劉洋，李鐵山，沈海青，郭晨

基于VC的船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)

劉洋a，李鐵山a，沈海青b，郭晨b

針對(duì)目前利用大型的船舶操縱模擬器對(duì)船員進(jìn)行評(píng)估考核存在的普及率低、評(píng)估結(jié)果主觀性大、評(píng)估員工作量大的缺點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，利用三自由度的MMG船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)能提供與海上實(shí)際情況相似的一種船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的構(gòu)架、功能、評(píng)估原理的設(shè)計(jì)。航行操縱測(cè)試實(shí)例表明該系統(tǒng)效果評(píng)估良好。

Visual C++；船舶操縱；安全；自動(dòng)評(píng)估

海船船員理論知識(shí)考試目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無紙化，實(shí)操評(píng)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(píng)估員手動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，這在一定程度上增加了主觀因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的不利影響，而且增加了評(píng)估人員的工作量。相關(guān)的自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)研究[6-7]都缺少對(duì)船舶航行操縱方面進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估的功能；而已有的實(shí)操自動(dòng)評(píng)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(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)評(píng)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(jì)語(yǔ)言進(jìn)行編程，開發(fā)運(yùn)行在PC上的船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)。

1 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

采用三自由度運(yùn)動(dòng)(即縱蕩運(yùn)動(dòng)、橫蕩運(yùn)動(dòng)和艏搖運(yùn)動(dòng))的MMG(ship maneuvering mathematical model group)模型[8]對(duì)船舶進(jìn)行建模。

1.1 船舶平面運(yùn)動(dòng)方程

MMG僅考慮船舶在靜水面的水平操縱運(yùn)動(dòng)，建立平面運(yùn)動(dòng)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(duì)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(biāo)h，p，r，e為船體、螺旋槳、舵和外界環(huán)境。

1.2 風(fēng)力模型

風(fēng)力對(duì)船舶的作用力計(jì)算模型如下。

(2)

式中：ρa(bǔ)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(duì)風(fēng)速；Loa為船舶總長(zhǎng)；Cwx(αR)，Cwy(αR)和Cwn(αR)為縱向、橫向的風(fēng)壓力系數(shù)及繞z軸的風(fēng)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(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響，流的作用力用相對(duì)速度法進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，計(jì)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(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)架

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

為實(shí)現(xiàn)上述目的，以及便于系統(tǒng)的二次開發(fā)、維護(hù)和管理，本系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計(jì)?；赩C的船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)，包括主框架、航線設(shè)計(jì)模塊、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型模塊、船舶動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取模塊、評(píng)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(shí)現(xiàn)用戶交互界面的顯示，其他各模塊采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接口技術(shù)進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，實(shí)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(píng)估系統(tǒng)功能

1)海圖功能。可以加載全球S-57[10]標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖數(shù)據(jù),采用S-52[11]標(biāo)準(zhǔn)顯示和繪制海圖，可以加載指定位置的海圖文件；滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪以任意比例尺縮小放大海圖進(jìn)行瀏覽；提供基本、標(biāo)準(zhǔn)、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(jì)功能。提供2種航線設(shè)計(jì)的方法。①在海圖上手動(dòng)繪制航線，通過設(shè)置航路點(diǎn)并把各航路點(diǎn)逐次連接起來完成航線設(shè)計(jì)；②通過把航線數(shù)據(jù)以坐標(biāo)點(diǎn)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?？梢栽O(shè)計(jì)單向航道或雙向航道，2種航線設(shè)計(jì)完成后，都可以通過鼠標(biāo)在海圖上實(shí)時(shí)增加、修改、刪除航路點(diǎn)來修改完善航線；都可以在航線設(shè)計(jì)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(jì)面板右側(cè)航路點(diǎn)列表查看航路點(diǎn)的位置，相對(duì)距離等信息；可以存儲(chǔ)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(shí)時(shí)設(shè)置評(píng)估時(shí)的外部擾動(dòng)，包括風(fēng)向、風(fēng)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(jí)及船舶設(shè)計(jì)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(dòng)操舵；④仿真比例時(shí)間設(shè)置，默認(rèn)時(shí)間和現(xiàn)實(shí)時(shí)間是一樣的比例，設(shè)為超現(xiàn)實(shí)仿真加快評(píng)估進(jìn)程以節(jié)約時(shí)間；⑤航跡設(shè)置，可以實(shí)時(shí)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(shí)間間隔；可以設(shè)置船型的填充顏色。

