劉洋，李鐵山，沈海青，郭晨

基于VC的船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)的開發(fā)

劉洋a，李鐵山a，沈海青b，郭晨b

針對目前利用大型的船舶操縱模擬器對船員進行評估考核存在的普及率低、評估結(jié)果主觀性大、評估員工作量大的缺點，采用計算機模擬仿真技術(shù)，利用三自由度的MMG船舶運動數(shù)學模型，開發(fā)能提供與海上實際情況相似的一種船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的構(gòu)架、功能、評估原理的設(shè)計。航行操縱測試實例表明該系統(tǒng)效果評估良好。

Visual C++；船舶操縱；安全；自動評估

海船船員理論知識考試目前已經(jīng)實現(xiàn)無紙化，實操評估仍然是基于大型的船舶操縱模擬器獲得操船相關(guān)數(shù)據(jù)，由評估員手動進行評估，這在一定程度上增加了主觀因素對評估結(jié)果的不利影響，而且增加了評估人員的工作量。相關(guān)的自動評估系統(tǒng)研究[6-7]都缺少對船舶航行操縱方面進行自動評估的功能；而已有的實操自動評估系統(tǒng)[7]沒有考慮不同種類船舶及不同港口之間操縱的難易程度，一部分內(nèi)容沒有實現(xiàn)真正意義上的自動評估,且應(yīng)用的普及率較低。為此，考慮利用Visual C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言進行編程，開發(fā)運行在PC上的船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)。

1 船舶運動數(shù)學模型的建立

采用三自由度運動(即縱蕩運動、橫蕩運動和艏搖運動)的MMG(ship maneuvering mathematical model group)模型[8]對船舶進行建模。

1.1 船舶平面運動方程

MMG僅考慮船舶在靜水面的水平操縱運動，建立平面運動方程式如下。

(1)

式中：m為船體質(zhì)量；mx，my為船舶縱向和橫向的附加質(zhì)量；Izz，Jzz為船舶的艏搖和附加慣性矩；ur，vr為船舶對水縱向和橫向速度；X，Y為作用于船體上的縱向和橫向外力；N為作用于船體上的繞垂直軸的外力矩；下標h，p，r，e為船體、螺旋槳、舵和外界環(huán)境。

1.2 風力模型

風力對船舶的作用力計算模型如下。

(2)

式中：ρa為空氣密度；Af，As為船舶水線以上的正投影和側(cè)投影面積；UR為相對風速；Loa為船舶總長；Cwx(αR)，Cwy(αR)和Cwn(αR)為縱向、橫向的風壓力系數(shù)及繞z軸的風壓力矩系數(shù)，可由Isherwood公式求出。

1.3 流力模型

僅考慮均勻流，以及水流存在而產(chǎn)生“附加作用力”對船舶運動的影響，流的作用力用相對速度法進行水動力計算，計算模型如下[9]。

(3)

式中：Xc，Yc為流作用于船體上的縱向和橫向外力；Nc為流作用于船體上的繞垂直軸的外力矩；Uc，φc為流速和流向；φ為船舶航向。

2 評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 評估系統(tǒng)構(gòu)架

目標是設(shè)計一種可以提高考核的水平和質(zhì)量，減少評估員的工作量以及避免主觀因素對評估結(jié)果的影響的船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)；能夠?qū)崿F(xiàn)進行不同的船型、不同噸級及不同主尺度船舶的通航安全評估考核。

為實現(xiàn)上述目的，以及便于系統(tǒng)的二次開發(fā)、維護和管理，本系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計。基于VC的船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)，包括主框架、航線設(shè)計模塊、船舶運動數(shù)學模型模塊、船舶動態(tài)參數(shù)獲取模塊、評分模塊和歷史記錄與回放模塊，主框架采用Visual C++的MFC單文檔程序，用于實現(xiàn)用戶交互界面的顯示，其他各模塊采用動態(tài)鏈接庫接口技術(shù)進行封裝設(shè)計，實現(xiàn)與主框架的互通互聯(lián)，系統(tǒng)各模塊組成見圖1。

2.2 評估系統(tǒng)功能

1)海圖功能?？梢约虞d全球S-57[10]標準的電子海圖數(shù)據(jù),采用S-52[11]標準顯示和繪制海圖，可以加載指定位置的海圖文件；滑動鼠標滾輪以任意比例尺縮小放大海圖進行瀏覽；提供基本、標準、全部3種數(shù)據(jù)顯示方式；提供白天、傍晚、黑夜3種背景顏色方案。

