船舶操纵模拟器的危险性评估与预报

2022-10-19张一鸣

舰船科学技术 2022年17期

张一鸣

(江苏海事职业技术学院，江苏南京 211170)

0 引言

船舶操纵模拟器在船舶驾驶培训、海事分析、航道规划设计等领域的广泛应用，为通航安全性评估提供了技术支持。在船舶通航危险性评估中，要对各项船舶操作和航行状况进行模拟，具体分析在不同航道中本船与目标船存在碰撞的可能性，及时评估航行水域是否会发生事故危险，进而发布预报，警示船舶操纵者调整航行方案，规避碰撞、搁浅等风险。

1 船舶操纵模拟器与危险性评估

1.1 船舶操纵模拟器

船舶操纵模拟器在电子海图上能够清晰显示船舶动态图形，对航行状态下的操纵运动模拟记录下来，评估船舶航行存在的危险性，并进行预报。操纵模拟器可以满足多种类型的船舶航行危险性评估需求，如散货船、邮轮、客船、集装箱船等，同时支持多种模拟环境选择，包括通航环境、航道工程、港口码头等，其系统框架如图1 所示。该系统配置大屏幕环形投影设备，水平视场角为270°，系统可以对副本船平面投影，方便本船利用电子海图掌握碰撞危险性信号。

图1 船舶操纵模拟器系统的组织框架图Fig.1 Organization framework of ship maneuvering simulator system

1.2 危险性评估

在船舶操纵模拟器危险性评估中，要建立起操纵运动数学模型，对定速航行、加速航行、减速航行、浅水下操纵、风流影响下操纵等多种航行条件进行模拟，同时还要考虑两船相遇受到浪、风作用后能够产生的船体运动轨迹变化。危险性评估要做好各项准备工作，拟定设计评估方案，在操纵模拟器中模拟船舶航行的安全保障措施，记录模拟数据，包括模拟环境数据、操纵者指令、船舶运动信息等，之后再利用航迹数据分析软件对数据叠加处理，用图形展示航迹，作出合理的危险性评估判断。危险性评估需要假设分析条件，在操纵模拟器中设置风流、船舶满载、船舶调头、航道航行速度、目标船舶、试验工况等多项参数，根据模拟试验情况，得出危险性评估结果，对船舶航行提出安全操纵措施建议，如控制航速、航道单向管制、不得停靠其他船舶等措施。

2 船舶操纵模拟器的危险性评估与预报

2.1 宽水域航行碰撞危险性评估与预报

在无障碍物、水深足够的宽水域航行条件下，船舶航行无需考虑搁浅、触礁等危险，只需考虑是否会出现多船碰撞的可能性。船舶操纵模拟器可以自动评价本船6 nmile 范围内的其他船舶，评估船舶碰撞的危险性，为船舶避让提前做出预报。在宽水域航行中，船舶会遇领域分为危险领域（RD）、安全会遇领域（SD）、动界领域（AD），3 种领域如图2 所示。

图2 宽水域航行状态下船舶会遇领域划分Fig.2 Division of areas encountered by ships under wide water navigation

根据图2 可知，在会遇领域划分中需要考虑到航区能见度、海上风浪、通航密度、船舶操纵性、水深、避碰规则等因素，这些因素都是动态变化的，需要操纵模拟器给出危险性评价。为简化操纵模拟器的模型，令任一舷角的RD，SD，AD 值为固定值，具体划分为用户设定与系统默认形式。当多目标船可能与本船会遇的情况下，RD，SD，AD 值会发生变化，分为本船追目标船、目标船追本船以及其他情况。在危险性评价中，综合分析各项影响因素，根据衡量标准确定DCPA 和TCPA 的变化值，当操纵模拟器判断本船不能安全航行通过指定区域时，及时发挥出危险性预报。当目标船舶接近本船时，DCPA 的评价模型为：

式中：为本船与目标船舶的相对速度；为相对运动距离，根据和能够评估出船舶碰撞的危险性，判断的标准为：

式中：u为目标船舶在会遇的情况下与本船存在的碰撞危险性。当u=1 时，表明碰撞发生，操纵训练需停止；当u=0 时，表明不会发生碰撞，或者已经解除碰撞风险，此时本船处于安全航行状态；当u为非0 和非1 的其他值时，表明本船处于除上述2 种情况之外的其他情形。

在危险性预报阶段，根据危险性评估结果及时预报避让行动，具体包括：目标船舶自由行动6 n mile 以上，无需采取避让操作；目标船舶距离本船3～6 n mile，发出及早采取行动预报；目标船舶距离本船3～2 n mile，发出采取行动预报；目标船舶距离本船2 n mile 以内，发出采取避碰行动预报。