4)顯示功能。船舶的實(shí)際長(zhǎng)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(shí)時(shí)設(shè)置船舶航跡顯示的時(shí)間間隔以及船型的填充顏色；在海圖上實(shí)時(shí)顯示船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在信息顯示面板動(dòng)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(huì)提示是否保存仿真航跡數(shù)據(jù)，包括船舶動(dòng)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(shí)也便于用戶回顧歷史，發(fā)現(xiàn)并改正不足。

6)自動(dòng)評(píng)分功能。依據(jù)操船距航道邊界的距離進(jìn)行評(píng)估，用戶可以綜合考慮航道、船型、船舶噸級(jí)、船舶尺度、航速及風(fēng)流等因素，通過菜單項(xiàng)按照自己的需求設(shè)置評(píng)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(xiǎn)值及距航道邊界警告值。仿真結(jié)束后自動(dòng)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(xiǎn)值以及警告值的次數(shù)，最大超界距離等并與預(yù)先設(shè)置好的評(píng)分參數(shù)值進(jìn)行比較后得出本次仿真的評(píng)估結(jié)果，單向航道不允許船舶超出航道邊界，評(píng)估結(jié)果包括優(yōu)秀、良好、及格及不及格4個(gè)等級(jí)；雙向航道允許船舶超出內(nèi)邊界，評(píng)估結(jié)果包括優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格5個(gè)等級(jí)。仿真結(jié)束后自動(dòng)輸出評(píng)估結(jié)果，不僅減少了考官主觀因素對(duì)評(píng)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(dòng)距標(biāo)圈工具，可以在海圖上測(cè)量方位和距離。

2.3 評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

評(píng)估系統(tǒng)采用Visual Studio 2010平臺(tái)進(jìn)行編程開發(fā)，操作運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，依據(jù)評(píng)估系統(tǒng)的功能及構(gòu)架設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估的功能。默認(rèn)的用戶主界面見圖2。

評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程見圖3。

3 評(píng)估系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例

3.1 評(píng)估經(jīng)過及結(jié)果

首先啟動(dòng)系統(tǒng)，然后新建一條新的測(cè)試航線，本次航線共設(shè)4個(gè)航路點(diǎn)，從“1#～4#”，航線總航程共12.8 n mile，安全偏航距0.1 n mile。測(cè)試從圖上左下角開始航行到圖上右上角。測(cè)試選取系統(tǒng)中已經(jīng)建立的船?！筮B海事大學(xué)“育龍”輪為被控對(duì)象，“育龍”輪船長(zhǎng)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(dòng)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(fēng)向北偏東45°，風(fēng)速3 m/s，均勻流1 m/s, 流向北偏東50°。仿真時(shí)間比例設(shè)為正常時(shí)間的20倍。航跡設(shè)置為線性顯示，顯示時(shí)間間隔為1 s、船型的填充顏色為紅色。評(píng)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(xiǎn)值20 m、距航道邊界警告值30 m。被評(píng)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(cè)試結(jié)果見圖4。其中航道邊界線遵循“左紅右綠”的特點(diǎn)，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(jì)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(xì)節(jié)。當(dāng)船舶航行到本次航道的最后一個(gè)航路點(diǎn)4#，單擊操船面板上的“結(jié)束” 按鈕，同時(shí)保存本次航行的歷史航跡，然后自動(dòng)輸出本次航行操縱的評(píng)估結(jié)果。評(píng)估結(jié)果見圖5，航行相關(guān)數(shù)據(jù)見圖6。

