船舶避碰辅助转舵系统的设计与实现

2011-07-20赵洪峰李红祥

武汉船舶职业技术学院学报 2011年2期

赵洪峰李红祥金丹

(1.武汉理工大学航运学院,湖北武汉 430063;2.武汉船舶职业技术学院电子电气工程系,湖北武汉 430050)

随着世界进出口贸易的日益扩大,船舶不断朝着大型化、专业化、高速化发展,与此同时而产生的船舶碰撞事故已屡见不鲜,造成的人命、财产损失越来越严重,给水域的生态环境造成了巨大的影响。英国交通部门(1991)曾估算96%的船舶碰撞事故中都有人为因素的影响。依据交通部《船舶交通事故统计规则》,分别对黄石长江大桥、武汉长江大桥、武汉长江二桥在1997年～2002年期间发生于桥区水域的海损事故进行了统计,三座大桥在1997年～2002年期间共发生4起撞桥事故,其中洪水期和枯水期各有2起事故发生;4起事故中有3起是由于船舶通过大桥时操作失误导致船舶触碰桥墩、一起是船舶通过大桥时舵机失灵、船舶失控导致船舶触碰桥墩。因此针对船舶驾驶员是否在会遇初始阶段采取正确的判断以及对驾驶员错误操作校正的研究对保障船舶航行安全起到一定作用。避碰辅助系统的应用可以在一定程度上解决避碰问题中的人为失误。当驾驶员进行误操作时,可以及时代替驾驶员,自动发出正确的转舵命令避免紧迫局面或者紧迫危险的局面进一步扩大。另外,避碰辅助系统对于降低船员配额从而减少运输成本以及在船员避碰培训中也具有重要意义[1]。

1 系统设计

1.1 船舶会遇局面的判断

本系统的研究基于《1972年国际海上避碰规则》(以下简称《规则》)中第二章第二节“船舶在互见中的行动规则”的内容[2]。

航向交叉角ΔC定义:目标船航向Ct与本船航向Co差,即ΔC=Ct-Co。

舷角Q定义:目标相对于本船的方位,由0°到180°向右或向左计量。

船舶会遇局面分类:

根据避碰规则及航行灯的水平光弧和能见距离,可分成下列7种类型:

1)对遇 :目标 Q ≤5°,且 ΔC 在 174°～ 186°之间。

2)右舷小角度交叉:目标 5°≤Q≤45°,且ΔC 在 186°～ 210°之间。

3)右舷大角度交叉:目标45°≤Q ≤112.5°,且 ΔC 在 210°～ 360°之间。

4)左舷小角度交叉:目标5°≤Q ≤45°,且 ΔC在 150°～ 174°之间。

5)左舷大角度交叉:目标 45°≤Q ≤112.5°,且 ΔC在0°～150°之间。

6)追越 :目标 Q ≥112.5°,ΔC 在 0°～ 90°或270°～360°之间,目标船速度大于本船速度。

7)被追越:目标Q＜arcsin(0.94×V t/Vo),且目标船速度V t小于本船速度Vo。

船舶的会遇局面可用图1表示。

图1 船舶会遇局面

1.2 碰撞危险

“碰撞危险”一词在《规则》中没有给出定义,但在《规则中》中却多次使用这一术语,而且《规则》中很多条款的适用是以是否构成碰撞危险为前提的。

当同一船舶处于不同的环境和情况下,或当不同的船舶处在同一个具体条件下时,可能对船舶是否存在碰撞危险有不同的理解和认识。尽管“碰撞危险”与人、船舶、环境等因素有关,但海员判断碰撞危险的基本数据是两船会遇时的最近会遇与距离(DCPA)和到达最近会遇距离时所处的时间(TCPA)。在海上船舶避碰实践中,ARPA雷达能够随时提供目标船舶的DCPA和TCPA,以便船舶驾驶员判断碰撞危险[3]。

1.3 避碰方案

《规则》第八条2款规定:“为避免碰撞所采取的任何行动。如当时环境许可,应大得足以使它船用视觉或雷达观测时容易察觉到;应避免对航向和航速做一连串的小变动。”通常情况下,互见中,转向30°或以上,使两船航向分离,被认为是符合规则精神的。为防止碰撞事故的发生,首要的一条是避免紧迫局面的形成。《规则》第八条3款规定在一定条件下,单用转向可能是避免紧迫局面的最有效行动。鉴于此,本系统中以对遇局面和追越局面为例,分别采用右转30°和左转30°的默认避碰决策模拟避碰操纵。

1.4 自动舵的使用

在船舶会遇及过渔区等情况下,应驾驶员采用手操舵对船舶运动进行控制,但根据前文仅对长江中游四座大桥桥区水域的调研可以发现往往驾驶员的误操作是造成事故的真正原因。鉴于这种原因,本文强调在会船时自动舵可以接收 PC机的指令,暂时抛弃驾驶员的错误命令,降低危险发生的概率。

2 系统设计

2.1 系统功能

在多船会遇的态势下,本系统ARPA预先设定警戒圈,并对闯入APAR警戒圈的目标船舶进行跟踪,在本船与目标船舶组成的不同会遇局面中,当驾驶员实施的操舵方向出现违背《规则》的情况,系统将进行报警并自动执行默认的转向和舵角进行避碰。驶过让清后,若驾驶员未操舵或操舵方向错误而未使船舶回到计划航线,系统亦将报警并自动执行本人的转向和舵角回归计划航线。

2.2 系统结构

船舶避碰辅助转舵系统结构见图2。该系统由 APAR、AIS、GPS、局面显示界面、舵机以及辅助转舵子系统等部分构成。

图2 辅助转舵系统结构图

输入接口通过连接在自动标绘雷达(ARPA)、船舶自动识别系统(A IS)、全球定位系统(GPS)及其他助航仪器上的传感器传输目标船相关特性信息。目标船舶特性包括航向、航速、方位、距离、DCPA、TCPA 等。

安装在PC机内的船舶避碰辅助转舵软件根据来自ARPA、AIS、GPS的船舶数据,得出相应的自动避碰转舵方案,将船舶模型的运动体现在sECDIS(电子海图)以及雷达LED显示器等船舶会遇局面的显示终端上。驾驶员在得到ARPA警报后,若针对紧迫局面或者碰撞危险选择了错误的转舵方向,系统则会对驾驶员发出警报,同时根据之前得出的自动避碰转舵方案进行转舵,将正确的舵令传至舵机,避免发生船舶碰撞事故。