摘要：隨著船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和會遇率的增大，船舶的碰撞事故時有發(fā)生，這就對避碰問題的研究提出了更高的要求。通過對緊迫危險及緊迫危險區(qū)域的深入研究，提出了緊迫危險距離的量化模型及緊迫危險下的避碰決策，并通過幾何作圖分析和模擬操縱仿真試驗加以驗證。

關(guān)鍵詞：水路運輸；緊迫危險；避碰決策；量化模型

近年來，隨著船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和會遇率的增大，船舶的碰撞事故時有發(fā)生，這就對避碰問題的研究提出了更高的要求。1996國際海上避碰會議提出，船舶自動避碰是今后十年乃至二十年航海技術(shù)的主攻方向之一，是目前國內(nèi)外航?？萍冀缪芯康那把卣n題，也是當(dāng)今能否實現(xiàn)船舶駕駛自動化的研究熱點。我們經(jīng)過十多年來對船舶智能避碰決策方法的研究，分別在寬水域船舶避碰決策與受限水域避淺、避礁決策等方面取得較大的進展，形成了船舶擬人智能避碰決策(Personifying Intelligent Decision-making for Vessel collision Avoidance，PIDVCA)理論。針對船舶碰撞經(jīng)常發(fā)生在緊迫危險情況下的處理不當(dāng)而引起的事實，基于PIDVCA的理論基礎(chǔ)，結(jié)合同行對船員的問卷調(diào)查，通過幾何作圖分析，著重對兩船之間緊迫危險及緊迫危險區(qū)域界值量化模型以及緊迫危險下的智能避碰決策方法進行了深入的研究，形成了緊迫危險下的智能避碰決策的模型和方法。

1緊迫危險

1.1緊迫危險的含義

國內(nèi)外專家對緊迫危險的含義主要有下列4種解釋：

1)兩船相對位置已臨近到必然發(fā)生碰撞的境地，即使雙方共同采取措施，也有可能發(fā)生碰撞的危險局面；

2)緊迫局面形成時，如果相遇的兩船未能及時采取行動或者所采取的措施未產(chǎn)生有助于避讓的行動，從而形成碰撞迫在眉睫的局面；

3)兩艘船舶接近到雙方都采取最有效的避碰行動，但并未出現(xiàn)在安全距離上駛過的局面；

4)兩船逼近到單憑一船的避讓行動已不能避免碰撞的局面。

我國航海界普遍認(rèn)為，“緊迫局面”是指當(dāng)兩船接近到單憑一船的行動已不能導(dǎo)致在安全距離上駛過的局面；同時認(rèn)為“緊迫危險”是指當(dāng)兩船接近到單憑一船的行動已不能避免碰撞的局面。

因為緊迫危險的含義是在緊迫局面形成之后，無論由于何種原因兩船逼近到單憑一船的避讓行動不能避免碰撞的局面。這時兩船都應(yīng)采取最有助于避碰的行動，包括背離《規(guī)則》行動。這樣才有可能避免碰撞或減少損失。

關(guān)于緊迫危險局面的定量分析方面；船舶間安全會遇距離SDA(Safe Distance Of Approaching)、緊迫局面距離DE(Distance of Emergency)、碰撞危險區(qū)域的半徑即安全會遇距離最小值SDAmin確定，就能進一步確立緊迫危險局面的距離最小值DEmin。

1.2緊迫危險在PIDVCA理論的界定

筆者認(rèn)同文獻[11]對船舶會遇4個階段的劃分，如圖1所示。文獻[4]設(shè)計了安全會遇距離SDA、安全會遇距離最小值SDAmin的量化模型，并以此為依據(jù)界定了緊迫局面距離DE(即圖1中的界2)及其最小值DEmin(即圖1中的界1，即兩船陷入危險局面時，依照《規(guī)則》的避讓方法，憑本船滿舵改向90°或Crmax(相對運動線過艏最大變化的最大改向角)能確保兩船分別在SDA和SDAmin上通過對應(yīng)的距離。PIDVCA理論界定了碰撞危險區(qū)域的半徑為SDAmin，即轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離，參照“1.1”關(guān)于緊迫危險含義的描述，我們把上述的緊迫局面距離的最小值界定為兩船陷入緊迫危險局面的距離，即稱DEmin為緊迫危險距離。對此值在數(shù)量上的解釋就是本船轉(zhuǎn)向避讓的臨界距離DLMA(Distance of Last-Minute Action of tarning)來決定，它可以看作是不論何種原因形成緊迫局面，并即將發(fā)生緊迫危險的時刻本船采取轉(zhuǎn)向避讓90°或Crmax的行動時機，船舶間的距離等于一船實施滿舵旋回避碰行動，另一船直航的條件下兩船能避免碰撞(即兩船間的DCPA≥SDAmin)發(fā)生時的距離，如圖2所示。這一距離與兩船舶間的會遇格局、相對速度、船舶的操縱性能及船舶的尺度有關(guān)。上述的緊迫局面距離DE就是本船改向避讓90°或Crmax使兩船在SDA以外通過的最晚施舵距離，PIDVCA理論將本船初始最佳避讓航向角對應(yīng)的施舵距離定為界3。

