王當(dāng)利 黃立文

武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢430063

基于AIS信息的船舶自動(dòng)避碰模型及其算法與仿真

王當(dāng)利 黃立文

武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢430063

針對(duì)全自動(dòng)無人駕駛船舶研制的核心之一，需要一個(gè)成熟而實(shí)用且與現(xiàn)有航行方法、規(guī)則和規(guī)章相一致的智能避碰專家知識(shí)庫(kù)，提出可用于構(gòu)建這種知識(shí)庫(kù)的船舶自動(dòng)避碰模型，并給出相關(guān)的計(jì)算機(jī)流程圖，對(duì)該模型進(jìn)行編程仿真的結(jié)果表明該模型具有可行性和有效性。

智能 避碰 知識(shí)庫(kù) 國(guó)際海上避碰規(guī)則

現(xiàn)代電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星和通訊設(shè)施能使船舶控制人員更清楚地掌握船舶的相關(guān)情況，但是關(guān)于無人駕駛船舶的研究卻進(jìn)展緩慢。原因是多方面的，其中一個(gè)重要原因就是缺乏一個(gè)能為航海人員、專家和學(xué)者所接受的自動(dòng)航行和自動(dòng)避碰程序［1］。船舶自動(dòng)避讓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)階段的單人駕駛臺(tái)到下一階段的單人船舶，直至最終實(shí)現(xiàn)無人駕駛船舶各個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)［2］。

1 船舶自動(dòng)避碰模型概述

1．1 應(yīng)用條件

船舶自動(dòng)避碰模型工作原理見圖1。

圖1 船舶自動(dòng)避碰模型

應(yīng)用條件為在開闊洋面上，船長(zhǎng)在50 m及50 m以上的具有AIS的機(jī)動(dòng)船［3］。

1．2 具體含義

“1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則”（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則”）根據(jù)能見度的不同，將兩船相遇分為能見度良好下（互見中）兩船相遇和能見度不良兩船相遇兩種情況，在前一種情況下存在對(duì)遇，交叉相遇和追越三種局面，在后兩種局面下，兩船又有讓路船和直行船（義務(wù)船和權(quán)利船）之分［4］。根據(jù)“規(guī)則”精神，在存在碰撞危險(xiǎn)的情況下，采取避讓行動(dòng)的時(shí)機(jī)隨能見度和會(huì)遇局面的不同而各異，船舶采取的行動(dòng)應(yīng)使雙方通過時(shí)的最近會(huì)遇距離（DCPA）大于等于安全會(huì)遇距離（Safe DCPA），Safe DCPA根據(jù)兩船船長(zhǎng)、當(dāng)時(shí)天氣情況等而定［3］。

2 各避碰指標(biāo)的計(jì)算流程圖

來船位置、SOG、COG都可從AIS接收機(jī)中讀取，本船位置、COG、SOG等可從GPS接收機(jī)中獲得。GPS船位存在一定跳躍性，須經(jīng)卡爾曼濾波處理。當(dāng)然，理論上可以證明，只需兩個(gè)時(shí)刻的船位即可求出SOG和COG，具體證法從略。需要計(jì)算的參數(shù)為DCPA、距最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA、來船與本船的航向差、來船距離，輸出量為本船航向和航速，見圖2。

3 對(duì)遇局面和交叉相遇局面下的仿真及其結(jié)果分析

3．1 對(duì)遇局面下的仿真及其結(jié)果分析

對(duì)遇局面下的自動(dòng)避碰示意圖見參考文獻(xiàn)［3］，其各指標(biāo)的變化曲線見圖3。圖3中橫軸為開始仿真的時(shí)間，縱軸為兩船間距。

假設(shè)當(dāng)時(shí)天氣條件符合氣象條件等級(jí)3（等級(jí)劃分見參考文獻(xiàn)［3］）的情況，本船參數(shù)：COG 314°，SOG 20 kn，200 m長(zhǎng)；來船參數(shù)：COG 134°，SOG 15 kn，150 m長(zhǎng)。兩船所用舵角大小和轉(zhuǎn)舵速率采用了同類型船的數(shù)據(jù)，讀取來船數(shù)據(jù)間隔為2 s。根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］得知，Safe DCPA為2 037．2 m（1．1 n mile）。從圖3中可以看出，隨著時(shí)間的流逝，兩船間距和TCPA逐漸減小，DCPA和本船偏航距離均為0；當(dāng)間距小于等于11 112 m（6 n mile）時(shí)（約451 s），各自向右轉(zhuǎn)向，DCPA和本船偏航距離都逐漸增大，約1 179 s時(shí)DCPA達(dá)到最小值（2 042．3 m），本船偏航達(dá)到最大值（2 042．3 m），TCPA為0；隨后兩船各自向左轉(zhuǎn)向，兩船間距和DCPA逐漸增大，且等值，TCPA始終為0，本船偏航距離逐漸減小，直至兩船回到計(jì)劃航線，偏航為0，仿真結(jié)束。

