英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

基于船舶操纵性的紧迫局面避碰动态支持系统

王鑫，刘正江，蔡瑶 大连海事大学航海学院，大连中国116026

1. 简介

近几十年来，海上交通运输中的船舶碰撞事故因其海上安全与环境保护问题而备受关注。特别是避碰系统被认为是一种有效的船舶避碰方法。经过多年的发展，一些海上避碰系统或模型已经取得了许多显著的成果，如自主避碰系统、决策系统等。例如，设计了一个包含专家经验在内的模糊避碰专家系统，旨在解决碰撞问题；提出了一种适用于不同航行环境的船舶碰撞风险预警系统框架和根据《国际海上避碰规则》(COLREGs)，研究了多船相遇情况下的分布式避碰决策支持公式。然而，上述的避碰系统仍然存在不足，也就是说，如果船舶为避免碰撞而采取某种行动，他们无法预测最近会遇距离(DCPA)和抵达最近会遇点的时间(TCPA)，并指出在一定范围内采取一系列措施后，DCPA和TCPA的变化趋势。在实际操作中，对其他船舶或障碍物的避碰操纵通常是由海员自行判断的。因此，为了协助海员判断应采取哪种行动和采取多大行动，因研究可以指示整体和实时DCPA和TCPA的避碰支持系统。

此外，船舶紧迫局面仍然是海上避碰中一个重大而棘手的问题。其原因在于世界上对“紧迫局面”一词没有统一的定量和定性的解释，确切的定义在《国际海上避碰规则》(COLREGs)中也没有给出。1972年国际海事组织(IMO)会议曾经考虑过指定开始运用的距离的可能性，但经过长时间的讨论，人们认为，这一距离无法量化。近几十年来，已有多篇文献对“紧迫局面”这一术语提出了不同的解释，并对近距离接触或临界条件下的避碰问题进行了研究。例如，根据《国际海上避碰规则》(COLREGs)，分别提出了船舶近距离相遇的碰撞风险评估方法和最优路径规划算法。

但在上述研究中，对船舶操纵性的研究还存在不足，即上述研究大多数忽略了船舶在避碰过程中对船舶操纵性的影响。一般来说，船舶操纵性是指船舶被操纵人操纵或受到外界环境干扰时的响应能力。由于船舶运动具有惯性大、时滞大、非线性等特点，船舶的操纵性是关系到船舶航行安全，特别是船舶避碰的重要问题。以往的文献已经指出，一个紧迫局面情况适用的距离取决于许多因素，包括船舶操作性。事实上，正如我们所知，在前面描述的基础上，船舶操纵性在紧迫局面情况下的避碰过程中起着非常重要的作用。

据作者所知，目前还没有基于避碰系统(或模型)将船舶操纵性应用于船舶紧迫局面的报告。因此，紧迫局面下的避碰需要进行深入的分析，并需要精确的建模。

基于以上观察，为了研究紧迫局面避碰过程中船舶操纵性的影响，本文提出了一种基于船舶操纵性的紧迫局面避碰动态支持系统。结合船舶操纵运动的数学模型，建立了避碰动态支持系统，船舶操纵运动的控制机理及避碰参数的动态计算模型。在此基础上，该系统能够消除在船舶避碰过程中忽视船舶操纵性的不足。

此外，通过将近距离情况纳入所提议的避碰动态支持系统，通过三种船舶紧迫局面相遇场景的仿真实例，说明了船舶操作性在避碰过程中的重要性和必要性，并说明了该系统的优点和有效性。仿真结果表明，所提出的动态支持系统是一种合理、有效、实用的避碰系统，特别是在紧迫局面情况下。

论文的其余部分按如下方式组织。第二节简要介绍了紧迫局面的概念。第三节简要介绍了避碰动态支持系统。第四节给出了两艘船舶紧迫局面相遇三种情形的仿真结果，并对仿真结果进行了详细分析。第五节为结论部分。

1. 紧迫局面

2.1．避碰程序的四个阶段

根据《国际海上避碰规则》(COLREGs)，当两艘船处于互见时互相靠近，罗经方位没有改变时且存在碰撞危险时，一船被要求必须让路。一般来说，每艘船的允许或必要行动可分为四个阶段：

