內(nèi)河渡船危險預(yù)警及避碰決策

郭 健，李麗娜，高建杰，李國定

(集美大學(xué) 航海學(xué)院， 福建 廈門 361021)

《中華人民共和國內(nèi)河避碰規(guī)則》規(guī)定內(nèi)河渡船有責(zé)任主動避讓順航道船舶。在長江流域繁忙的渡口水域，每天都會有大量的內(nèi)河航運船舶經(jīng)過，因此內(nèi)河渡船面臨著一定的安全風(fēng)險。為渡船的航行提供實時準確的碰撞危險預(yù)警和避碰輔助決策，提高渡船運營的智能化水平，是目前急需解決的科研難題。當前碰撞危險度模型研究主要有最近會遇距離(Distance to Close Point of Approaching,dCPA)和最近會遇時間(Time to Close Point of Approaching,tCPA)的加權(quán)評判法[1]、以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的模糊判斷法[2]和人工智能技術(shù)判斷法。[3]這些方法都是單獨計算危險度，沒有考慮避讓危險船舶的難易程度，即沒有與避讓決策相關(guān)聯(lián)。船舶擬人智能避碰決策(Personifying Intelligent Decision-Making for Vessel Collision Avoidance,PIDVCA)算法[4-7]能有效解決寬闊水域船舶輔助避碰決策問題,在受限水域初步實現(xiàn)港口水域的船舶碰撞與擱淺觸礁危險預(yù)警和避碰決策的仿真測試。[8-10]

為給內(nèi)河渡船駕駛員提供與主觀感受一致的碰撞危險等級預(yù)警，安全有效且符合駕駛員避讓操縱習(xí)慣的避碰決策,本文基于PIDVCA基礎(chǔ)模型和算法，結(jié)合內(nèi)河渡船駕駛員的經(jīng)驗，對內(nèi)河渡船的碰撞危險預(yù)警及避碰決策進行研究。

1 不同等級碰撞危險預(yù)警量化模型

1.1 碰撞危險預(yù)警等級量化依據(jù)

渡船通常采用改向加變速的方法避讓過往船舶，同時將避讓行動及時告訴來船。文獻[11]詳細闡述鎮(zhèn)揚汽渡船(鎮(zhèn)江來往揚州的汽車渡船)避讓操縱方法。在相同的會遇態(tài)勢下，當來船與渡船存在碰撞危險時，來船的大小會影響渡船駕駛員的避讓操縱,其大小根據(jù)當?shù)氐囊?guī)定區(qū)分。當來船為大船時，一般危險情況下渡船駕駛員會選擇小角度改向加速通過大船的艏部,中等危險情況下渡船駕駛員會選擇中等角度改向減速通過艉部,較危險情況下渡船駕駛員會選擇大角度改向減速通過艉部。當來船為小船時，中等危險情況下渡船駕駛員會選擇中等角度改向通過艏部，其他情況與大船一致。

綜上所述，將危險等級劃分為一般危險(一級危險)、中等危險(二級危險)和較危險(三級危險)等3種等級。在不同會遇局面、不同碰撞危險等級情況下，渡船駕駛員會有不同的避讓操縱，以此為依據(jù)，采用相對運動幾何分析法建立碰撞危險預(yù)警等級量化模型，通過計算每種操縱方式的施舵時機確定會遇局面的危險等級。當來船與渡船形成危險態(tài)勢時:若小角度加速過艏部的施舵時機大于0，表明還有時間采取小角度改向加速的操縱方式通過來船的艏部，此時對應(yīng)的危險等級為一級危險；若小角度加速過艏部的施舵時機小于0，中等角度變速的施舵時機大于0，表明還有時間采取中等角度改向和變速的操縱方式經(jīng)過來船的艏部或艉部，此時對應(yīng)的危險等級為二級危險；需通過大角度減速的操縱方式經(jīng)過來船的艉部時對應(yīng)的危險等級為三級危險。在各危險等級下改向角的大小由專家知識庫決定。