碰撞距離(Dcollid)包括轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離和變速避讓碰撞距離。根據(jù)國際海上避碰規(guī)則第八條第三款：如有足夠的水域，單用轉(zhuǎn)向可能是避免緊迫局面的最有效的行動的原則，這里討論的是轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離，它和船舶的操縱性能有關(guān)，受船舶尺度、目標(biāo)船的速度、會遇交角和DCPA的影響。

2緊迫危險界值的量化

通常情況下，航海從業(yè)人員認(rèn)為在海上兩船接近到6nmile，若兩船的DCPA接近0時，認(rèn)為碰撞危險正在形成；若兩船不采取任何行動而繼續(xù)接近到3nmile，認(rèn)為緊迫局面正在形成；若繼續(xù)接近到1nmile，則認(rèn)為緊迫危險正在形成。其判斷的依據(jù)來源于“規(guī)則”對于船舶燈光的光力射程來確定的。若是在能見度不良時，相應(yīng)的距離可以改變?yōu)?/SPAN>8nmile、4nmile、2nmile。這種距離的簡單量化存在以下問題：未能考慮目標(biāo)船的速度及其與本船會遇的相互關(guān)系、船舶的尺度和操縱性能以及本船按照《規(guī)則》采取行動的難易程度，與當(dāng)前的船舶大型化、高速化不相適應(yīng)。

2.1緊迫危險界值的量化方法

在緊迫局面已經(jīng)形成，而緊迫危險到來之前的避讓行動，如果雙方能夠取得協(xié)商而相互采取最有效的行動當(dāng)然是上策，然而，碰撞往往發(fā)生在無暇顧及協(xié)商，因此，PIDVCA理論是假定對方直航的情況下，以本船按照《規(guī)則》采取最有效的避讓行動為前提進行研究。

如圖2表示本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°后目標(biāo)船與本船的相對運動幾何圖，圖中C0和V0分別為本船的航向和航速；Vt和Vr分別為目標(biāo)船的真速度和相對運動速度；R.M.L和N.R.M.L分別為本船改向前后目標(biāo)船的相對運動矢量線。顯然，只要求出R.M.L和N.R.M.L兩條相對運動線的交點，就可獲得本船改向后的轉(zhuǎn)向點b(xb，yb)，根據(jù)船舶操縱性能及兩船的運動關(guān)系分析，基于轉(zhuǎn)向點坐標(biāo)可以估算最晚施舵點a(xa，ya)，根據(jù)平面兩點式方程，便可求出DEmin。

2.2緊迫危險界值的量化模型

PIDVCA理論根據(jù)船舶相對運動幾何分析建立了求解目標(biāo)船運動要素及其本船改向后的預(yù)測運動要素模型，因此，分別列出R.M.L和N.R.M.L兩條直線方程(1)和(2)，即

解上述方程組得兩條直線的交點b(xb，yb)：

如圖2所示的會遇態(tài)勢，設(shè)本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°來船產(chǎn)生的相對位移為SS，它在X軸和Y軸的分量分別為xs和ys：

式(5)、式(6)中，Tn為本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°的時間，Dc為旋回初徑，Fd為旋回進距，Vt和Ct分別為目標(biāo)船的真航速和真航向。顯然，SS為：

因此，施舵點坐標(biāo)a(xa，ya)：

于是，緊迫危險距離DEmin為：

按照式(3)～式(10)，以船長為350m(假設(shè)目標(biāo)船來自雷達回波，因此，安全起見取較大的船長)、船速為15kn的目標(biāo)船與本船右舷交叉會遇為例的計算結(jié)果如表1所示，其值除萬噸級以下和超大型船舶外，基本分布在1～2nmile之間，相當(dāng)于緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計設(shè)計的內(nèi)邊界，亦即上述的緊迫局面的下界(界1)。

表1 DE和DEmin的計算結(jié)果

顯然，如果把公式(1)～式(4)中的SDAmin由SDA替代，則對應(yīng)的式(10)求得的結(jié)果便是緊迫局面距離DE，亦即上述的緊迫局面的上界(界2)，相當(dāng)于緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計設(shè)計的外邊界。如果目標(biāo)船取自AIS或雷達與AIS的融合結(jié)果，則計算結(jié)果會更符合實際，表中的界值也會相應(yīng)略減小。模擬結(jié)果可知，量化模型能隨本船操縱性及目標(biāo)船的大小以及與本船與本船的交會關(guān)系有關(guān)，滿足避碰的實時性與適應(yīng)性的要求。