3.2 評(píng)估結(jié)果分析

由評(píng)估結(jié)果可知，在本次航行操縱評(píng)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(xiǎn)值次數(shù)、超出距邊界警告值次數(shù)都為零，所以本次評(píng)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(jì)劃航線有一定的偏差，但是船舶經(jīng)過一段時(shí)間操舵調(diào)整后實(shí)現(xiàn)沿計(jì)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(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)時(shí)分別出現(xiàn)了較大的航跡偏差，但通過轉(zhuǎn)向點(diǎn)后，船舶經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整繼續(xù)很好地沿計(jì)劃航線航行。在轉(zhuǎn)向點(diǎn)出現(xiàn)較大波動(dòng)的原因是本次操船人員沒有把握好轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)，沒有考慮本船的操縱性能以及提前計(jì)算船舶航行至下一航段的施舵點(diǎn)。所以本次被評(píng)估人員總體上具有一定的操舵水平和對(duì)風(fēng)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(jí)縮放電子畫圖來觀察航行結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)改變航跡顯示方式，從而直觀地展現(xiàn)了測(cè)試過程及結(jié)果，有利于通過數(shù)據(jù)及圖像對(duì)船員的操舵技巧進(jìn)行評(píng)價(jià)。自動(dòng)輸出評(píng)估結(jié)果，更減少主觀因素對(duì)評(píng)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(cè)試表明，開發(fā)的船舶操縱安全自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果具有一定的客觀性和準(zhǔn)確性，降低了評(píng)估員主觀因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的不利影響，減少了評(píng)估員的工作量，提高了評(píng)估的效率和質(zhì)量，同時(shí)順應(yīng)模擬器向小型化發(fā)展的趨勢(shì)，提高了評(píng)估的普及率。限于能力和時(shí)間，系統(tǒng)存在一定的不足，如僅考慮均勻流對(duì)船舶航行的作用力，而現(xiàn)實(shí)航行中的流力都是不均勻的；提供的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型覆蓋面不夠全面，不能滿足對(duì)所有船型進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估的要求；評(píng)分規(guī)則缺少一定的系統(tǒng)性，這些缺點(diǎn)與不足是系統(tǒng)今后改進(jìn)的方向。

[1] BENDICT K,BALDAUF M,FELSENSTEIN C, et al.Example for inland waterway design investigations with wind impact in ship-handling simulator and computer-based assessment of the results[R]. Germmany,Wismar University,2003.

[2] BENEDICT K, BALDAUF M, FELSENSTEIN C, et al. Computer-based support for the evaluation of ship handling exercise results[J].WMU Journal of maritime affairs,2006,5(1):17-35.

[3] BALDAUF M, BENEDICT K. Computer-based evaluation of ship handling simulator exercise results[C].San francisco,USA:INSLC,2002.

[4] BALDAUF M, BENEDICT K, FISCHER S, et al. E-navigation and situation-dependent manoeuvring assistance to enhance maritime emergency response[J].WMU J marit affairs,2011(10):209-226.

[5] HARRO G. Simulator training and the internet[C].CAORF，2000.

[6] 蔣效彬,任鴻翔,王德龍,等.航海模擬器的錨泊操縱自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2016:37(1)：82-86.

[7] 王德龍,任鴻翔,趙月林,等.船舶操縱模擬器進(jìn)出港操縱自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(2)：27-30.

[8] 賈欣樂,楊鹽生.船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,1999.

[9] 金一丞,尹勇.航海模擬器[M].北京：科學(xué)出版社,2013.

[10] IHO S-57 IHO TRANSFER STANDARD for DIGITALHYDROGRAPHIC DATA Edition 3.1[S].The international hydrographic bureau,2000.

[11] IHO S-52 SPECIFICATIONS FOR CHART CONTENTAND DISPLAY ASPECTS OF ECDIS Edition 5.0[S].the International Hydrographic Bureau,1996.

(大連海事大學(xué) a.航海學(xué)院;b.信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金(51179019,61374114)、遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)項(xiàng)目(LZ2015006)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3132016313)

劉洋(1991—),男，碩士生研究方向:船舶運(yùn)動(dòng)控制

U675.79

A

1671-7953(2017)01-0181-05

修回日期：2016-07-14