1.2 碰撞危險預(yù)警等級量化幾何模型

在一般情況下，內(nèi)河渡船與順航道航行的船舶形成的會遇局面都是交叉局面。以左交叉會遇局面為例，采用相對運動幾何分析法對渡船和來船會遇態(tài)勢進行建模，見圖1。

圖1 渡船預(yù)警幾何模型

臨界碰撞距離SDAmin為兩會遇船舶在不避讓的情況下安全通過的最小值，兩船會遇小于該值就會發(fā)生碰撞。臨界安全會遇距離SDAL為在SDAmin的基礎(chǔ)上加上專家知識庫中的安全富余量MS得到的數(shù)值，該值為渡船駕駛員對會遇局面是否存在危險的主觀感受值，將其作為危險判斷的閾值。將SDAL作為安全會遇距離SDA的內(nèi)邊界。當tCPA≥0且|dCPA|≤SDAL時,表示渡船當前的會遇存在危險，之后才會進入危險等級的判斷。SDAL為渡船在中等危險時的兩船通過距離，其計算見式(1)。安全富余量需要根據(jù)當時的渡船與他船的會遇局面和他船的船速、大小、通過渡船艉部或艏部在專家知識庫中選取。最大安全會遇距離SDAmax是在SDAL的基礎(chǔ)上加上1次渡船操縱余量MS_c得到的，此距離為保證渡船避讓他船時仍有1次操縱的余地,使兩船能在SDAL外通過。將SDAmax作為安全會遇距離的外邊界，即SDA∈(SDAL,SDAmax)。SDAmax為渡船在一般危險時兩船通過的距離，其計算見式(2)。當渡船通過他船艏部時,MS_c的取值為渡船在一般危險時的操縱延遲量;當渡船通過他船艉部時,MS_c的取值為渡船在中等危險時的操縱延遲量。

SDAL=SDAmin+MS

(1)

SDAmax=SDAL+MS_c

(2)

在相對運動幾何模型中求解目標船相對于渡船的相關(guān)參數(shù)。定義相對運動航向為Cr，avO為變速之后的渡船航速,見式(3);改向幅度為AC，變速幅度為vAO，sign(vAO)為變速符合函數(shù)，加速時為1，減速時為-1。新的相對運動航速vrn見式(4),新的相對運動航向Crn見式(5)。

avO=vO+sign(vAO)×vAO

(3)

(4)

(5)

RML和NRML′的直線方程見式(6)，sign(SDA)為SDA的符號函數(shù)，該值與交匯特征相關(guān)聯(lián)。

(6)

將計算出的Crn代入式(5)中即可求出轉(zhuǎn)向點的坐標為b(xb,yb)。

(7)

考慮到渡船操縱的延遲，將該延遲轉(zhuǎn)化為目標船在相對運動中呈現(xiàn)出的相對位移SS。[10]首先計算出橫向x軸和縱向y軸上的位移分量為

(8)

式(8)中:t為渡船轉(zhuǎn)向所用的時間;dTm為旋回初徑;dAdm為旋回進距;Ct為目標船的真航向。對dTm、dAdm的計算暫時采取簡化處理，取渡船全速轉(zhuǎn)向小角度、中等角度和大角度等3種情況下的數(shù)值。

相對位移SS為

(9)

估計施舵點，在RML線上取點a(xa,ya)作為施舵點，由式(8)和式(9)可得出點a的計算式為

(10)

由此可計算出到達施舵點的時間為

(11)

將(6)和式(7)中的SDA替換為SDAmax、SDAL和SDAmin即可計算出施舵時機TL1、TL2和TL3。當計算出的各最晚施舵點的距離小于兩船之間的距離時，令對應(yīng)的施舵時值負。

