將會(huì)遇局面劃分為11種會(huì)遇態(tài)勢(shì)[9]。

第二類會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法除了考慮了目標(biāo)船的相對(duì)方位，還將目標(biāo)船與本船的航向差ΔC（目標(biāo)船航向—本船航向）作為劃分依據(jù)。因?yàn)?，根?jù)目標(biāo)船的相對(duì)方位劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)沒(méi)有考慮船舶的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[10]，忽略了《規(guī)則》中“致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)”的要求。為彌補(bǔ)不足，任亞磊[11]、肖瀟[12]等利用本船和目標(biāo)船的航向差ΔC來(lái)劃分船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)，將船舶會(huì)遇局面劃分為追越（ΔC＜67.5°或者ΔC＞292.5°）、對(duì)遇（175°＜ΔC＜185°）、交叉會(huì)遇（185°＜ΔC＜292.5°或者67.5°＜ΔC＜175.5°）。不難發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)船的相對(duì)方位和航向差都是劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)的重要依據(jù)，東昉[2]、吳春杰[13]等，綜合考慮了這兩方面的因素，將互見(jiàn)中船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分為本船追越目標(biāo)船、目標(biāo)船追越本船、對(duì)遇、對(duì)駛、交叉（本船為讓路船）、交叉（本船為直航船）6種會(huì)遇態(tài)勢(shì)。

可見(jiàn)，第一類會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法所需要的劃分依據(jù)單一，數(shù)據(jù)容易獲取，但沒(méi)有考慮目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；第二類會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法的特點(diǎn)恰好相反，考慮了目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但需要獲取目標(biāo)船舶的航向，用于計(jì)算航向差。

為驗(yàn)證上述兩類會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分方法的有效性，明確相對(duì)方位和航向差與會(huì)遇態(tài)勢(shì)的關(guān)系，掌握船舶在不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下的運(yùn)動(dòng)特征和視覺(jué)特征變化情況，本文利用計(jì)算機(jī)模擬船舶在會(huì)遇過(guò)程中距離、方位和視覺(jué)特征變化情況，歸納不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)特征和視覺(jué)特征。

1 船舶行為模擬

在船舶行為模擬中，本船和目標(biāo)船均勻速直線航行，航行過(guò)程中船舶的航向不發(fā)生變化，目標(biāo)船和本船位置的變化情況計(jì)算如下：

其中：xt和yt為t時(shí)刻船舶的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，m；vt-1為t-1時(shí)刻船舶的航速，kn；θt-1為t-1時(shí)刻船舶的航向（介于0°～360°之間），（°）；Δt為相鄰2次船舶運(yùn)動(dòng)模擬的時(shí)間間隔，min，本文取Δt=0.5 min。

本船的初始位置為（x0，y0）=（0，0），航向?yàn)棣萶rg-0=000°。

根據(jù)《規(guī)則》對(duì)船舶燈光的光力射程規(guī)定，許多學(xué)者認(rèn)為海上兩船大概接近到6 n mile，若兩船的DCPA（distance to closest point of approach, DCPA）小于安全值，則船舶間的碰撞危險(xiǎn)正在形成[14]。因此，在船舶運(yùn)動(dòng)模擬其中，初始條件下目標(biāo)船與本船的距離Range取6 n mile。

本船與目標(biāo)船會(huì)遇過(guò)程的行為模擬終止條件有2個(gè)：

條件1 當(dāng)前模擬結(jié)果中，本船與目標(biāo)船的距離大于上一次模擬結(jié)果中的距離，即本船與目標(biāo)船的距離正在逐漸增大，目標(biāo)船與本船的TCPA（time to closest point of approach, TCPA）為負(fù)數(shù)。

條件2 模擬次數(shù)超過(guò)最大模擬次數(shù)max_sim，本文取max_sim=200，結(jié)合相鄰2次模擬的時(shí)間間隔Δt=0.5 min，200次模擬所代表的船舶會(huì)遇時(shí)間為100 min，幾乎不會(huì)有船舶的會(huì)遇時(shí)間超過(guò)這個(gè)數(shù)值。

以上2個(gè)條件滿足一個(gè)，則本次會(huì)遇過(guò)程模擬結(jié)束。

2 目標(biāo)船行為特征分析

文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)地將機(jī)動(dòng)船的會(huì)遇態(tài)勢(shì)分為本船正在追越目標(biāo)船、目標(biāo)船正在追越本船、本船與目標(biāo)船對(duì)遇、目標(biāo)船在本船左舷的交叉會(huì)遇、目標(biāo)船在本船右舷的交叉會(huì)遇5種類型，綜合考慮了目標(biāo)船的相對(duì)方位B、目標(biāo)船與本船的航向差ΔC、兩船之間的距離R、目標(biāo)船的速度Vt和本船的速度V0等多方面的因素，對(duì)會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分較為合理。以此為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)模擬這5類會(huì)遇態(tài)勢(shì)下典型的會(huì)遇情況，獲取目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)特征和視覺(jué)特征，并對(duì)其進(jìn)行分析。