2.2 狭水道航行搁浅危险性评估与预报

狭水道是指受到水域限制，航行中存在礁石、浅滩等障碍物的狭长水道，此类型水道具备水深浅变化大、形态弯曲、船只多、障碍物多等特点，船舶在此处航行易发生危险性事件。在全面考虑本船航速、航向、航行条件等因素的情况下，采用搁浅危险性评价算法对船舶航行存在的危险性进行评估和预报。当危险性评估取值为0 时，表明船舶不会发生搁浅事件。当危险性评估取值为1 时，表明船舶必然会发生搁浅事件。当危险性评估取值介乎于0～1 时，表明船舶发生搁浅事件的可能性高低。船舶操作模拟器能够自动记录搁浅危险性评估信息，用于评价船舶的航行操纵水平。狭水道分为直航道、曲航道两大类型，根据点到直线距离的不同，还可以将直航道细分为3 种不同的类型，左中右航道的危险性指数分布曲线如图3所示。

图3 狭水道中左中右航道的危险性指数分布曲线Fig.3 Distribution curve of risk index of left,middle and right waterway in narrow waterway

在直航道中，按照航道中线划分为左航道和右航道，船舶航行方向为航道中线。当船舶航行在右航道上时，用D表示航道中线到船舶中心的垂直距离；当船舶航行在左航道时，用表示航道中线到船舶中心的垂直距离；如果D==0，那么表示船舶航行在航道中线上；用V表示船舶沿着D航行的速度分量，用表示船舶沿着航行的速度分量；当V和均为负数时，表明船舶偏离左航道或右航道，即船舶搁浅的危险性降低；当V和均大于0 时，表明船舶向左航道或右航道靠近，即船舶搁浅的危险性增大，需及时发出危险性预报。

2.3 狭水道航行碰撞危险性评估与预报

当船舶在狭水道上通行时，受航行水域过于狭窄的影响，增加了船舶与船舶之间的避让失败风险，导致狭水道航行碰撞危险性增加。根据统计调查资料显示，狭水道是船舶碰撞事故最多的区域，部分狭水道宽度仅几百米，在风力作用下，大型船舶在与小船相遇时，可能会突然窜到小船航道，增加碰撞危险性。所以，加强对狭水道船舶碰撞危险性评估显得尤为重要。在评估狭水道碰撞危险性时，需考虑船舶长度、航行速度和驾驶员操作能力等因素。本文引入球场式船舶领域分析方法，判断碰撞危险性高低。共分为以下3 个领域：危险领域，当本船各舷角目标临界小于船尾180°舷角上的分布时，表明存在较高的碰撞危险性；安全领域，当本船各舷角的安全会遇距离分布在船尾180°舷角上时，表明船舶在安全区域航行；动界领域，该领域是为保证危险领域中船舶不会发生碰撞事件而设置的特定安全会遇领域。当本船遇到大型目标船时，狭水道船舶碰撞危险性分析会按照目标船船头、船尾与本船船头、船尾可能发生的会遇势态进行评估，及时发出预报。

3 模拟实验

3.1 实验说明

为验证船舶操作模拟器对危险性评估和预报的有效性，构建仿真系统进行实验分析。系统具备创建航行区域、转换参数处理、控制船舶运用、评价碰撞危险性、评价搁浅危险性等功能。实验环境设置为宽水域和狭水道，直航道的长度为3 704 m，走向为000°，弯曲度为45°，宽度为200 m，无限水深；直航道的长度为3 704 m，走向为045/225°，弯曲度为45°，宽度为141 m，无限水深；直航道的长度为3 704 m，走向为090/270°，弯曲度为45°，宽度为200 m，无限水深。

本船船长260 m，船宽43 m。目标船共4 艘，船长211 m，船宽32 m。船舶采样周期均为0.5 s，每间隔3 s 评估船舶碰撞或搁浅危险性。船舶运动控制部分用于对操纵参数、船位解算进行处理，当在狭水道环境下实验时，根据新船位暂定虚拟船位。当船速为2.6 m/s，加速度为0.02 m/s时，满舵状态下的转首角速度为0.007 rad/s，舵角为15°的转首角速度为0.005 rad/s，舵角为5°的转首角速度为0.001 rad/s。启动船舶操纵模拟器进行参数配置，启动流程如图4 所示。评价模块可供选择，配置ED，SD，AD 参数，配置后点击运行程序。

图4 船舶操作模拟器评价模块参数配置启动流程图Fig.4 Startup flow chart of parameter configuration of ship operation simulator evaluation module

3.2 模拟验证结果

船舶操纵模拟器的仿真验证结果如下：

在宽水域航行中，船舶操纵模拟器评估碰撞危险性评估结果如图5 所示。在全速状态下，遇到1 艘目标船，在左舷前方交叉，（collision）最小值为0，最大值为0.47，平均值为0.32。从图5 可以看出，前段航行无危险度，目标船距离本船较远，当目标船接近后，本船的危险性增大；本船与目标船横向相遇时，危险性评估值最大，之后出现危险性评估值下降，表明两船碰撞危险性减小，直到无危险性。