1.3 危險等級判斷閾值模型

為實時判斷渡船和危險來船所處的危險等級，對模型計算出的各施舵時機進行評判，建立危險等級判斷模型為

1) 1級預(yù)警(一般危險)：TL1≤alarm且TL1≥0。

2) 2級預(yù)警(中等危險)：TL2≥0且TL1<0。

3) 3級預(yù)警(較危險)：TL3≥0且TL2<0。

閾值alarm為預(yù)警提前量，即當模型計算出的TL1小于此值之后才開始預(yù)警，alarm的取值由渡船駕駛員設(shè)置。

1.4 碰撞危險預(yù)警算法設(shè)計

運用PIDVCA基礎(chǔ)模型和算法設(shè)計碰撞危險預(yù)警算法流程見圖2。渡船預(yù)警算法主要步驟如下。

圖2 渡船碰撞危險預(yù)警算法流程

1.4.1運動要素和避碰參數(shù)計算

計算每艘來船的tCPA、dCPA、Cr和vr等參數(shù)。

1.4.2典型會遇態(tài)勢的識別

由態(tài)勢識別算法根據(jù)每艘來船的船長、航向和本船航向可識別出渡船的運營方向和與來船的會遇態(tài)勢，船長主要識別過往船舶為大船或小船。

1.4.3計算渡船危險評判閾值

根據(jù)每艘來船與渡船的會遇關(guān)系計算來船與渡船的SDAmin，根據(jù)會遇態(tài)勢和dCPA符號判斷渡船過目標船的艏或艉，進而從專家知識庫中找到渡船對應(yīng)每艘來船的安全富余量MS，并計算渡船與每艘來船的SDAL和SDAmax。

1.4.4危險判斷

如果tCPA為正值且dCPA

1.4.5專家知識的關(guān)聯(lián)

根據(jù)每艘存在危險的來船與渡船的會遇態(tài)勢，從專家知識庫中給出渡船對應(yīng)每艘危險來船一般危險下的專家決策。

1.4.6預(yù)警模型參數(shù)計算

首先計算每艘危險來船對應(yīng)的TL1，并判斷TL1是否小于alarm，若大于alarm,則轉(zhuǎn)入第4.1.5節(jié)繼續(xù)計算TL1。反之，判斷TL1是否大于0，若大于0,則轉(zhuǎn)到第4.1.7節(jié)，反之轉(zhuǎn)到第4.1.5節(jié)，關(guān)聯(lián)渡船對應(yīng)的每艘危險來船二級危險決策,并計算SDAL使用的安全富余量MS，計算每艘危險來船的TL2，判斷TL2是否大于0，若大于0,則轉(zhuǎn)到第4.1.7節(jié)，反之轉(zhuǎn)到第4.1.5節(jié)，關(guān)聯(lián)三級危險決策，計算TL3之后轉(zhuǎn)到第4.1.7節(jié)。

1.4.7危險等級判斷模型

將渡船對應(yīng)每艘危險來船的TL1、TL2和TL3代入危險判斷，進行危險等級的判斷，轉(zhuǎn)到第4.1.1節(jié)繼續(xù)監(jiān)控。

2 避碰決策算法設(shè)計

以PIDVCA算法為基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)河渡船駕駛員的專家避讓操縱知識庫，初步完成算法的設(shè)計與仿真。

2.1 PIDVCA算法

PIDVCA算法是以《國際海上避碰規(guī)則》為準則，綜合考慮船舶操縱性、海員的習(xí)慣做法和優(yōu)良船藝，運用相對運動幾何原理建立船舶會遇態(tài)勢數(shù)學(xué)模型，并實現(xiàn)對船舶會遇態(tài)勢的定性分析和對目標船相關(guān)參數(shù)的定量計算，最終完成自動推理、決策評估和決策輸出。[4-7]

2.2 渡船避碰算法設(shè)計

基于PIDVCA基礎(chǔ)模型和算法設(shè)計內(nèi)河渡船危險預(yù)警和避碰決策算法流程見圖3，該算法與開闊水域PIDVCA算法的主要區(qū)別在于：穿越航道的渡船為讓路船；初始避讓決策以航行區(qū)域典型會遇態(tài)勢下的專家避讓操縱決策庫為基本依據(jù)。該算法的主要步驟如下。