2)航線設(shè)計功能。提供2種航線設(shè)計的方法。①在海圖上手動繪制航線，通過設(shè)置航路點并把各航路點逐次連接起來完成航線設(shè)計；②通過把航線數(shù)據(jù)以坐標點的形式存放在文本文件中，并放在指定文件下加載得到航線。可以設(shè)計單向航道或雙向航道，2種航線設(shè)計完成后，都可以通過鼠標在海圖上實時增加、修改、刪除航路點來修改完善航線；都可以在航線設(shè)計面板添加航線名稱、航向起止港名稱等信息；都可以在航線設(shè)計面板右側(cè)航路點列表查看航路點的位置，相對距離等信息；可以存儲多條航線供操作人員選擇。

3)設(shè)置功能。①環(huán)境設(shè)置，實時設(shè)置評估時的外部擾動，包括風向、風速、流向及流速；②本船設(shè)置，可以通過查看船型(雜貨船、集裝箱船、散貨船及油船)、船舶噸級及船舶設(shè)計尺度來選擇本次仿真所用的船模；設(shè)置船舶初始位置、航速和航向；③操舵設(shè)置，可以選擇手操舵和自動操舵；④仿真比例時間設(shè)置，默認時間和現(xiàn)實時間是一樣的比例，設(shè)為超現(xiàn)實仿真加快評估進程以節(jié)約時間；⑤航跡設(shè)置，可以實時設(shè)置航跡的顯示方式，船型顯示還是航跡線顯示；可以設(shè)置航跡顯示的時間間隔；可以設(shè)置船型的填充顏色。

4)顯示功能。船舶的實際長度和寬度以不同的比例尺在海圖上顯示船型；航跡顯示包括船型、船舶航跡線兩種顯示方式，可以實時設(shè)置船舶航跡顯示的時間間隔以及船型的填充顏色；在海圖上實時顯示船舶的運動狀態(tài)，在信息顯示面板動態(tài)地以數(shù)據(jù)形式顯示本船的位置、航速、航向、偏航距、船舶距航道左邊界距離、距右邊界距離以及本船超出航道的次數(shù)等信息。

5)記錄和回放功能。仿真結(jié)束后會提示是否保存仿真航跡數(shù)據(jù)，包括船舶動態(tài)信息、操舵記錄、航跡信息等。用戶可以加載歷史記錄查看船舶歷史航跡，并在海圖上以曲線形式顯示船舶歷史航跡，以數(shù)據(jù)的形式加載歷史航行相關(guān)數(shù)據(jù)，一定程度上增加了船員考核的透明度，提高公平、公正性，同時也便于用戶回顧歷史，發(fā)現(xiàn)并改正不足。

6)自動評分功能。依據(jù)操船距航道邊界的距離進行評估，用戶可以綜合考慮航道、船型、船舶噸級、船舶尺度、航速及風流等因素，通過菜單項按照自己的需求設(shè)置評分規(guī)則參數(shù)值，包括最大超界值、最多超界次數(shù)、距航道邊界緊迫值、距航道邊界危險值及距航道邊界警告值。仿真結(jié)束后自動顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，包括超界次數(shù)，超出邊界緊迫值、危險值以及警告值的次數(shù)，最大超界距離等并與預先設(shè)置好的評分參數(shù)值進行比較后得出本次仿真的評估結(jié)果，單向航道不允許船舶超出航道邊界，評估結(jié)果包括優(yōu)秀、良好、及格及不及格4個等級；雙向航道允許船舶超出內(nèi)邊界，評估結(jié)果包括優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格5個等級。仿真結(jié)束后自動輸出評估結(jié)果，不僅減少了考官主觀因素對評估結(jié)果的影響，而且減少了考官的工作量。

7)附加功能。有電子方位線和活動距標圈工具，可以在海圖上測量方位和距離。

2.3 評估系統(tǒng)的設(shè)計原理

評估系統(tǒng)采用Visual Studio 2010平臺進行編程開發(fā)，操作運行在Windows操作系統(tǒng)上，依據(jù)評估系統(tǒng)的功能及構(gòu)架設(shè)計，最終實現(xiàn)船舶操縱安全自動評估的功能。默認的用戶主界面見圖2。