1. 在远距离，在碰撞风险存在之前，两船可以自由采取任何行动。
2. 当发生碰撞危险时，要求让路船尽早采取实质性措施，以到达安全通过距离，另一船必须保向保速。
3. 当让路船明显不按照规定采取适当行动时，直航船必须发出规则所规定的汽笛信号，并获准仅靠其操纵采取行动以避免碰撞，但是，机动船不得向左转向去避让另一艘从其左舷通过的机动船。让路船不被解除其让路的义务。
4. 当仅凭让路船的行动无法避免碰撞时，直航船被要求采取最有助于避碰的行动。

每一阶段开始适用的距离将有相当大的差别。对于两艘机动船在公海上交叉对遇局面，建议第二阶段的外极限约为5-8海里，第三阶段的外极限约为2-3海里。

2.2．紧迫局面的概念

“紧迫局面”一词首先在《国际海上避碰规则》(COLREGs)第8条(c)款中提出：“如有足够的水域，则单用转向可能是避免紧迫局面的最有效行动，倘若这种行动是及时的，大幅度的并且不致造成另一紧迫局面。

此外规则的第19条d段和e段也提到了紧迫局面。然而，对于“紧迫局面”一词，世界上还没有统一的定量和定性的解释，确切的定义在《国际海上避碰规则》(COLREGs)中也没有给出。

例如，在1982年，“紧迫局面”的临时定义被提出，是指船舶周围的区域，当船舶在接近时发生较大的、突然的、意想不到的航向变化时，仅靠被接近船舶的行动是无法避免与正在靠近的船舶发生碰撞的。1983年，德意志民主共和国航海和海事委员会(Board of Navigation and Maritime Affairs of the German Democratic Republic)将其定义为“当两艘船在能见度有限的情况下有碰撞危险时，两艘船所行驶的距离均由防撞站计算”。此外，Sheen先生指出，“碰撞条例的结构旨在确保，只要有可能，船舶就不会陷入有碰撞危险，而且必须没有时间做出适当思考的决定的紧迫局面。此外，“当两艘船靠得很近时，以至于一艘船单独采取的行动不能避免碰撞”的定义被用于“紧迫局面”。

然而，由于种种原因，上述定义(或概念)并不精确。尤其是文献指出, 紧迫局面是指当两艘船靠得很近时，两艘船之间的距离，单靠一船采取的行动不能导致在安全距离内通过，仅靠一艘船的最有效的行动是无法避免碰撞的。这一定义(或概念)已被大多数专家所接受，并在本文中采用。

紧迫局面首次适用的距离并没有用海里定义，也不太可能，因为这取决于许多因素。在能见度不良的公海上，紧迫局面通常被认为开始适用在任何方向至少2 海里的距离，因为这是典型的大型船舶的汽笛在静止条件下的可听范围(见COLREGs附件三(1)(c))。较小的距离，大约为1 海里，适用于互见中的船舶。

此外，根据第8条(c)款，改变航向比改变速度更有效，因为它很快生效，而且易被他船视觉或雷达觉察。因此，如有足够的水域，则单用转向可能是避免紧迫局面的最有效行动，倘若这种行动是及时的，大幅度的并且不致造成另一紧迫局面。综上所述，本文采取的避免碰撞的主要措施是改变航向。

1. 避碰动态支持系统
   1. 船舶操纵运动的数学模型

将舵角度delta;与船舶航向角度ϕ相关的数学模型表示如下:

（1）

其中K为转向质量指标，T为转向质量时间常数。一个“螺旋测试”实验表明H（）可以近似为：

（2）

其中alpha;,beta;是实常数。此外，船舶的舵转动器动力学表达式为:

（3）

是舵机的时间常数,是舵机的转向质量指数,是舵机的角度。

船舶操纵速度的数学模型可以表示为：

（4）

其中V是船速度，n是螺旋桨转速，，是推力系数，，和是阻尼系数，表示为：

（5）

其中L是船舶的长度，d是船舶的吃水，D是船舶螺旋桨的直径，是舵面积，是旋转点到船舶重心的距离，等于船体方形系数，和是无量纲有效推力的参数，、和是船舶质量m的无量纲参数，纵向添加质量和横向添加质量分别为m。

