船舶操縱模擬器的危險性評估與預(yù)報

張一鳴

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引 言

船舶操縱模擬器在船舶駕駛培訓(xùn)、海事分析、航道規(guī)劃設(shè)計等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為通航安全性評估提供了技術(shù)支持。在船舶通航危險性評估中，要對各項船舶操作和航行狀況進(jìn)行模擬，具體分析在不同航道中本船與目標(biāo)船存在碰撞的可能性，及時評估航行水域是否會發(fā)生事故危險，進(jìn)而發(fā)布預(yù)報，警示船舶操縱者調(diào)整航行方案，規(guī)避碰撞、擱淺等風(fēng)險。

1 船舶操縱模擬器與危險性評估

1.1 船舶操縱模擬器

船舶操縱模擬器在電子海圖上能夠清晰顯示船舶動態(tài)圖形，對航行狀態(tài)下的操縱運動模擬記錄下來，評估船舶航行存在的危險性，并進(jìn)行預(yù)報。操縱模擬器可以滿足多種類型的船舶航行危險性評估需求，如散貨船、郵輪、客船、集裝箱船等，同時支持多種模擬環(huán)境選擇，包括通航環(huán)境、航道工程、港口碼頭等，其系統(tǒng)框架如圖1 所示。該系統(tǒng)配置大屏幕環(huán)形投影設(shè)備，水平視場角為270°，系統(tǒng)可以對副本船平面投影，方便本船利用電子海圖掌握碰撞危險性信號。

圖1 船舶操縱模擬器系統(tǒng)的組織框架圖Fig.1 Organization framework of ship maneuvering simulator system

1.2 危險性評估

在船舶操縱模擬器危險性評估中，要建立起操縱運動數(shù)學(xué)模型，對定速航行、加速航行、減速航行、淺水下操縱、風(fēng)流影響下操縱等多種航行條件進(jìn)行模擬，同時還要考慮兩船相遇受到浪、風(fēng)作用后能夠產(chǎn)生的船體運動軌跡變化。危險性評估要做好各項準(zhǔn)備工作，擬定設(shè)計評估方案，在操縱模擬器中模擬船舶航行的安全保障措施，記錄模擬數(shù)據(jù)，包括模擬環(huán)境數(shù)據(jù)、操縱者指令、船舶運動信息等，之后再利用航跡數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)疊加處理，用圖形展示航跡，作出合理的危險性評估判斷。危險性評估需要假設(shè)分析條件，在操縱模擬器中設(shè)置風(fēng)流、船舶滿載、船舶調(diào)頭、航道航行速度、目標(biāo)船舶、試驗工況等多項參數(shù)，根據(jù)模擬試驗情況，得出危險性評估結(jié)果，對船舶航行提出安全操縱措施建議，如控制航速、航道單向管制、不得停靠其他船舶等措施。

2 船舶操縱模擬器的危險性評估與預(yù)報

2.1 寬水域航行碰撞危險性評估與預(yù)報

在無障礙物、水深足夠的寬水域航行條件下，船舶航行無需考慮擱淺、觸礁等危險，只需考慮是否會出現(xiàn)多船碰撞的可能性。船舶操縱模擬器可以自動評價本船6 nmile 范圍內(nèi)的其他船舶，評估船舶碰撞的危險性，為船舶避讓提前做出預(yù)報。在寬水域航行中，船舶會遇領(lǐng)域分為危險領(lǐng)域（RD）、安全會遇領(lǐng)域（SD）、動界領(lǐng)域（AD），3 種領(lǐng)域如圖2 所示。

圖2 寬水域航行狀態(tài)下船舶會遇領(lǐng)域劃分Fig.2 Division of areas encountered by ships under wide water navigation

根據(jù)圖2 可知，在會遇領(lǐng)域劃分中需要考慮到航區(qū)能見度、海上風(fēng)浪、通航密度、船舶操縱性、水深、避碰規(guī)則等因素，這些因素都是動態(tài)變化的，需要操縱模擬器給出危險性評價。為簡化操縱模擬器的模型，令任一舷角的RD，SD，AD 值為固定值，具體劃分為用戶設(shè)定與系統(tǒng)默認(rèn)形式。當(dāng)多目標(biāo)船可能與本船會遇的情況下，RD，SD，AD 值會發(fā)生變化，分為本船追目標(biāo)船、目標(biāo)船追本船以及其他情況。在危險性評價中，綜合分析各項影響因素，根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)確定DCPA 和TCPA 的變化值，當(dāng)操縱模擬器判斷本船不能安全航行通過指定區(qū)域時，及時發(fā)揮出危險性預(yù)報。當(dāng)目標(biāo)船舶接近本船時，DCPA 的評價模型為：

