摘要：隨著船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和會(huì)遇率的增大，船舶的碰撞事故時(shí)有發(fā)生，這就對(duì)避碰問題的研究提出了更高的要求。通過對(duì)緊迫危險(xiǎn)及緊迫危險(xiǎn)區(qū)域的深入研究，提出了緊迫危險(xiǎn)距離的量化模型及緊迫危險(xiǎn)下的避碰決策，并通過幾何作圖分析和模擬操縱仿真試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：水路運(yùn)輸；緊迫危險(xiǎn)；避碰決策；量化模型

近年來，隨著船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和會(huì)遇率的增大，船舶的碰撞事故時(shí)有發(fā)生，這就對(duì)避碰問題的研究提出了更高的要求。1996國際海上避碰會(huì)議提出，船舶自動(dòng)避碰是今后十年乃至二十年航海技術(shù)的主攻方向之一，是目前國內(nèi)外航?？萍冀缪芯康那把卣n題，也是當(dāng)今能否實(shí)現(xiàn)船舶駕駛自動(dòng)化的研究熱點(diǎn)。我們經(jīng)過十多年來對(duì)船舶智能避碰決策方法的研究，分別在寬水域船舶避碰決策與受限水域避淺、避礁決策等方面取得較大的進(jìn)展，形成了船舶擬人智能避碰決策(Personifying Intelligent Decision-making for Vessel collision Avoidance，PIDVCA)理論。針對(duì)船舶碰撞經(jīng)常發(fā)生在緊迫危險(xiǎn)情況下的處理不當(dāng)而引起的事實(shí)，基于PIDVCA的理論基礎(chǔ)，結(jié)合同行對(duì)船員的問卷調(diào)查，通過幾何作圖分析，著重對(duì)兩船之間緊迫危險(xiǎn)及緊迫危險(xiǎn)區(qū)域界值量化模型以及緊迫危險(xiǎn)下的智能避碰決策方法進(jìn)行了深入的研究，形成了緊迫危險(xiǎn)下的智能避碰決策的模型和方法。

1緊迫危險(xiǎn)

1.1緊迫危險(xiǎn)的含義

國內(nèi)外專家對(duì)緊迫危險(xiǎn)的含義主要有下列4種解釋：

1)兩船相對(duì)位置已臨近到必然發(fā)生碰撞的境地，即使雙方共同采取措施，也有可能發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)局面；

2)緊迫局面形成時(shí)，如果相遇的兩船未能及時(shí)采取行動(dòng)或者所采取的措施未產(chǎn)生有助于避讓的行動(dòng)，從而形成碰撞迫在眉睫的局面；

3)兩艘船舶接近到雙方都采取最有效的避碰行動(dòng)，但并未出現(xiàn)在安全距離上駛過的局面；

4)兩船逼近到單憑一船的避讓行動(dòng)已不能避免碰撞的局面。

我國航海界普遍認(rèn)為，“緊迫局面”是指當(dāng)兩船接近到單憑一船的行動(dòng)已不能導(dǎo)致在安全距離上駛過的局面；同時(shí)認(rèn)為“緊迫危險(xiǎn)”是指當(dāng)兩船接近到單憑一船的行動(dòng)已不能避免碰撞的局面。

因?yàn)榫o迫危險(xiǎn)的含義是在緊迫局面形成之后，無論由于何種原因兩船逼近到單憑一船的避讓行動(dòng)不能避免碰撞的局面。這時(shí)兩船都應(yīng)采取最有助于避碰的行動(dòng)，包括背離《規(guī)則》行動(dòng)。這樣才有可能避免碰撞或減少損失。

關(guān)于緊迫危險(xiǎn)局面的定量分析方面；船舶間安全會(huì)遇距離SDA(Safe Distance Of Approaching)、緊迫局面距離DE(Distance of Emergency)、碰撞危險(xiǎn)區(qū)域的半徑即安全會(huì)遇距離最小值SDAmin確定，就能進(jìn)一步確立緊迫危險(xiǎn)局面的距離最小值DEmin。