1）本船追越目標(biāo)船

目標(biāo)船與本船的初始距離為3 n mile，本船航速V0=20 kn，目標(biāo)船航速Vt=15 kn，模擬結(jié)果如圖1所示。

模擬結(jié)果中，圖1（a）表示目標(biāo)船距離R的變化情況，圖1（b）表示目標(biāo)船相對(duì)方位B的變化情況，圖1（c）表示本船觀察目標(biāo)船的視角Vision-angle變化情況，該視角的變化決定了會(huì)遇過(guò)程中目標(biāo)船舶的視覺(jué)特征。例如，本船追越目標(biāo)船時(shí)，觀察目標(biāo)船的視角Vision-angle在180°左右，那么，本船的駕駛員在瞭望過(guò)程中只能從目標(biāo)船的船尾方向去觀察目標(biāo)船。實(shí)際上，觀察目標(biāo)船視角Vision-angle就是以目標(biāo)船的航向?yàn)榛鶞?zhǔn)，本船的相對(duì)方位。

圖1 本船追越目標(biāo)船F(xiàn)ig. 1 The ship overtook the target ship

從模擬結(jié)果可以看出，在本船追越目標(biāo)船的初期（時(shí)間小于20 min），目標(biāo)船相對(duì)方位B和觀察目標(biāo)船視角Vision-angle均變化較小，B從0°左右緩慢地增加，或者緩慢地減小，變化量小于40°，Vision-angle從180°左右緩慢地增加，或者緩慢地減少，變化量小于50°，本船駕駛?cè)藛T首先看到目標(biāo)船的尾部，然后逐漸能夠看到目標(biāo)船的左舷或者右舷。

2）目標(biāo)船正在追越本船

圖2 目標(biāo)船追越本船F(xiàn)ig. 2 The target ship overtook the ship

目標(biāo)船與本船的距離為3 n mile，本船航速V0=15 kn，目標(biāo)船航速Vt=20 kn，模擬結(jié)果如圖2所示。從模擬結(jié)果可以看出，此時(shí)目標(biāo)船的行為特征與本船追越目標(biāo)船時(shí)類似，區(qū)別在于B從180°左右開(kāi)始變化，Visionangle從0°左右開(kāi)始變化，本船駕駛員先看到目標(biāo)船的船首，然后逐漸看到目標(biāo)船的右舷或者左舷。

3）對(duì)遇局面

本船航速V0=15 kn，目標(biāo)船航速Vt=20 kn，目標(biāo)船的行為模擬結(jié)果如圖3所示。從模擬結(jié)果可以看出，整個(gè)模擬過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，距離R變化快，相對(duì)方位B和視角Vision-angle變化速度緩慢，且均在0°左右變化，目標(biāo)船的視覺(jué)特征變化較小，會(huì)遇過(guò)程中，本船駕駛員始終能看到目標(biāo)船的船首。

圖3 對(duì)遇態(tài)勢(shì)Fig. 3 The head-on situation

4）目標(biāo)船在本船右舷的交叉會(huì)遇

本船航速V0=15 kn，目標(biāo)船航速Vt=20 kn。右舷交叉會(huì)遇時(shí)，目標(biāo)船的行為特征如圖4所示?？梢钥闯觯鄶?shù)情況下目標(biāo)船的相對(duì)方位B逐漸減小，從90°逐漸減小到0°，即目標(biāo)船超本船船首方向移動(dòng)；Vision-angle也逐漸減小，從-50°逐漸減小到-150°，目標(biāo)船的視覺(jué)特征變化較大，會(huì)遇過(guò)程中本船駕駛員始終能看到目標(biāo)船的左舷。

圖4 目標(biāo)船位于本船右舷的交叉會(huì)遇Fig. 4 Crossing situation of target ship on starboard side

5）目標(biāo)船在本船左舷的交叉會(huì)遇

目標(biāo)船在本船左舷交叉會(huì)遇時(shí)，本船為直航船，本船航速V0=15 kn，目標(biāo)船航速Vt=20 kn，目標(biāo)船的行為特征如圖5所示。可以看出，多數(shù)情況下目標(biāo)船的相對(duì)方位B逐漸增大，從300°逐漸減小到360°，即目標(biāo)船朝本船船首方向移動(dòng)；目標(biāo)船的觀察視角Visionangle也逐漸增大，從50°逐漸減小到150°，目標(biāo)船的視覺(jué)特征變化較大，會(huì)遇過(guò)程中本船駕駛員始終能看到目標(biāo)船的右舷。

6）模擬結(jié)果分析

圖5 目標(biāo)船位于本船左舷的交叉會(huì)遇Fig. 5 Crossing situation of target vessel on port side