式中：為本船與目標(biāo)船舶的相對速度；為相對運動距離，根據(jù)和能夠評估出船舶碰撞的危險性，判斷的標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：u為目標(biāo)船舶在會遇的情況下與本船存在的碰撞危險性。當(dāng)u=1 時，表明碰撞發(fā)生，操縱訓(xùn)練需停止；當(dāng)u=0 時，表明不會發(fā)生碰撞，或者已經(jīng)解除碰撞風(fēng)險，此時本船處于安全航行狀態(tài)；當(dāng)u為非0 和非1 的其他值時，表明本船處于除上述2 種情況之外的其他情形。

在危險性預(yù)報階段，根據(jù)危險性評估結(jié)果及時預(yù)報避讓行動，具體包括：目標(biāo)船舶自由行動6 n mile 以上，無需采取避讓操作；目標(biāo)船舶距離本船3～6 n mile，發(fā)出及早采取行動預(yù)報；目標(biāo)船舶距離本船3～2 n mile，發(fā)出采取行動預(yù)報；目標(biāo)船舶距離本船2 n mile 以內(nèi)，發(fā)出采取避碰行動預(yù)報。

2.2 狹水道航行擱淺危險性評估與預(yù)報

狹水道是指受到水域限制，航行中存在礁石、淺灘等障礙物的狹長水道，此類型水道具備水深淺變化大、形態(tài)彎曲、船只多、障礙物多等特點，船舶在此處航行易發(fā)生危險性事件。在全面考慮本船航速、航向、航行條件等因素的情況下，采用擱淺危險性評價算法對船舶航行存在的危險性進(jìn)行評估和預(yù)報。當(dāng)危險性評估取值為0 時，表明船舶不會發(fā)生擱淺事件。當(dāng)危險性評估取值為1 時，表明船舶必然會發(fā)生擱淺事件。當(dāng)危險性評估取值介乎于0～1 時，表明船舶發(fā)生擱淺事件的可能性高低。船舶操作模擬器能夠自動記錄擱淺危險性評估信息，用于評價船舶的航行操縱水平。狹水道分為直航道、曲航道兩大類型，根據(jù)點到直線距離的不同，還可以將直航道細(xì)分為3 種不同的類型，左中右航道的危險性指數(shù)分布曲線如圖3所示。

圖3 狹水道中左中右航道的危險性指數(shù)分布曲線Fig.3 Distribution curve of risk index of left,middle and right waterway in narrow waterway

在直航道中，按照航道中線劃分為左航道和右航道，船舶航行方向為航道中線。當(dāng)船舶航行在右航道上時，用D表示航道中線到船舶中心的垂直距離；當(dāng)船舶航行在左航道時，用表示航道中線到船舶中心的垂直距離；如果D==0，那么表示船舶航行在航道中線上；用V表示船舶沿著D航行的速度分量，用表示船舶沿著航行的速度分量；當(dāng)V和均為負(fù)數(shù)時，表明船舶偏離左航道或右航道，即船舶擱淺的危險性降低；當(dāng)V和均大于0 時，表明船舶向左航道或右航道靠近，即船舶擱淺的危險性增大，需及時發(fā)出危險性預(yù)報。

2.3 狹水道航行碰撞危險性評估與預(yù)報

當(dāng)船舶在狹水道上通行時，受航行水域過于狹窄的影響，增加了船舶與船舶之間的避讓失敗風(fēng)險，導(dǎo)致狹水道航行碰撞危險性增加。根據(jù)統(tǒng)計調(diào)查資料顯示，狹水道是船舶碰撞事故最多的區(qū)域，部分狹水道寬度僅幾百米，在風(fēng)力作用下，大型船舶在與小船相遇時，可能會突然竄到小船航道，增加碰撞危險性。所以，加強對狹水道船舶碰撞危險性評估顯得尤為重要。在評估狹水道碰撞危險性時，需考慮船舶長度、航行速度和駕駛員操作能力等因素。本文引入球場式船舶領(lǐng)域分析方法，判斷碰撞危險性高低。共分為以下3 個領(lǐng)域：危險領(lǐng)域，當(dāng)本船各舷角目標(biāo)臨界小于船尾180°舷角上的分布時，表明存在較高的碰撞危險性；安全領(lǐng)域，當(dāng)本船各舷角的安全會遇距離分布在船尾180°舷角上時，表明船舶在安全區(qū)域航行；動界領(lǐng)域，該領(lǐng)域是為保證危險領(lǐng)域中船舶不會發(fā)生碰撞事件而設(shè)置的特定安全會遇領(lǐng)域。當(dāng)本船遇到大型目標(biāo)船時，狹水道船舶碰撞危險性分析會按照目標(biāo)船船頭、船尾與本船船頭、船尾可能發(fā)生的會遇勢態(tài)進(jìn)行評估，及時發(fā)出預(yù)報。