不難看出，兩船采取的行動(dòng)符合國(guó)際避碰規(guī)則對(duì)于在互見中和能見度不良時(shí)兩船采取行動(dòng)的要求，仿真的DCPA最小值為2 042．3 m，與設(shè)定的2 037．2 m相差5．1 m，誤差主要是由于仿真程序在讀取數(shù)據(jù)和計(jì)算時(shí)需花費(fèi)一定時(shí)間而產(chǎn)生。誤差率為2．5‰，對(duì)于萬噸級(jí)船而言，是完全可以接受的，且實(shí)際的DCPA最小值大于Safe DCPA，偏于安全。值得一提的是，另一種仿真結(jié)果顯示，即使本船一方采取避讓行動(dòng)，兩船也可安全通過，只不過所采取的避讓舵角比雙方行動(dòng)時(shí)要大一些，為節(jié)約篇幅，不再展開了。

3．2 交叉相遇局面下的仿真及其結(jié)果分析

交叉相遇下的自動(dòng)避碰示意圖見參考文獻(xiàn)［3］，其各指標(biāo)的變化曲線見圖4。

除來船參數(shù)的COG為201°，SOG為15．0 kn外，其它參數(shù)與對(duì)遇局面的相同。Safe DCPA仍為2 037．2 m（1．1 n mile）。

從圖4中可以看出，隨著時(shí)間的流逝，兩船間距和TCPA逐漸減小，DCPA和本船偏航距離均為0；當(dāng)間距小于等于9 260 m（5 n mile）時(shí)，本船向右轉(zhuǎn)向，DCPA和本船偏航距離都逐漸增大，約764 s時(shí)DCPA達(dá)到最小值（2 061．5 m），TCPA為0，約15 s后本船偏航達(dá)到最大值（2 102．0 m）；然后本船逐漸向左轉(zhuǎn)向，兩船間距和DCPA逐漸增大，且等值，TCPA始終為0，本船偏航距離逐漸減小，直至回到計(jì)劃航線，偏航為0，仿真結(jié)束。

圖3 仿真對(duì)遇局面下各指標(biāo)的變化曲線

圖4 仿真交叉相遇局面下各指標(biāo)的變化曲線

同樣可知，本船采取的行動(dòng)符合國(guó)際避碰規(guī)則對(duì)于在互見中和能見度不良時(shí)“義務(wù)船”采取行動(dòng)的要求，仿真的DCPA最小值為2 061．5 m，與設(shè)定的2 037．2 m相差14．3 m，原因與對(duì)遇中的相同。誤差率為7‰，對(duì)于萬噸級(jí)船而言，也是完全可以接受的，且實(shí)際的DCPA最小值大于Safe DCPA，偏于安全。本船偏航距離最大值在最小DCPA之后出現(xiàn)，且比Safe DCPA大，這與實(shí)際情況相符，說明了仿真的合理性。

同理，可以仿真“船舶自動(dòng)避碰模型”中的追越局面，來船雖為“義務(wù)船”，但不采取避讓行動(dòng)時(shí)的會(huì)遇局面，以及來船在本船右正橫后的交叉相遇局面，其結(jié)論都與上述兩種局面相似［4］。

4 結(jié)論

文中所提出的“船舶自動(dòng)避碰模型”具有人工智能和專家系統(tǒng)的功能，從其計(jì)算機(jī)編程的仿真結(jié)果來看，典型會(huì)遇局面的避讓效果令人滿意，體現(xiàn)了“規(guī)則”、海員通常做法和良好船藝的精神，具有較高的實(shí)用價(jià)值，在以后的研究中將進(jìn)一步探討該模型在大型船舶操縱模擬器上應(yīng)用的可行性。與人工避讓相比，在確保安全的前提下，計(jì)算機(jī)控制船舶自動(dòng)避讓更精確，效率更高，可以大大降低船舶駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為誤差，既省時(shí)間，又省燃料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］Jun Kayano，Junji Fukuto，Hayama Imazu，Kazuyuki Igarashi．On a collision avoidance support system for one person bridge operation［C］．Proceedings of the 3rd International Conference on Collision and Grounding of Ships，2004：81-86．

［2］王當(dāng)利．無人駕駛船舶的發(fā)展途徑［J］．中國(guó)水運(yùn)，2004（4）：139-140．

［3］王當(dāng)利．基于GPS，ARPA和陀螺羅經(jīng)信息開發(fā)船舶自動(dòng)避碰模型及其仿真［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2006（1）：136-139．

［4］蔡存強(qiáng)．國(guó)際海上避碰規(guī)則釋義［M］．北京：人民交通出版社，1995：169-199．

The model of auto-preventing collision for ship based on AIS information and its simulation

WANG Dang-li HUANG Li-wen
School of Navigation Wuhan University of Technology Wuhan 430063

As a core technique in development of the full-automatic unmanned ship，an intelligent knowledge base is necessary which is compatible with the common navigation manners，as well as the current rules and regulations．This paper proposes a model of auto-preventing collision for ships that can be used to build up this kind of knowledge base，and puts forward a program flow chart for simulation．The simulating result proves the feasibility and effectiveness of the model．

intelligence preventing collision knowledge base COLREG

U675．79

A

1671-7953（2007）02-0129-04

2006-08-31

修回日期2006-10-28

王當(dāng)利（1962—），男，碩士，副教授。