此处，，，和表示如下：

（6）

其中rho;是水的密度,Rt是船舶稳定前进的总阻力,是船舶稳定前进中有效舵流入速度和是舵正交力相对冲角的梯度。

• 1. 船舶操纵运动的控制机制

基于PID控制器的控制系统,舵偏转角由PID控制律基于船首向的误差,如下方程表示：

（7）

其中 、 和 是 PID 控制器的设计参数，可通过以下方程进行估计:

(8)

其中 lt; 为设计参数，kw为舵机频率。

• 1. 避碰参数的动态计算模型

一般情况下，两艘相遇船之间的DCPA和TCPA是用来确定是否存在碰撞风险和（或）评估两船碰撞风险水平。船舶避碰的动态数学模型如下：

图1为空间固定坐标系XOY，其中X、Y轴分别指向地球的东、北。在坐标系XOY中，本船的速度和航向角分别是和。同样,,和T分别表示速度,航向角和目标船的船中。是目标船T相对于本船O的相对方位，R是本船O和目标船T的相对距离。因此，通过几何作图法可求得相对速度和相对航向角。同时，垂线OA的距离为本船与目标船之间的DCPA，相对速度除以垂线TA的距离为TCPA。

假设本船船中初始位置是位于原点(0,0),本船与目标船之间的初始相对距离和目标船相对于本船的初始相对方位分别是和。那么目标船的初始正值是：

（9）

其中是本船初始航行，在改变航向后t时刻，本船的正值为：

（10）

其中V和分别是本船的瞬时速度和瞬时航向，通过方程式（1），（4）（7）计算。此外，从目标船到本船的相对位移表示如下：

表1.空间固定坐标系XOY

（11）

因此，本船和目标船的相对距离为：

（12）

相对方位为：

(13)

其中：

同样，相对速度沿X轴和Y轴的分量为：

（14）

因此，本船与目标船之间的相对速度为：

（15）

相对方位为：

（16）

其中：

如表1所示，本船与目标船的DCPA和TCPA分别为：

（17）

（18）

• 1. 避碰动态支持系统

本节在船舶操纵运动数学模型、船舶操作运动控制机制和避碰参数动态计算模型的基础上，开发了基于船舶操纵性的避碰动态支持系统。避碰动态支持系统的流程图如图2所示,其中是本船或目标船变更角度。

图2.动态支持系统的流程图

表1：试验船的特性和操纵性：

备注1：近年来，虽然有几种船舶避碰系统采用船舶操纵运动的部分数学模型进行研究，但这些系统考虑的船舶操纵性不够。此外，上述文献与本文的主要区别如下:

1. 对于船舶操纵运动的数学模型，上述文献均只考虑了航向改变的数学模型。本文不仅考虑了舵角与船舶航向角之间的数学模型(见方程式(1)`(3))，以及船舶机动时船舶速度的数学模型(见方程式(4));
2. 避碰参数的计算模型，上述文献均基于静态计算模型进行研究，如传统的地理坐标图。本文将避碰参数的动态计算模型应用于船舶机动时的实时DCPA和TCPA。因此，当船员采取一定的避碰措施时，可以方便地预测和分析DCPA和TCPA的变化趋势，使船员做出正确的决策。
3. 紧迫局面的仿真实例

为了验证所提出的避碰动态支持系统的有效性和优越性，仿真了两艘船舶在紧迫局面情况下的对遇局面、交叉相遇和追越三种相遇场景。本船与目标船具有相同特性和操纵性，如表1所示。此外,PID控制机制参数，，，。

• 1. 场景1.对遇局面

初始状态下，本船初始航向角为0，目标船初始航向角为。本船与目标船初速度相同，即13节。目标船相对于本船的初始相对方位角为，初始相对距离为1 海里。根据本文的第二部分和《国际海上避碰规则》(COLREGs) 第14条第a款, 显而易见，本船与目标船正处于紧迫局面，在几乎相反的航线上相遇，因此存在碰撞危险，双方应将航向改为右舷，使双方从对方的左舷通过。为了更清楚地说明避碰动态支持系统的有效性，本节假设避碰行动由本船或目标船单独实施。

本船或目标船向右舷改变一个明确的角度，如本船转向至。仿真结果如图3到图13所示。两艘船的轨迹和目标船相对本船在时间t=50s，t=100s，t=200s，t=300s的轨迹分别在图 3和图4显示。图5为本船与目标船之间的预计DCPA、动态DCPA和实际DCPA曲线。如图5所示，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[241386]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word