常傳文，茅文深

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

導(dǎo)航雷達(dá)中試操船功能的實(shí)現(xiàn)

常傳文，茅文深

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

導(dǎo)航雷達(dá)終端的試操船功能是船舶避碰中較為有效的手段之一。針對(duì)該功能，首先介紹了碰撞三角形工作原理；其次，將試操執(zhí)行過(guò)程劃分為延遲時(shí)間、保向、保速等4個(gè)環(huán)節(jié)，并推導(dǎo)出了各環(huán)節(jié)本船位置的計(jì)算公式；為簡(jiǎn)化計(jì)算，針對(duì)保速環(huán)節(jié)提出了等價(jià)運(yùn)動(dòng)矢量的計(jì)算方法。另外，從工程角度在安全性、顯示方式、程序優(yōu)化等方面提出了實(shí)現(xiàn)建議。

導(dǎo)航雷達(dá)；試操船；碰撞

1 概 述

在船舶安全航行中，導(dǎo)航雷達(dá)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。導(dǎo)航雷達(dá)通過(guò)向船舶四周發(fā)射電磁波，再通過(guò)對(duì)接收到的反射回波進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶周?chē)Ｉ檄h(huán)境的判斷，為船舶航行指引航向，同時(shí)躲避其他目標(biāo)物體，避免發(fā)生碰撞事故[1]，提高海上航行時(shí)的安全系數(shù)。而試操船功能是船舶避碰中較為有效的手段之一，其原理是，當(dāng)自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀產(chǎn)生碰撞告警后，操作員通過(guò)設(shè)定本船的新航速、航向、運(yùn)動(dòng)特性等參數(shù)，模擬新運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的碰撞告警情況，進(jìn)而采取處置措施。一套完整的試操流程包括5個(gè)階段：正常航行，產(chǎn)生碰撞告警，試操船，執(zhí)行避碰動(dòng)作，恢復(fù)航行，如圖1所示，其中灰色陰影部分為執(zhí)行試操船的動(dòng)作過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于船舶避碰的研究較多，多采用全局/局部路徑規(guī)劃方法[2-4]，將船艇試操船軌跡尋優(yōu)問(wèn)題映射為最優(yōu)化求解問(wèn)題。結(jié)合各種尋優(yōu)算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，也有相關(guān)論文針對(duì)水面無(wú)人艇避碰方法方面進(jìn)行研究，涉及到的研究方法包括可視圖、遺傳算法、模糊算法、勢(shì)場(chǎng)法等[5]。但上述方法多采用模擬/仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證，其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，難以在實(shí)際使用中進(jìn)行驗(yàn)證。另外，從理論上來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問(wèn)題，不可避免地會(huì)出現(xiàn)無(wú)法尋優(yōu)、局部最優(yōu)和全局最優(yōu)等問(wèn)題，在工程實(shí)際中帶來(lái)的負(fù)面影響有時(shí)是致命的。再次，上述研究或方法在設(shè)定角色參與方面，均認(rèn)為計(jì)算機(jī)是獨(dú)立完成避碰過(guò)程，是一個(gè)典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，但卻忽略了人在其中的反饋-修正作用，未將計(jì)算機(jī)和人認(rèn)同為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。李月華[6]對(duì)試操船功能的實(shí)現(xiàn)給出了較為完整的方案，也考慮了操作員在試操過(guò)程中的反饋?zhàn)饔?，但其采用相?duì)本船運(yùn)動(dòng)顯示，本船一直處于畫(huà)面中心位置，目標(biāo)船僅顯示相對(duì)本船的運(yùn)動(dòng)矢量，經(jīng)過(guò)試用，這會(huì)在很大程度上迷惑雷達(dá)操作員，并不直觀。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程并未考慮延遲時(shí)間、調(diào)諧率、本船線加速度情況等參數(shù)，另外僅考慮減速過(guò)程，并未考慮加速情形，工程應(yīng)用仍有較大的改進(jìn)空間。謝良誠(chéng)[4]主要從延遲時(shí)間、顯示模式等闡述國(guó)際海事組織關(guān)于試操船的相關(guān)規(guī)定，具有一定的參考價(jià)值。本人將從碰撞告警、原理、實(shí)現(xiàn)、后續(xù)工作幾個(gè)方面介紹試操船功能在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)考慮到人機(jī)閉環(huán)以達(dá)到更好的試操效果。

2 碰撞告警工作原理

在船舶航行中，針對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)的判斷、告警是其中關(guān)鍵，最直接的方法是持續(xù)預(yù)測(cè)目標(biāo)與本船之間的相對(duì)方位和距離，普遍采用計(jì)算碰撞三角形方法，隨時(shí)給出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。假定：水流為靜止穩(wěn)態(tài)；不考慮自然環(huán)境影響(如風(fēng)、雨)；目標(biāo)船均為保速、保向運(yùn)動(dòng)；根據(jù)國(guó)際航行規(guī)則，本船為義務(wù)船；本船當(dāng)前位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，為適應(yīng)操作員觀察習(xí)慣，采用極坐標(biāo)且正北向上。

