基于船舶碰撞危險度的內(nèi)河船舶避碰決策研究

劉東

（山東省濟寧市交通運輸綜合執(zhí)法支隊，山東 濟寧 272000）

隨著水上交通的增長，內(nèi)河航道的航行環(huán)境變得更加復雜和擁擠，船舶碰撞風險增加（如圖1）。航道的水位變化、寬度、通航密度和水深的季節(jié)性變化，以及跨江大橋的增多，都加大了船舶的安全操控難度。降低船舶碰撞風險已成為航運安全的重要挑戰(zhàn)。本文應用時間碰撞危險度（TCPA）和空間碰撞危險度（DCPT）評估內(nèi)河船舶的碰撞危險，并優(yōu)化碰撞危險度算法，快速準確地計算碰撞危險度。進一步建立船舶自動避碰決策模型，旨在降低碰撞風險、提高航運效率。

圖1 長江入?？诟浇Ｓ蛲ê角闆r

1 船舶會遇態(tài)勢階段劃分

內(nèi)河航行的船舶會遇態(tài)勢可分為對遇（F）、交叉相遇（A、B、E）和追越（C、D），如圖2 所示。

圖2 基于相對方位角劃分的船舶會遇態(tài)勢

《內(nèi)河避碰規(guī)則》(以下簡稱“規(guī)則”)中對于“直航船的行動”的會遇局面劃分為以下四個局面：自由行動、形成碰撞危險、形成緊迫局面、形成緊迫危險，如表1 所示。

表1 船舶會遇過程中的碰撞階段劃分

在船舶相遇過程中，兩船的交會情況不一定遵循預定序列。在特定情境下，可能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫o迫或高風險場合。船員需迅速評估交會態(tài)勢，并制定合理的避障策略，以最大限度地降低碰撞風險。

2 碰撞幾何原理

在"規(guī)則"中，“碰撞危險”一詞未被明確定義。船舶碰撞危險的主要判斷標準是兩船相遇時的最近會遇距離(DCPA)和到達最近會遇距離所需的時間(TCPA)。通常情況下，當DCPA 低于安全會遇距離且TCPA 較短時，應認為存在碰撞危險。船舶碰撞危險度(CRICollision Risk Index)是衡量船舶碰撞可能性大小的量，表示船舶之間不存在碰撞危險，CRI=1,表明兩船不可避免碰撞，CRI 介于兩者之間時，兩船結(jié)合實際情況采取適合的避碰行動，具體見圖3。

圖3 船舶碰撞危險度曲線

2.1 船舶相對運動參數(shù)計算

內(nèi)河航行的互見船舶在會遇中，設本船的地理坐標為（x0，y0），船船速v0、航向C0，目標船的地理坐標為（x1，y1），船航速v1、航向C1，兩船距離為D，目標船的相對方位為Tr，船舶相對運動示意圖如圖4 所示。

圖4 船舶相對運動示意圖

參考文獻[1]，根據(jù)兩船的相對位置和運動學參數(shù)，算得兩船DCPA 和TCPA 如下：

其中，r 為兩船相對速度vr的方向，T 為目標船真方位。

2.2 本船改向后的運動參數(shù)計算

兩船會遇，我船作為讓路船，進行避碰操縱時，目標船保向保速航行，我船只要采取轉(zhuǎn)向操作，船舶的相對運動狀態(tài)就會時刻發(fā)生改變。船舶的DCPA，TCPA 的數(shù)值也會發(fā)生改變。對于船舶采取的操作措施，應該有效地使得船舶的DCPA 或TCPA 有所增加，使船舶免于碰撞。船舶在采取轉(zhuǎn)向避讓行動時的運動參數(shù)變化如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)向后船舶相對運動示意圖

總之，在船舶避碰決策中，首要任務是對船舶的運動參數(shù)進行計算，以準確判斷船舶的當前狀態(tài)和未來可能的動作。該決策應綜合考慮船舶的速度、航向、尺寸、轉(zhuǎn)向性能，以及相對航向、相對速度、最近會遇點、海況和環(huán)境因素。避碰行動需要遵守“規(guī)則”，并結(jié)合動態(tài)路徑預測和船舶間的通信進行調(diào)整。高級的避碰決策還可能利用數(shù)學模型和算法來預測未來路徑并做出更準確的決策。

3 船舶碰撞危險度及模型建立

船舶碰撞危險度的概念尚未在學術(shù)界得到嚴格的定義，部分原因是其模糊性和不確定性特性。雖然海事法庭在案件處理中對兩船碰撞危險進行了定性解釋，但這仍然不足以闡明碰撞危險度的概念。自1983 年日本學者今津隼馬首次對碰撞危險度進行研究以來，學者們提出了多種碰撞危險度的計算方法，其中包括DCPA 和TCPA 加權(quán)法、模糊評價法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等。本研究采用DCPA 和TCPA 加權(quán)法[2]對碰撞危險度進行計算，并根據(jù)時間碰撞危險度(TCR-Time Collision Risk)和空間碰撞危險度(SCR-Space Collision Risk)構(gòu)建了相應的碰撞危險度模型[3]。

3.1 時間碰撞危險度(TCR)

