新的航海技术对船舶避碰自动化产生的影响

李树宽

摘 要：针对目前航海领域的关键问题和主要发展目标——航海自动化，在介绍其构成、功能和现状的基础上，对其决定性因素——船舶避碰自动化进行深入分析，提出AIS和海图信息数字化两项新技术的出现和应用对船舶避碰自动化带来的积极影响，旨在为其它新技术更好的应用提供理论依据，有效解决避碰自动化方面的问题，促进航海自动化更好发展。

关键词：航海自动化;船舶避碰;避碰自动化;新航海技术

0 引言

船舶碰撞事故除了会造成人员伤亡与财产损失，还会对海洋环境造成很大污染。通过对碰撞事故产生原因的调查，有八成以上的事故是因为人为因素产生的。船员没有严格遵守相关规则，在思想上没有形成较高的意识是导致船舶碰撞事故发生的主要原因之一，船位校核不及时、对航路的安排不合理、判断错误与值班人员擅离职守则是导致船舶搁浅触礁的主要原因。要想从根本上减少人为因素的影响，可从两个途径入手，其一，加强对船员的教育培训和管理，提高船员责任感与业务素质;其二，提高船舶系统自动化水平，使航海过程实现自动化。在经济快速发展推动作用下，船员不再长时间从事航海已经成为现实。航海是十分艰苦的工作，工作环境与条件十分复杂，这使船员有极大的流动性，根据相关院校的生源情况，在经济比较发达的地区，生源很少，绝大多数学生都不愿意选择航海专业，更没有学习愿意把航海作为自己的终身职业。在这种情况下，难免出现船员的经验不足，对专业技术的掌握不够全面和娴熟的问题。因此，必须提高船舶系统自动化水平，尽可能减少人员参与，减少船员的实际工作量，并实现避碰自动化目标，降低船舶碰撞事故发生几率。

1 航海自动化

伴随自动控制理论和计算机技术等不断发展，目前的船舶自动化已经完成了四个阶段的发展，正向着智能化的方向发展。根据以往的经验，对船舶系统而言，其自动化主要包含三部分内容，即航海、机舱与船体，在这三部分当中，航海的自动化是关键所在[1]。

1.1 系统构成与功能

在功能实现方面，航海自动化包含几个组成部分：（1）航线编制;（2）航向自动控制;（3）自动定位;（4）自动避碰;（5）综合航行管理。

航线编制主要任务在于以运输任务及船舶的实际情况为依据，结合环境条件进行航线的编制，选出一条最为经济和安全的航线，将其作为船舶的自动控制重要参考;对航向的自动控制是指通过自动控制使船舶始终沿计划确定的航线进行航行;自动定位是指对船位进行自动、连续且实时的定位，并保证定位结果的准确性;自动避碰是指防止船舶之间发生碰撞和搁浅触礁。对于综合航行管理，它将各个子系统的实际输入作為依据，通过必要的试验和分析、对比，给出能使船舶始终保持经济与安全航行的决策，同时将传输至操船机构，对这一决策予以严格实施，利用显示器，能将航行信息实时显示出来，为操纵人员的操作提供必要参考[2]。

1.2 研究现状

航海自动化起源于航海技术的自动化;上世纪六十年代出现并使用了数据驾驶台，到八十年代中期，伴随智能化船舶理论研究日益深入，出现了集成驾驶台，由ATLAS研发的NACOS55-2是此类驾驶台的代表产品，它利用咨询终端与计划对航行计划进行输入（也可完成航线设计），然后采用TRACKPILOT以罗经及计程仪层获取的参数为依据，对船舶进行自动驾驶，使其始终沿规划好的航线进行航行;如果船舶航行时会遇到来船，则系统能以船运动要素为依据，实施危险判断与报警，帮助驾驶员采取有效避碰措施[3];如果船舶的航行严重偏离航线或与障碍物之间的距离越来越近，则系统能以预定阈值为依据发出报警，提醒操作人员随时注意并采取有效措施;另外，在航行过程中产生的所有航行信息都能通过显示器获取，或在数据库当中进行检索查询。通过上述分析可知，在向系统中输入航线之后，在相对较宽的水域条件下，采用NACOS55-2能良好的进行自动航行，而在会受到水域限制和有来船的情况下，采用NACOS55-2可以发出报警，此时操作人员只需要提出决策和进行必要的操作。由此可见，在航线确定后，对航海自动化有较大影响的因素是避碰系统能否实现自动化。

2 避碰自动化

为区分船舶之间的碰撞与船舶搁浅触礁，一般将避免船舶之间发生碰撞的系统称作避碰系统，将避免船舶搁浅触礁的系统称作避礁系统，但这是不可分割的整体，必须对这两个问题进行统筹兼顾才能保证船舶始终安全航行，所以严格意义上的避碰是同时避免船舶之间发生碰撞与搁浅触礁[4]。

2.1 现状分析

船舶的自动避碰涉及到很多内容，如对水上和水下相关信息进行自动采集和处理、根据避碰信息处理结果生成决策，并对生成的决策进行自动实施。由于该系统是整个自动化系统重要组成部分，所以决策的实施可以采用操船系统进行[5]。

近几年研究的重点为在宽度较大水域条件下的碰壁信息采集处理和决策生成，其中，对于信息采集与处理，主要是对避碰信息进行量化，包括运动要素与安全判据，以此对碰撞的危险度进行评价;而在决策生成方面，可使用很多方法，如模糊数学、神经网络、专家智能与多种方法的相互结合。根据相关研究成果，人为因素是导致碰撞和搁浅触礁的首要原因，据此，若每一名操作人员都能严格遵守相关规则，并尽职尽责，则能有效避免事故发生。单纯依靠人力无法从根本上解决这方面问题，而根据相关研究成果，采用将专家智能技术作为核心的研究方法，能很好的解决这一实际问题。目前，通过对专家系统和人工智能的应用，已经有效解决了开阔水域条件下船舶自动避碰方面的问题[6]。