設(shè)本船當(dāng)前運(yùn)動(dòng)矢量為V0，方位為α0，距離為D0，航速為V0，航向?yàn)棣?。導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)n個(gè)，其中第i個(gè)目標(biāo)的真運(yùn)動(dòng)矢量為Vi，方位為αi，距離為Di，真航速為Vi，真航向?yàn)棣読，目標(biāo)i相對(duì)于V0的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量為ViR=Vi-V0，ViR為相對(duì)航速，φiR為相對(duì)航向，相對(duì)方位為αiR，相對(duì)距離為DiR。碰撞三角形原理如圖2所示，目標(biāo)當(dāng)前位置、當(dāng)前原點(diǎn)和自原點(diǎn)O作ViR延長(zhǎng)線垂線的交點(diǎn)Ci組成的直角三角形即為碰撞三角形，Ci為該目標(biāo)船相對(duì)本船的最近點(diǎn)，目標(biāo)當(dāng)前位置至Ci的航行時(shí)間為T(mén)C，O點(diǎn)至Ci的距離為DC，不難得出：αO=0，DO=0，αiR=αi，DiR=Di。

根據(jù)圖2，給出計(jì)算目標(biāo)i相對(duì)本船的DC和TC的計(jì)算公式為：

DCi=|Disin(φiR-αi-π)|

(1)

TCi=Dicos(φiR-αi-π)/ViR

(2)

設(shè)本船允許的最小DC為DCmin，允許的最小TC為T(mén)Cmin，DCmin和TCmin與船體自身物理特性如尺寸、重量、運(yùn)動(dòng)特性等強(qiáng)相關(guān)，如果DCmini

3 試操船實(shí)現(xiàn)方案

船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律與傳統(tǒng)機(jī)器人或車(chē)輛有較大區(qū)別，難以急停急轉(zhuǎn)，其緊急剎車(chē)性能和快速轉(zhuǎn)艏性能均較弱，且控制時(shí)滯性大，試操過(guò)程中要考慮船舶的運(yùn)動(dòng)特性[7]。因此，在執(zhí)行試操船過(guò)程中，除前述章節(jié)所依賴(lài)的輸入條件外，還需要已知以下條件：船舶單位時(shí)間的轉(zhuǎn)向角度r，稱(chēng)為調(diào)諧率;船舶加速度A;啟動(dòng)變速延遲時(shí)間T;試操船目的航速V1;航向φ1。

如圖3所示，整個(gè)試操執(zhí)行過(guò)程按照時(shí)間劃分為4個(gè)環(huán)節(jié)：

(1) 延遲時(shí)間環(huán)節(jié),主要考慮船舶執(zhí)行變速、變向動(dòng)作的時(shí)滯性，該環(huán)節(jié)船舶保速、保向運(yùn)行；

(2) 變速環(huán)節(jié),船舶航向保持φ0不變，按照a開(kāi)始變速，從V0達(dá)到V1；

(3) 變向環(huán)節(jié),船舶保持航速V1不變，按照r開(kāi)始轉(zhuǎn)向，從φ0變?yōu)棣?；

(4) 更新TC和DC環(huán)節(jié),重新計(jì)算所有階段。

為向操作員呈現(xiàn)如圖4所示完整的試操路線過(guò)程，鑒于計(jì)算機(jī)自身特性，以離散采樣試操點(diǎn)繪制船舶運(yùn)動(dòng)軌跡。設(shè)采樣時(shí)間間隔為Δ，試操執(zhí)行過(guò)程耗時(shí)m個(gè)采樣點(diǎn)，其中延遲時(shí)間環(huán)節(jié)耗時(shí)m1個(gè)采樣點(diǎn)，變速環(huán)節(jié)耗時(shí)m2個(gè)采樣點(diǎn)(假設(shè)變速過(guò)程耗時(shí)整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn))，變向環(huán)節(jié)耗時(shí)m3個(gè)采樣點(diǎn)(假設(shè)變向過(guò)程耗時(shí)整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn))，則試操執(zhí)行過(guò)程共耗時(shí)：Δm=Δ(m1+m2+m3)，繪制運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程即為在采樣點(diǎn)k求船舶位置的過(guò)程。為計(jì)算簡(jiǎn)便，暫采用直角坐標(biāo)，第k個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)為(xk，yk)，運(yùn)動(dòng)矢量為V1k，航速為V1k，航向?yàn)棣?k，則有x1=0，y1=0。