3 模擬實驗

3.1 實驗說明

為驗證船舶操作模擬器對危險性評估和預(yù)報的有效性，構(gòu)建仿真系統(tǒng)進(jìn)行實驗分析。系統(tǒng)具備創(chuàng)建航行區(qū)域、轉(zhuǎn)換參數(shù)處理、控制船舶運用、評價碰撞危險性、評價擱淺危險性等功能。實驗環(huán)境設(shè)置為寬水域和狹水道，直航道的長度為3 704 m，走向為000°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無限水深；直航道的長度為3 704 m，走向為045/225°，彎曲度為45°，寬度為141 m，無限水深；直航道的長度為3 704 m，走向為090/270°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無限水深。

本船船長260 m，船寬43 m。目標(biāo)船共4 艘，船長211 m，船寬32 m。船舶采樣周期均為0.5 s，每間隔3 s 評估船舶碰撞或擱淺危險性。船舶運動控制部分用于對操縱參數(shù)、船位解算進(jìn)行處理，當(dāng)在狹水道環(huán)境下實驗時，根據(jù)新船位暫定虛擬船位。當(dāng)船速為2.6 m/s，加速度為0.02 m/s時，滿舵狀態(tài)下的轉(zhuǎn)首角速度為0.007 rad/s，舵角為15°的轉(zhuǎn)首角速度為0.005 rad/s，舵角為5°的轉(zhuǎn)首角速度為0.001 rad/s。啟動船舶操縱模擬器進(jìn)行參數(shù)配置，啟動流程如圖4 所示。評價模塊可供選擇，配置ED，SD，AD 參數(shù)，配置后點擊運行程序。

圖4 船舶操作模擬器評價模塊參數(shù)配置啟動流程圖Fig.4 Startup flow chart of parameter configuration of ship operation simulator evaluation module

3.2 模擬驗證結(jié)果

船舶操縱模擬器的仿真驗證結(jié)果如下：

在寬水域航行中，船舶操縱模擬器評估碰撞危險性評估結(jié)果如圖5 所示。在全速狀態(tài)下，遇到1 艘目標(biāo)船，在左舷前方交叉，（collision）最小值為0，最大值為0.47，平均值為0.32。從圖5 可以看出，前段航行無危險度，目標(biāo)船距離本船較遠(yuǎn)，當(dāng)目標(biāo)船接近后，本船的危險性增大；本船與目標(biāo)船橫向相遇時，危險性評估值最大，之后出現(xiàn)危險性評估值下降，表明兩船碰撞危險性減小，直到無危險性。

圖5 寬水域航行本船與1 艘目標(biāo)船碰撞的危險性評估結(jié)果Fig.5 Risk assessment results of collision between the ship and one target ship when sailing in wide waters

在寬水域航行中，寬水域航行本船與3 艘目標(biāo)船碰撞的危險性評估結(jié)果如圖6 所示。歸一化運算后，（collision）最小值為0，最大值為0.64，平均值為0.43。可以判斷初始階段的航行未出現(xiàn)危險性，當(dāng)多船相遇后出現(xiàn)危險性值曲線起伏變動，相遇過后危險性評估為0。

圖6 寬水域航行本船與3 艘目標(biāo)船碰撞的危險性評估結(jié)果Fig.6 Risk assessment results of collision between the ship and three target ships when sailing in wide waters

在狹水道航行中，船1 與船2 目標(biāo)船碰撞危險性評價中，（collision）最小值為0，最大值為0.44，平均值為0.28。船舶從初始階段距離目標(biāo)船舶1.7 nmile之外的區(qū)域危險性較小，當(dāng)船舶相互接近時，碰撞危險性增加，兩船相遇之后，碰撞危險性降低，順利通過狹水道之后危險性降至0。

在狹水道航行中，本船可能會交叉相遇目標(biāo)船。（Grounding）最小值為0.10，最大值為0.75，平均值為0.57。船舶從初始階段開始存在一定危險性，當(dāng)船舶舵角左轉(zhuǎn)調(diào)整到10°后，通航的危險性評估值也隨之下降。當(dāng)船舶改到左航道后，危險性陡然升高，達(dá)到峰值，之后在船舶靠近航道中線后危險性下降。

4 結(jié) 語

船舶操縱模擬器是檢驗船舶通航環(huán)境安全性的重要技術(shù)，也是培訓(xùn)船舶駕駛員的重要工具。在使用船舶操縱模擬器時，要對各種海況和通航環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，輸入相關(guān)參數(shù)，生成電子海圖，顯示船舶動態(tài)圖形，進(jìn)而對船舶通航環(huán)境是否存在碰撞、擱淺等事故進(jìn)行評估，及時判斷船舶航行的危險性，準(zhǔn)確作出通航環(huán)境安全性評價。