1.2緊迫危險(xiǎn)在PIDVCA理論的界定

筆者認(rèn)同文獻(xiàn)[11]對(duì)船舶會(huì)遇4個(gè)階段的劃分，如圖1所示。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了安全會(huì)遇距離SDA、安全會(huì)遇距離最小值SDAmin的量化模型，并以此為依據(jù)界定了緊迫局面距離DE(即圖1中的界2)及其最小值DEmin(即圖1中的界1，即兩船陷入危險(xiǎn)局面時(shí)，依照《規(guī)則》的避讓方法，憑本船滿舵改向90°或Crmax(相對(duì)運(yùn)動(dòng)線過艏最大變化的最大改向角)能確保兩船分別在SDA和SDAmin上通過對(duì)應(yīng)的距離。PIDVCA理論界定了碰撞危險(xiǎn)區(qū)域的半徑為SDAmin，即轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離，參照“1.1”關(guān)于緊迫危險(xiǎn)含義的描述，我們把上述的緊迫局面距離的最小值界定為兩船陷入緊迫危險(xiǎn)局面的距離，即稱DEmin為緊迫危險(xiǎn)距離。對(duì)此值在數(shù)量上的解釋就是本船轉(zhuǎn)向避讓的臨界距離DLMA(Distance of Last-Minute Action of tarning)來決定，它可以看作是不論何種原因形成緊迫局面，并即將發(fā)生緊迫危險(xiǎn)的時(shí)刻本船采取轉(zhuǎn)向避讓90°或Crmax的行動(dòng)時(shí)機(jī)，船舶間的距離等于一船實(shí)施滿舵旋回避碰行動(dòng)，另一船直航的條件下兩船能避免碰撞(即兩船間的DCPA≥SDAmin)發(fā)生時(shí)的距離，如圖2所示。這一距離與兩船舶間的會(huì)遇格局、相對(duì)速度、船舶的操縱性能及船舶的尺度有關(guān)。上述的緊迫局面距離DE就是本船改向避讓90°或Crmax使兩船在SDA以外通過的最晚施舵距離，PIDVCA理論將本船初始最佳避讓航向角對(duì)應(yīng)的施舵距離定為界3。

碰撞距離(Dcollid)包括轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離和變速避讓碰撞距離。根據(jù)國際海上避碰規(guī)則第八條第三款：如有足夠的水域，單用轉(zhuǎn)向可能是避免緊迫局面的最有效的行動(dòng)的原則，這里討論的是轉(zhuǎn)向避讓碰撞距離，它和船舶的操縱性能有關(guān)，受船舶尺度、目標(biāo)船的速度、會(huì)遇交角和DCPA的影響。

2緊迫危險(xiǎn)界值的量化

通常情況下，航海從業(yè)人員認(rèn)為在海上兩船接近到6nmile，若兩船的DCPA接近0時(shí)，認(rèn)為碰撞危險(xiǎn)正在形成；若兩船不采取任何行動(dòng)而繼續(xù)接近到3nmile，認(rèn)為緊迫局面正在形成；若繼續(xù)接近到1nmile，則認(rèn)為緊迫危險(xiǎn)正在形成。其判斷的依據(jù)來源于“規(guī)則”對(duì)于船舶燈光的光力射程來確定的。若是在能見度不良時(shí)，相應(yīng)的距離可以改變?yōu)?/SPAN>8nmile、4nmile、2nmile。這種距離的簡(jiǎn)單量化存在以下問題：未能考慮目標(biāo)船的速度及其與本船會(huì)遇的相互關(guān)系、船舶的尺度和操縱性能以及本船按照《規(guī)則》采取行動(dòng)的難易程度，與當(dāng)前的船舶大型化、高速化不相適應(yīng)。

2.1緊迫危險(xiǎn)界值的量化方法

在緊迫局面已經(jīng)形成，而緊迫危險(xiǎn)到來之前的避讓行動(dòng)，如果雙方能夠取得協(xié)商而相互采取最有效的行動(dòng)當(dāng)然是上策，然而，碰撞往往發(fā)生在無暇顧及協(xié)商，因此，PIDVCA理論是假定對(duì)方直航的情況下，以本船按照《規(guī)則》采取最有效的避讓行動(dòng)為前提進(jìn)行研究。