在延遲時(shí)間環(huán)節(jié)：

(3)

在變速環(huán)節(jié)，船舶以加速度a進(jìn)行保向運(yùn)動(dòng)：

k=(m1+1),…,m2

(4)

V1m2=V0+Δ(m2-m1)a

(5)

在變向環(huán)節(jié)，因船舶為保航速變航向運(yùn)動(dòng)模式，若不考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)間因素，其進(jìn)行的是圓周運(yùn)動(dòng)。為便于計(jì)算，采用等價(jià)運(yùn)動(dòng)矢量法進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。

第k個(gè)采樣點(diǎn)位置為pk，下一個(gè)采樣點(diǎn)為pk+1，弧長(zhǎng)為L(zhǎng)，弦長(zhǎng)l，假定等效運(yùn)動(dòng)矢量為V2k，等效航速為V2k，等效航向?yàn)棣?k，則有：

d=rΔ

(6)

e=π/2-(π-d)/2=d/2

(7)

φ2k=φ1k+e=φ1k+rΔ/2=

φ0+Δr(k-m2)+rΔ/2

(8)

設(shè)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R，則2πR=V1m22π/r，得出R=V1m2/r,又由弦長(zhǎng)l=ΔV2k=2Rsin(L/2R)=2Rsin(ΔV1k/2R)，得出:

V2k=2Rsin(ΔV1k/2R)/Δ=2V1m2sin(Δr/2)/Δr

(9)

可得出遞推顯示點(diǎn)公式：

(10)

在變向環(huán)節(jié)結(jié)束后，同步更新所有目標(biāo)的位置信息，根據(jù)V1m重新計(jì)算所有目標(biāo)的TC和DC值，以判斷是否仍會(huì)出現(xiàn)告警。如果仍出現(xiàn)告警信息，需重新選取V1和φ1值；如果告警解除，則判定試操完成，本船可采取此航向、航速進(jìn)行避讓?zhuān)瞬襟E需操作員深度參與。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還要注意：

(1) 不能中斷周邊目標(biāo)跟蹤、告警。為安全起見(jiàn)，在試操過(guò)程中，不得中斷對(duì)已有、新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的繼續(xù)跟蹤、計(jì)算和報(bào)警[8]。

(2) 試操過(guò)程顯示要有區(qū)分。在執(zhí)行試操過(guò)程中，應(yīng)在畫(huà)面以醒目位置提示操作員，以區(qū)別于正常顯示；建議對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)目標(biāo)船和本船均繪制矢量線，這樣可以更加直觀地提示操作員，矢量線長(zhǎng)度參數(shù)可配置；試操過(guò)程中再次更新TC和DC環(huán)節(jié)，如仍有告警，其方式要與實(shí)際告警明顯區(qū)分，防止出現(xiàn)不必要的干擾。

(3) 優(yōu)化軟件實(shí)現(xiàn)效率。為盡量不影響實(shí)際航行的顯示，以及能夠快速在人機(jī)之間反饋并閉環(huán)試操結(jié)果，應(yīng)盡可能優(yōu)化軟件實(shí)現(xiàn)效率。如上所述，試操執(zhí)行過(guò)程中需要進(jìn)行大量的三角函數(shù)等運(yùn)算，可采取查表(如正弦余弦計(jì)算)、固定值引用、浮點(diǎn)整形化等多種方式優(yōu)化軟件，以達(dá)到即時(shí)顯示試操過(guò)程和結(jié)果的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中所介紹的方法已在導(dǎo)航雷達(dá)顯控終端中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了試操全過(guò)程模擬以及結(jié)果的即時(shí)顯示，并已交付用戶(hù)使用。期間用戶(hù)也提出了許多良好的建議，比如結(jié)合滾輪調(diào)整航向即時(shí)顯示試操結(jié)果、告警方式等；同時(shí)，還希望基于最小代價(jià)操作可達(dá)原則能夠直接給出目的航向、航速的建議值，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。后續(xù)還有大量工作仍需改進(jìn)完善。

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RealizationofTrialShipsHandlingFunctionofNavigationRadar

CHANG Chuan-wen,MAO Wen-shen

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,China)

Trial ship handling function of navigation radar terminal is one of the effective means to avoid vessels collision.Aiming at the function,the article firstly introduces the working principle of collision triangle,secondly divides the trial handling implementation process into four sessions of delay time,orientation preservation,speed preservation,etc.,and derives the calculation formulas of vessel position in each session,in order to simplify the calculation,presents a method to calculate the equivalent motion vector aiming at speed preservation.In addition,from the engineering point of view,this paper puts forward the proposals to realize the security,display mode,program optimization,etc..

navigation radar;trial ship;collision

2017-04-28

TN959.2

A

CN32-1413(2017)06-0045-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.009