圖3 渡船危險預(yù)警和避碰決策算法流程圖

2.2.1碰撞危險等級的量化

利用渡船碰撞危險預(yù)警等級算法判斷各來船是否存在危險以及確定危險來船的危險預(yù)警等級。

2.2.2避讓重點船的確定

根據(jù)各危險來船的TL1的施舵時機確定重點避讓船，TL1越小越危險，當只有1艘船時,該來船為重點避讓船。

2.2.3與專家決策庫相關(guān)聯(lián)的初始避讓決策的確定

根據(jù)重點避讓船的會遇態(tài)勢和危險等級，在專家決策庫中找到對應(yīng)的初始避讓決策。

2.2.4最終避讓決策的校驗與優(yōu)化

以初始決策為基礎(chǔ)，效驗與優(yōu)化生成最終的避讓決策，確定決策能安全避過周圍的所有船舶。

2.2.5方案輸出

輸出各危險來船的預(yù)警等級和避讓決策。

3 仿真及結(jié)果分析

以鎮(zhèn)揚汽渡水域為例，在SIHC平臺上模擬該水域的局部交通流，并將內(nèi)河渡船危險預(yù)警和避碰決策算法集成到本船端。本船端集成鎮(zhèn)揚汽渡船的MMG(Mathematical Model Group)模型，使用模糊自動舵對船?？刂啤．斘ｋU等級為一級時,平臺上目標船的速度矢量線會變成藍色，二級時為橙色，三級時為紅色。

3.1 鎮(zhèn)揚汽渡船專家知識庫

鎮(zhèn)揚汽渡船水域位于長江流域的江蘇段，連接鎮(zhèn)江和揚州，主要擔(dān)任運輸車輛和旅客的任務(wù)，兩岸直線距離1.6 km，正常情況下1個班次用時約8 min，渡船由2個前后可360°旋轉(zhuǎn)的螺旋槳控制航向，操縱靈活。鎮(zhèn)揚汽渡船水域交通流見圖4,其中:標志符之間的連線為不同的航道;箭頭為航道的方向。第3.1節(jié)采用從B點(鎮(zhèn)江站)到A點(揚州站)方向的渡船，以與D2F航道運行的目標船形成的左交叉的會遇態(tài)勢為案例進行仿真研究。[11]根據(jù)《長江江蘇段船舶定線制規(guī)定(2013)》的規(guī)定：大型船舶是指船長80 m及以上的船舶、船隊(吊拖船隊除外)；小型船舶是指大型船舶之外的船舶、船隊。

通過咨詢豐富經(jīng)驗的鎮(zhèn)揚汽渡船船長和調(diào)查問卷，得出不同會遇態(tài)勢下的安全富余量和避讓操縱決策庫。避讓操縱決策庫和左交叉D2F會遇態(tài)勢時的知識庫分別見表1和表2。

圖4 鎮(zhèn)揚汽渡水域交通流

表1 避讓操縱專家知識庫相關(guān)內(nèi)容

表2 MS專家知識庫相關(guān)內(nèi)容

由表1可知:鎮(zhèn)揚汽渡船改向的小角度為15°，中等角度為30°，大角度為50°，施舵時機分別對應(yīng)TL15、TL30和TL50，通過“鎮(zhèn)揚汽渡船監(jiān)控系統(tǒng)”實船觀測渡船航速的變化，發(fā)現(xiàn)渡船在避讓減速時其航速在大多數(shù)情況下降到1～2 kn，加速時可上升到8～10 kn。通過咨詢渡船駕駛員，alarm的值設(shè)置為30 s。