如圖2表示本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°后目標(biāo)船與本船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何圖，圖中C0和V0分別為本船的航向和航速；Vt和Vr分別為目標(biāo)船的真速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；R.M.L和N.R.M.L分別為本船改向前后目標(biāo)船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量線。顯然，只要求出R.M.L和N.R.M.L兩條相對(duì)運(yùn)動(dòng)線的交點(diǎn)，就可獲得本船改向后的轉(zhuǎn)向點(diǎn)b(xb，yb)，根據(jù)船舶操縱性能及兩船的運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析，基于轉(zhuǎn)向點(diǎn)坐標(biāo)可以估算最晚施舵點(diǎn)a(xa，ya)，根據(jù)平面兩點(diǎn)式方程，便可求出DEmin。

2.2緊迫危險(xiǎn)界值的量化模型

PIDVCA理論根據(jù)船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何分析建立了求解目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)要素及其本船改向后的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)要素模型，因此，分別列出R.M.L和N.R.M.L兩條直線方程(1)和(2)，即

解上述方程組得兩條直線的交點(diǎn)b(xb，yb)：

如圖2所示的會(huì)遇態(tài)勢(shì)，設(shè)本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°來船產(chǎn)生的相對(duì)位移為SS，它在X軸和Y軸的分量分別為xs和ys：

式(5)、式(6)中，Tn為本船全速滿舵轉(zhuǎn)向90°的時(shí)間，Dc為旋回初徑，Fd為旋回進(jìn)距，Vt和Ct分別為目標(biāo)船的真航速和真航向。顯然，SS為：

因此，施舵點(diǎn)坐標(biāo)a(xa，ya)：

于是，緊迫危險(xiǎn)距離DEmin為：

按照式(3)～式(10)，以船長為350m(假設(shè)目標(biāo)船來自雷達(dá)回波，因此，安全起見取較大的船長)、船速為15kn的目標(biāo)船與本船右舷交叉會(huì)遇為例的計(jì)算結(jié)果如表1所示，其值除萬噸級(jí)以下和超大型船舶外，基本分布在1～2nmile之間，相當(dāng)于緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)的內(nèi)邊界，亦即上述的緊迫局面的下界(界1)。

表1 DE和DEmin的計(jì)算結(jié)果

顯然，如果把公式(1)～式(4)中的SDAmin由SDA替代，則對(duì)應(yīng)的式(10)求得的結(jié)果便是緊迫局面距離DE，亦即上述的緊迫局面的上界(界2)，相當(dāng)于緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)的外邊界。如果目標(biāo)船取自AIS或雷達(dá)與AIS的融合結(jié)果，則計(jì)算結(jié)果會(huì)更符合實(shí)際，表中的界值也會(huì)相應(yīng)略減小。模擬結(jié)果可知，量化模型能隨本船操縱性及目標(biāo)船的大小以及與本船與本船的交會(huì)關(guān)系有關(guān)，滿足避碰的實(shí)時(shí)性與適應(yīng)性的要求。

3緊迫危險(xiǎn)下的避碰決策方法

主要討論兩船陷入緊迫危險(xiǎn)下，目標(biāo)船未能采取積極有效的行動(dòng)，即目標(biāo)船直航情況下，借助幾何驗(yàn)證，并綜合參考緊迫局面下避碰行為問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本船應(yīng)采取的最有效的避碰決策。

3.1兩船對(duì)遇

兩船對(duì)遇情況的避碰決策方法分兩種情況討論。

1)兩船右對(duì)右對(duì)遇

如圖3(A)所示，N.R.M.L1和N.R.M.L2分別是本船采取全速滿舵右讓和左讓90°后的目標(biāo)船與本船之間新相對(duì)運(yùn)動(dòng)線，顯然，立即全速滿舵左讓90°(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法，符合船員的習(xí)慣做法。

2)兩船正對(duì)或左對(duì)左

如圖3(B)所示，N.R.M.L′以及N.R.M.L分別是本船采取滿舵右讓90°以及轉(zhuǎn)向又加速后目標(biāo)船與本船之間新的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線。圖中顯示對(duì)于V0<Vt的左對(duì)左情況以及V0≥Vt的正對(duì)情況，本船采取全速滿舵右讓90°是最有效的避讓方法；對(duì)于V0<Vt的正對(duì)情況，如果本船尚未達(dá)到全速狀態(tài)，則采取加到全速且滿舵右讓90°是有效的避讓方法；當(dāng)然，對(duì)于V0<Vt的正對(duì)情況，如果本船已達(dá)到全速狀態(tài)，立即全速滿舵右讓90°仍然是最有效的避讓方法。