3緊迫危險下的避碰決策方法

主要討論兩船陷入緊迫危險下，目標(biāo)船未能采取積極有效的行動，即目標(biāo)船直航情況下，借助幾何驗證，并綜合參考緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，本船應(yīng)采取的最有效的避碰決策。

3.1兩船對遇

兩船對遇情況的避碰決策方法分兩種情況討論。

1)兩船右對右對遇

如圖3(A)所示，N.R.M.L1和N.R.M.L2分別是本船采取全速滿舵右讓和左讓90°后的目標(biāo)船與本船之間新相對運動線，顯然，立即全速滿舵左讓90°(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法，符合船員的習(xí)慣做法。

2)兩船正對或左對左

如圖3(B)所示，N.R.M.L′以及N.R.M.L分別是本船采取滿舵右讓90°以及轉(zhuǎn)向又加速后目標(biāo)船與本船之間新的相對運動線。圖中顯示對于V0<Vt的左對左情況以及V0≥Vt的正對情況，本船采取全速滿舵右讓90°是最有效的避讓方法；對于V0<Vt的正對情況，如果本船尚未達到全速狀態(tài)，則采取加到全速且滿舵右讓90°是有效的避讓方法；當(dāng)然，對于V0<Vt的正對情況，如果本船已達到全速狀態(tài)，立即全速滿舵右讓90°仍然是最有效的避讓方法。

總之，無論哪種對遇情況，只要航行水域不受限，從圖3可知，僅憑單方減速停車只能延遲達最近會遇點的時間，而未能擴大兩船的安全會遇距離，以達到避免碰撞危險的目的，因此，在無法讓對方協(xié)調(diào)行動的情況下，應(yīng)避免減速停車的避讓行動。

3.2右前方交叉情況

如圖4所示，對于右前方小角度交叉情況，N.R.M.L1、N.R.M.L2和N.R.M.L3分別是本船采取滿舵右讓、左讓90°或減速后新的相對運動線。顯然，本船立即滿舵左讓90°(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法，如果本船改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動，則繼續(xù)向左旋回一周；如果本船尚未達到全速狀態(tài)，如圖4的BA3(V′0)，則本船采取加到全速且滿舵左讓90°(BA2)是最有效的避讓方法；同理，應(yīng)避免減速停車的避讓行動。

而對于右舷正交叉情況，如圖5所示，N.R.M.L1、N.R.M.L2、N.R.M.L3和N.R.M.L4分別是本船采取滿舵右讓、左讓AC、減速或左讓90°后新的相對運動線。顯然，本船全速狀態(tài)下立即滿舵左讓AC(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法；如果本船尚未達到全速狀態(tài)，如圖5所示的BA′(V′0)，則本船采取滿舵左讓90°(BA4)是最有效的避讓方法；雖然減速停車是也是有效的，且與V0<Vt情況下左讓90°效果相當(dāng)，但只要水域允許還是提倡舵讓為最有效的避讓行動。

3.3左前方交叉情況

同“3.2”的分析方法，對于左前方小角度交叉情況，最有效的避讓方法是滿舵左讓90°，如果本船改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動，則繼續(xù)向左旋回一周；如果本船尚未達到全速狀態(tài)，則采取向右改向Crm或90°且加速至全速也是有效的避讓方法；同理，應(yīng)避免減速停車的避讓行動。

而對于左舷正交叉情況，本船立即采取滿舵右讓90°是最有效的避讓方法，如果改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動，則繼續(xù)向右旋回一周；如果本船尚未達到全速狀態(tài)，則本船采取加到全速且滿舵右讓90°是最有效的避讓方法。

3.4被追越情況

被他船從左舷或正后方追越情況，本船立即滿舵右讓90°是最有效的避讓方法；被他船從右舷追越情況，本船滿舵左讓90°是最有效的避讓方法。

3.5左右正橫附近情況

左右正橫附近情況與“3.4”情況雷同，即對左正橫附近和右正橫附近目標(biāo)船，本船分別應(yīng)采取滿舵右讓和左讓90°的避讓方法。

4結(jié)語

根據(jù)我們十多年來在船舶自動避碰領(lǐng)域的研究成果，通過對緊迫危險及緊迫危險區(qū)域的深入研究，基于PIDVCA的理論基礎(chǔ)提出了緊迫危險距離的量化模型及緊迫危險下的智能避碰決策，通過幾何作圖分析和模擬仿真計算結(jié)果，驗證了智能避碰決策模型方法及相關(guān)界值的合理性和適應(yīng)性，基本符合船員的習(xí)慣。從幾何作圖的理論分析，同時發(fā)現(xiàn)了船員問卷調(diào)查中個別態(tài)勢的決策方法尚存不合理之處。

作者：熊振南，李麗娜，周偉  來源：中國航海