對(duì)5類會(huì)遇態(tài)勢(shì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到目標(biāo)船與本船的距離R、相對(duì)方位B以及觀察目標(biāo)船視角Vision-angle如圖6所示，其中圖6（a）展示了不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，目標(biāo)船與本船的距離R、相對(duì)方位B以及觀察目標(biāo)船視角Vision-angle三個(gè)因素的分布情況，圖中的單個(gè)標(biāo)記表示一個(gè)特定時(shí)刻目標(biāo)船與本船的距離、相對(duì)方位和觀察視角；圖6（b）表示不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，目標(biāo)船與本船的距離和方位分布情況；圖6（c）表示不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，目標(biāo)船的相對(duì)方位和距離的分布情況；圖6（d）表示不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下，目標(biāo)船的觀察視角和距離的分布情況。

圖6 目標(biāo)船行為特征分析Fig. 6 Characteristics analysis of target ship

從圖中可以看出，單純依據(jù)目標(biāo)船的相對(duì)方位劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)是不合理的。例如，當(dāng)目標(biāo)船相對(duì)方位B=250°時(shí)，真實(shí)的會(huì)遇態(tài)勢(shì)可能是除了右舷交叉會(huì)遇之外的任何一種情況，既可能是目標(biāo)船追越本船，也可能是左舷交叉會(huì)遇。利用目標(biāo)船與本船的相對(duì)方位角和距離，能夠較好地區(qū)別本船被追越和左舷交叉會(huì)遇，對(duì)另外3類會(huì)遇態(tài)勢(shì)識(shí)別能力較差；利用觀察目標(biāo)船的視角和距離，能夠較好地區(qū)別本船追越目標(biāo)船和右舷交叉會(huì)遇，對(duì)遇其他3類會(huì)遇態(tài)勢(shì)識(shí)別能力差。

在圖6（b）中，代表各種會(huì)遇態(tài)勢(shì)的標(biāo)記進(jìn)行了較好地聚集，不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)的標(biāo)記重合較少，這說(shuō)明利用目標(biāo)船的相對(duì)方位和觀察目標(biāo)船的視角能夠很好地進(jìn)行會(huì)遇態(tài)勢(shì)地劃分，觀察目標(biāo)船的視角可作為劃分船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)的重要依據(jù)。觀察目標(biāo)船的視角之所以能夠用于劃分船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)，是因?yàn)樗拇笮∈苣繕?biāo)船舶的航向和相對(duì)方位兩方面因素的影響，其本質(zhì)也是利用目標(biāo)與本船的航向差和相對(duì)方位來(lái)劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)。

目前，船舶獲取目標(biāo)船舶航向的技術(shù)手段只有AIS，如果目標(biāo)船沒(méi)有安裝AIS或者AIS處于關(guān)閉狀態(tài)，在劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)時(shí)則需要進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪。觀察目標(biāo)船視角的變化則可以在船載視頻監(jiān)控圖像中方便地獲取，同時(shí)視頻圖像中目標(biāo)船所占像素的個(gè)數(shù)也能反映本船與目標(biāo)船之間的距離變化情況，這對(duì)于駕駛?cè)藛T和無(wú)人船進(jìn)行會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分是比較有利的。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下本船和目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)情況，統(tǒng)計(jì)分析了會(huì)遇過(guò)程中目標(biāo)船與本船之間的距離、目標(biāo)船的相對(duì)方位、觀察目標(biāo)船視角的變化情況，經(jīng)過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析，總結(jié)歸納了不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)特征和視覺(jué)特征。統(tǒng)計(jì)結(jié)果同時(shí)表明，單純利用目標(biāo)船所處的相對(duì)方位劃分會(huì)遇態(tài)勢(shì)是不合理的。在進(jìn)行船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分時(shí)，不僅要考慮目標(biāo)船的相對(duì)方位，還應(yīng)考慮目標(biāo)船與本船的航向差、距離等因素。

除了考慮傳統(tǒng)的用于會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分的兩船距離、相對(duì)方位和航向差等因素，本文還重點(diǎn)分析了不同會(huì)遇態(tài)勢(shì)下觀察目標(biāo)船視角的變化情況，模擬結(jié)果表明Vision-angle這一因素與船舶的會(huì)遇態(tài)勢(shì)密切相關(guān)，結(jié)合目標(biāo)船的相對(duì)方位，可用于基于視覺(jué)技術(shù)的船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)的劃分，如基于船載視頻分析的會(huì)遇態(tài)勢(shì)劃分。

在進(jìn)行船舶行為模擬時(shí)，針對(duì)一種會(huì)遇態(tài)勢(shì)，本文只選取了8種典型的情況，且目標(biāo)船和本船的速度、航向等參數(shù)均固定不變，這些理想假設(shè)或許會(huì)對(duì)模擬結(jié)果有一定的影響，但不會(huì)影響最終結(jié)論的正確性。