總之，無論哪種對(duì)遇情況，只要航行水域不受限，從圖3可知，僅憑單方減速停車只能延遲達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間，而未能擴(kuò)大兩船的安全會(huì)遇距離，以達(dá)到避免碰撞危險(xiǎn)的目的，因此，在無法讓對(duì)方協(xié)調(diào)行動(dòng)的情況下，應(yīng)避免減速停車的避讓行動(dòng)。

3.2右前方交叉情況

如圖4所示，對(duì)于右前方小角度交叉情況，N.R.M.L1、N.R.M.L2和N.R.M.L3分別是本船采取滿舵右讓、左讓90°或減速后新的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線。顯然，本船立即滿舵左讓90°(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法，如果本船改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動(dòng)，則繼續(xù)向左旋回一周；如果本船尚未達(dá)到全速狀態(tài)，如圖4的BA3(V′0)，則本船采取加到全速且滿舵左讓90°(BA2)是最有效的避讓方法；同理，應(yīng)避免減速停車的避讓行動(dòng)。

而對(duì)于右舷正交叉情況，如圖5所示，N.R.M.L1、N.R.M.L2、N.R.M.L3和N.R.M.L4分別是本船采取滿舵右讓、左讓AC、減速或左讓90°后新的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線。顯然，本船全速狀態(tài)下立即滿舵左讓AC(N.R.M.L2)是最有效的避讓方法；如果本船尚未達(dá)到全速狀態(tài)，如圖5所示的BA′(V′0)，則本船采取滿舵左讓90°(BA4)是最有效的避讓方法；雖然減速停車是也是有效的，且與V0<Vt情況下左讓90°效果相當(dāng)，但只要水域允許還是提倡舵讓為最有效的避讓行動(dòng)。

3.3左前方交叉情況

同“3.2”的分析方法，對(duì)于左前方小角度交叉情況，最有效的避讓方法是滿舵左讓90°，如果本船改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動(dòng)，則繼續(xù)向左旋回一周；如果本船尚未達(dá)到全速狀態(tài)，則采取向右改向Crm或90°且加速至全速也是有效的避讓方法；同理，應(yīng)避免減速停車的避讓行動(dòng)。

而對(duì)于左舷正交叉情況，本船立即采取滿舵右讓90°是最有效的避讓方法，如果改向過程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船有不協(xié)調(diào)的行動(dòng)，則繼續(xù)向右旋回一周；如果本船尚未達(dá)到全速狀態(tài)，則本船采取加到全速且滿舵右讓90°是最有效的避讓方法。

3.4被追越情況

被他船從左舷或正后方追越情況，本船立即滿舵右讓90°是最有效的避讓方法；被他船從右舷追越情況，本船滿舵左讓90°是最有效的避讓方法。

3.5左右正橫附近情況

左右正橫附近情況與“3.4”情況雷同，即對(duì)左正橫附近和右正橫附近目標(biāo)船，本船分別應(yīng)采取滿舵右讓和左讓90°的避讓方法。

4結(jié)語

根據(jù)我們十多年來在船舶自動(dòng)避碰領(lǐng)域的研究成果，通過對(duì)緊迫危險(xiǎn)及緊迫危險(xiǎn)區(qū)域的深入研究，基于PIDVCA的理論基礎(chǔ)提出了緊迫危險(xiǎn)距離的量化模型及緊迫危險(xiǎn)下的智能避碰決策，通過幾何作圖分析和模擬仿真計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了智能避碰決策模型方法及相關(guān)界值的合理性和適應(yīng)性，基本符合船員的習(xí)慣。從幾何作圖的理論分析，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了船員問卷調(diào)查中個(gè)別態(tài)勢(shì)的決策方法尚存不合理之處。

作者：熊振南，李麗娜，周偉  來源：中國航海