2.2 存在问题

从上述分析可知，尽管宽水域条件下的自动避让已经得到了解决，但在性能上还需要进行完善;受限水域条件下的自动避碰还没有得到深入和广泛的分析，其主要原因为对信息源进行的探测和探测结果可靠性方面的问题还没有得到有效解决。信息获取长时间以来都采用导航雷达进行，但船用导航雷达自身具有很大的局限性，无法保证信息获取可靠性高，成为影响自动化发展的主要瓶颈。针对这方面问题，在八十年代提出了水中雷达技术，借助这项技术能确定航行过程中船舶与水下障碍物之间的距离，然后以要求的安全水深为依据进行危险的判断和报警。但它的探测距离很小，只有1000m左右，所以在当前并未得到广泛应用。

3 航海新技术

为有效保证航行安全，近几年，相继提出了一系列新技术，如GPS、ECDIS、GMDSS等，以上技术被航海领域的专业人士称作九十年代的航海三大件。在此之后又提出了AIS与VDR，极大的推动了自动避碰的研究和发展。

3.1 AIS

通过研究可知，船舶之间和船与岸之间的信息交互对航行安全保障有重要作用，同时也认识到了现有通信导航存在的不足，在这种情况下，AIS应运而生。AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统），AIS不仅信息量巨大，而且可绕开障碍进行信息传输，受天气因素的影响较小，然而，由于AIS能提供很多额外的信息，所以值班人员会面临到信息过载的问题，对避碰有重要影响的信息，目标相对运动却需要雷达来获取;另外，AIS还可能从产生出错误的信息，不仅随机产生，而且还没有检错方式，需要依靠人员的经验来判断和分析。AIS的合理应用能有效保证海上船舶与生命的安全，并能提高航行效率，实现对海洋环境的有效保护，其功能主要包括几点：（1）对船只进行识别;（2）协助追踪目标;（3）简化信息交流;（4）提供辅助信息，防止碰撞的发生[7]。

根据以上特点可知，AIS的优点能解决雷达具有的局限性，但因为存在很多缺点而且并非每个船舶或漂浮物都具备安装AIS的条件，所以AIS并不能完全替代雷达，仅仅可以作为一种获取动态信息的传感器，通过对其所提供的的各项信息的利用，能为导航雷达提供辅助信息支持，保证信息可靠性与科学性。另外，AIS还能向其它船舶发送本船所采取的避让措施，也就是在生成避让决策以后，利用AIS将必然参数实时发送出去，使同样安装有AIS的其它船舶明确本船意图，以此实现协调配合，保证避让顺利进行，避免事故的发生[8]。

通过上述分析可知，船舶自动避碰对AIS的应用能发挥出两项作用：（1）保证信息可靠性与科学性;（2）为避碰意图传输提供必要的通信工具。

3.2 海图信息数字化

通过相关专家和学者的多年努力，宽水域条件下的自动避碰问题已经得到解决，取得了相应的初步成果，为整个自动系统的应用及研究打下了良好基础，而受限水域条件下的自动避让却没有得到解决。要想解决这一问题，需从两个方面入手：（1）获取足够的静态信息;（2）对静态和动态信息进行有机结合。

在静态信息获取方面，八十年代提出了可采用探测声呐技术对水下危险物进行探测，虽然可行，但有效探测距离较小，无法承担实际探测任务。到了九十年代之后，海图信息数字化得到快速发展，实现了对声呐探测与电子海图的充分结合，成为静态信息提供重要方式;把避让决策的功能模块嵌入至ECDIS当中，由ECDIS对动态信息实际交换与处理进行分析研究，这是解决以上第二方面问题的有效途径。通过以上分析可以看出，在自动避碰方面，ECDIS的应用能为系统提供充足、可靠且有效的静态信息，并能为动静信息之间的结合提供可靠的媒介。

4 结语

综上所述，航行安全要求不断提高推动了自动化研究实际发展，但尽管如此，航海自动化方面的问题还没有得到完全且有效的解决。避碰自动化是限制航海自动化发展的主要客观因素，但通过对各项新技术的应用能为自动避碰创造良好条件，同时带来全新突破。为保证航行安全性和海洋清洁性，在新时期做好航海自动化是必然趋势，而想要实现航海自动化的前提是做好避让自动化的研究，利用新技术来解决各方面问题。

参考文献

[1] 徐海刚，裴玉锋，刘冲.光纤陀螺惯导在航海领域的发展与应用[J].导航定位与授时，2018（2）：44-45.

[2] 張天壮.探讨新航海技术对船舶避碰自动化的影响[J].船舶物资与市场，2019（5）：22-23.

[3] 周韬，李晓强.基于e-航海的船舶智能航行[J].船舶工程，2019（12）：55-56.

[4] 潘洪学.AIS与现代航海技术的关系及对未来航海的影响[J].珠江水运，2019（17）：33-34.

[5] 李锦刚.青岛港全自动化码头航海保障服务探析[J].天津航海，2018（2）：33-34.

[6] 杨双双，吴传生，刘钊.基于非凸低秩稀疏约束的船舶交通流量预测[J].计算机应用研究，2018（1）：49-53.

[7] 李伟峰，王磊.船舶机械设备的常见故障及状态监测与诊断技术研究[J].自动化与仪器仪表，2018（6）：25-26.

[8] 王康.船舶通信终端远程导航监控技术[J].舰船科学技术，2018（6）：127-129.