3.2 渡船預(yù)警和避碰仿真

3.2.1單目標船避碰仿真

渡船參數(shù)：航向340°，航速4 kn，船長76.5 m。

目標船：航向37.5°，航速7 kn，船長135 m，兩船距離為483 m。

渡船與來船初始態(tài)勢和預(yù)警效果見圖5，初始位置時兩船的預(yù)警和避讓決策參數(shù)見圖6。此時|dCPA|0，存在危險，一級危險下對應(yīng)的決策施舵時機TL15(TL1)=27.6 s，小于alarm(30 s)，開始預(yù)警顯示，渡船的避讓決策為施舵時機為0.47 min(28 s)，改向角CA為15°并加速5 kn，US為加速標志符，值為1時為加速，復(fù)航時機為1.57 min。渡船采取避讓決策之后的效果見圖7，渡船的實時dCPA變化曲線見圖8，dCPA的穩(wěn)定值大于過大船艏部時的碰撞危險預(yù)警閾值SDAL，兩船處于安全態(tài)勢。

圖5 單目標船會遇初始狀態(tài)和預(yù)警效果

3.2.2多目標船避碰仿真

渡船參數(shù)為：航向340°;航速5 kn。目標船參數(shù)見表3。

渡船初始態(tài)勢圖見圖9，4艘目標船從左下角開始,依次為TS4、TS1、TS2和TS3。預(yù)警參數(shù)是重點避讓船TS1的相關(guān)參數(shù)見圖10，所有目標船的初始狀態(tài)下的危險預(yù)警參數(shù)見表4。

圖6 預(yù)警和避讓決策參數(shù)

圖7 單目標船安全避讓效果圖

圖8 渡船實時dCPA變化曲線

圖9 多目標船會遇初始狀態(tài)和預(yù)警效果

由表3和表4可知：存在危險的目標船為TS1和TS4，他們的TL15均小于0，TL30均大于0，兩船和渡船處于二級危險狀態(tài)，根據(jù)TL30的值可確定重點避讓船為TS1。TS2和TS3的dCPA均大于其臨界安全會遇距離SDAL，故不存在危險。此時針對重點船為大船的初始避讓決策為改向30°并減速通過艉部，最終給出的優(yōu)化決策方案參數(shù)見圖10。方案為立即施舵，向右改向45°并減速4 kn，DS為減速標識符，復(fù)航時機為2.5 min。渡船采取避讓決策之后的效果見圖11。渡船對各目標船的實時dCPA和tCPA的變化曲線見圖12。圖11中只有dCPA的數(shù)值一直是在TL50的,這是因為渡船以TS1為重點目標船自動生成決策。100 s之后,除了TS4之外,所有目標船的tCPA都小于0。由圖11可知:此時渡船與目標船TS4變?yōu)門S4追越渡船的態(tài)勢，兩船的dCPA在50 m附近波動，通過在“鎮(zhèn)揚汽渡船監(jiān)控系統(tǒng)”平臺上進行實船觀測，此距離在安全范圍之內(nèi)。

表3 試驗場景參數(shù)設(shè)置

表4 船舶預(yù)警參數(shù)

圖10 重點避讓船預(yù)警和決策參數(shù)

圖11 多目標船安全避讓效果圖

a) dCPA變化曲線

2個試驗仿真結(jié)果證明:本文建立的與專家知識相關(guān)聯(lián)的危險等級量化模型和避碰決策算法能實現(xiàn)渡船與危險來船的危險等級預(yù)警功能，并能為危險渡船提供符合渡船駕駛員避讓操縱行為習(xí)慣的避讓方案。

4 結(jié)速語

本文建立與專家知識相關(guān)聯(lián)的渡船碰撞危險預(yù)警等級量化幾何模型，并基于PIDVCA基礎(chǔ)算法，初步實現(xiàn)與專家知識相關(guān)聯(lián)的渡船避碰決策算法的設(shè)計。通過在SIHC上模擬鎮(zhèn)揚汽渡水域的局部交通流，對算法進行仿真測試。結(jié)果表明：該算法能實現(xiàn)與專家避讓決策相關(guān)聯(lián)的危險等級預(yù)警功能，并自動生成與渡船駕駛員避讓操縱習(xí)慣一致的避碰決策。該研究為后續(xù)渡船避碰避險復(fù)合算法的研究和最終的實船應(yīng)用提供了理論支持，算法的完備性有待后續(xù)進一步完善和仿真驗證。