TCR 定義如下：存在碰撞危險會遇兩船中的一船駛近到其最晚施舵點的時間上的緊迫程度，設船舶從采取措施時的位置到最晚施舵點處的時間為t1，船舶安全通過時間為t2，TCR 的大小是通過t1、t2和TCPA 的關系來確定的。若TCPA 小于t1，則TCR=1，兩船必然碰撞，若TCPA 大于t2，則TCR=0，兩船不存在碰撞危險，通常APRA 的量程為12 n mile，兩船的距離在12n mile 以上時，認為在時間上不存在碰撞危險。TCR＞0 時，表明他船還未駛過最近會遇點，TCR＜0 時，表明他船已駛過最近會遇點，令時間碰撞危險度的隸屬度函數(shù)為utt。

DLMA 表示船舶的最晚施舵距離。即當船舶駛近到即使本船轉(zhuǎn)向90°時，也不能避免碰撞的距離。DLMADCPA為最晚施舵點處船舶的DCPA 值，DLMA 的計算見文獻[4]。

3.2 空間碰撞危險度(SCR)

空間碰撞危險度(SCR-Space Collision Risk）的定義是：兩船存在碰撞危險的情況下，其中一船基于以下幾個主要指標來確定兩船發(fā)生碰撞的可能性大?。核某跏甲罱鼤鼍嚯x、初始最近會遇距離點的方位、他船相對于本船的相對方位以及兩船的最低安全會遇距離。這些指標綜合反映了船舶之間的空間關系和碰撞風險程度。船舶的安全會遇距離為d1，船舶安全通過距離為d2，SCR 的大小通過d1、d2和DCPA 的關系來確定，當本船與他船的初始會遇距離小于船舶安全會遇距離時，SCR=1，兩船不管怎樣采取措施都不可避免碰撞，當本船與他船初始會遇距離大于安全通過距離時，SCR=0，說明兩船不存在碰撞危險，若時，SCR的取值范圍隨著DCPA 的取值變化，令空間碰撞危險度的隸屬度函數(shù)為udt。

3.3 船舶碰撞危險度模型

利用時間碰撞危險度和空間碰撞危險度計算船舶碰撞危險度，其模型如下:

在船舶避讓操作中，核心目標是確保SCR 和TCR的數(shù)值低于安全閾值。低于閾值即意味著避讓行動是有效的，且兩船能夠安全地避讓對方。

4 船舶自動避碰決策

內(nèi)河船舶的自動避碰決策是一個復雜的流程，其過程基于“規(guī)則”和良好的船藝，通過利用機器替代駕駛員進行決策，它涉及通過船載設備收集和處理關于船舶自身、周圍船舶和環(huán)境的信息[5]，評估碰撞的風險，制定和實施合適的避碰策略，內(nèi)河船舶自動避碰決策流程是結(jié)合“規(guī)則”、專家有關知識的基礎上,模仿專家采取行動的過程[6]。具體來說，這個過程可以分為三個階段：航跡保持階段、避碰階段、和復航階段。此外，人為因素在船舶碰撞事故中起著至關重要的作用。自動避碰決策流程可描述為圖6，該流程主要包括：

圖6 船舶自動避碰決策流程圖

（1）在航跡保持階段，船舶需實時評估與其他船的相對位置和運動狀態(tài)，判斷潛在碰撞風險。如有碰撞危險，轉(zhuǎn)入避碰階段采取措施；若無，繼續(xù)按原航線航行。

（2）實施避讓措施后，需判斷本船與他船是否避免了碰撞風險。如已避免，避碰結(jié)束；如未避免，繼續(xù)避碰行動。

（3）在復航階段，需持續(xù)評估與他船的相對狀況，判斷潛在碰撞風險。如有碰撞危險，中斷復航，重新進入避碰；若無，繼續(xù)復航至原航線。

圖6 展示了避碰決策流程，船舶自動避碰決策體系涵蓋了信息采集、信息處理、碰撞危險度確認、避讓措施選擇、復航時機和應急預案等環(huán)節(jié)，可全面模擬實際海上情況，確保船舶安全行駛。

在內(nèi)河中，船舶的有效避讓方式主要有三種：僅依靠轉(zhuǎn)向、僅依靠變速、以及轉(zhuǎn)向和變速的結(jié)合。當兩船在內(nèi)河中相遇存在碰撞危險時，應該按照如圖7 所示的流程尋求本船的有效避讓行動方案：

圖7 有效避讓行動方案流程

在圖7 中，我們根據(jù)本船和他船的初始運動狀態(tài)數(shù)據(jù)以及《內(nèi)河避碰規(guī)則》判斷本船在會遇中是直航船還是讓路船。若本船是直航船且他船已采取有效避讓行動，本船應保持航向和航速不變。若本船是讓路船或他船未采取有效避讓行動，需要制定本船的避讓方案。

5 結(jié)語

船舶避碰決策是避碰理論的核心和難點，對實現(xiàn)船舶自動化至關重要。通過使用碰撞危險度指標，可以構(gòu)建自動避碰模型。根據(jù)碰撞危險度的程度，駕駛員能采取相應的避碰行動。利用TCPA 和DCPA 的相對隸屬度函數(shù)，可以計算碰撞危險度?；谧詣颖芘隽鞒?，能建立自動避碰決策模型，并確定避碰行動的時機和幅度。