評估系統(tǒng)設(shè)計流程見圖3。

3 評估系統(tǒng)測試實例

3.1 評估經(jīng)過及結(jié)果

首先啟動系統(tǒng)，然后新建一條新的測試航線，本次航線共設(shè)4個航路點，從“1#～4#”，航線總航程共12.8 n mile，安全偏航距0.1 n mile。測試從圖上左下角開始航行到圖上右上角。測試選取系統(tǒng)中已經(jīng)建立的船?！筮B海事大學“育龍”輪為被控對象，“育龍”輪船長126 m，船寬20.8 m，吃水8.0 m。設(shè)置初始航向80°，初始航速14 kn。操舵方式選擇手動操舵。船舶初始位置與給定航線的偏航距離差ΔS=30 m，船舶初始航向與給定航線走向偏差角度Δψ=5°，海況設(shè)置為風向北偏東45°，風速3 m/s，均勻流1 m/s, 流向北偏東50°。仿真時間比例設(shè)為正常時間的20倍。航跡設(shè)置為線性顯示，顯示時間間隔為1 s、船型的填充顏色為紅色。評分設(shè)置為最大超界值100 m、最多超界次數(shù)3次、距航道邊界緊迫值10 m、距航道邊界危險值20 m、距航道邊界警告值30 m。被評估人員通過操縱操船面板上的舵控制船舶航行，船舶航跡的完整測試結(jié)果見圖4。其中航道邊界線遵循“左紅右綠”的特點，航道中間的黑色線為本次操船的歷史航跡。為了顯示本次設(shè)計的航道全貌，航跡線顯示不夠清晰，所以在航跡圖上增加2幅局部放大圖，使能夠清楚的查看圖中的細節(jié)。當船舶航行到本次航道的最后一個航路點4#，單擊操船面板上的“結(jié)束” 按鈕，同時保存本次航行的歷史航跡，然后自動輸出本次航行操縱的評估結(jié)果。評估結(jié)果見圖5，航行相關(guān)數(shù)據(jù)見圖6。

3.2 評估結(jié)果分析

由評估結(jié)果可知，在本次航行操縱評估中，船舶超出邊界次數(shù)、最大超出距離、超出距邊界緊迫值次數(shù)、超出距邊界危險值次數(shù)、超出距邊界警告值次數(shù)都為零，所以本次評估結(jié)果為優(yōu)秀。由圖4觀察船舶航跡可知，由于船舶初始位置與計劃航線有一定的偏差，但是船舶經(jīng)過一段時間操舵調(diào)整后實現(xiàn)沿計劃航線航行，可見本次操船的船員具有一定的操船水平。隨后在航行經(jīng)過第2、3個轉(zhuǎn)向點時分別出現(xiàn)了較大的航跡偏差，但通過轉(zhuǎn)向點后，船舶經(jīng)過一段時間調(diào)整繼續(xù)很好地沿計劃航線航行。在轉(zhuǎn)向點出現(xiàn)較大波動的原因是本次操船人員沒有把握好轉(zhuǎn)向時機，沒有考慮本船的操縱性能以及提前計算船舶航行至下一航段的施舵點。所以本次被評估人員總體上具有一定的操舵水平和對風流的適應(yīng)能力，但在理解轉(zhuǎn)向和船舶操縱性方面有一定的欠缺。綜上可見，本系統(tǒng)操作便捷、顯示美觀，能在電子海圖上無級縮放電子畫圖來觀察航行結(jié)果，實時顯示測試的數(shù)據(jù)，實時改變航跡顯示方式，從而直觀地展現(xiàn)了測試過程及結(jié)果，有利于通過數(shù)據(jù)及圖像對船員的操舵技巧進行評價。自動輸出評估結(jié)果，更減少主觀因素對評估結(jié)果的不利影響，無論是從主觀還是客觀上，系統(tǒng)都能很好地提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

多次測試表明，開發(fā)的船舶操縱安全自動評估系統(tǒng)評估結(jié)果具有一定的客觀性和準確性，降低了評估員主觀因素對評估結(jié)果的不利影響，減少了評估員的工作量，提高了評估的效率和質(zhì)量，同時順應(yīng)模擬器向小型化發(fā)展的趨勢，提高了評估的普及率。限于能力和時間，系統(tǒng)存在一定的不足，如僅考慮均勻流對船舶航行的作用力，而現(xiàn)實航行中的流力都是不均勻的；提供的船舶運動數(shù)學模型覆蓋面不夠全面，不能滿足對所有船型進行自動評估的要求；評分規(guī)則缺少一定的系統(tǒng)性，這些缺點與不足是系統(tǒng)今后改進的方向。

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(大連海事大學 a.航海學院;b.信息科學技術(shù)學院，遼寧 大連 116026)

Development of Automatic Evaluation System for Ship Manoeuvering Safety Based on VC

LIU Yanga, LI Tie-shana, SHEN Hai-qingb, GUO Chenb

(a.Navigation College; b.College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To overcome the disadvantages of assessing mariners by large ship handing simulator, such as low penetration, projective result and heavy workload of evaluator, an automatic evaluation system for ship manoeuvering safety was developed, which could simulate the actual situation of sea approximately. The computational emulation technology and MMG mathematic model of ship motions with three degrees of freedom were adopted. The structures, functions and evaluating principles of the system were introduced. In the end, an instance of manoeuvering test was given to verify the effectiveness of the proposed system.

Visual C++; ship manoeuvering; safety; automatic evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.044

2016-06-21

國家自然科學基金(51179019,61374114)、遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)項目(LZ2015006)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目(3132016313)

劉洋(1991—),男，碩士生研究方向:船舶運動控制

U675.79

A

1671-7953(2017)01-0181-05

修回日期：2016-07-14