基于AIS信息的船舶自動避碰模型及其算法與仿真

王當利 黃立文

武漢理工大學航運學院 武漢430063

基于AIS信息的船舶自動避碰模型及其算法與仿真

王當利 黃立文

武漢理工大學航運學院 武漢430063

針對全自動無人駕駛船舶研制的核心之一，需要一個成熟而實用且與現有航行方法、規則和規章相一致的智能避碰專家知識庫，提出可用于構建這種知識庫的船舶自動避碰模型，并給出相關的計算機流程圖，對該模型進行編程仿真的結果表明該模型具有可行性和有效性。

智能 避碰 知識庫 國際海上避碰規則

現代電子設備、計算機技術、衛星和通訊設施能使船舶控制人員更清楚地掌握船舶的相關情況，但是關于無人駕駛船舶的研究卻進展緩慢。原因是多方面的，其中一個重要原因就是缺乏一個能為航海人員、專家和學者所接受的自動航行和自動避碰程序［1］。船舶自動避讓技術是實現從現階段的單人駕駛臺到下一階段的單人船舶，直至最終實現無人駕駛船舶各個環節中的關鍵技術［2］。

1 船舶自動避碰模型概述

1．1 應用條件

船舶自動避碰模型工作原理見圖1。

圖1 船舶自動避碰模型

應用條件為在開闊洋面上，船長在50 m及50 m以上的具有AIS的機動船［3］。

1．2 具體含義

“1972年國際海上避碰規則”（以下簡稱“規則”）根據能見度的不同，將兩船相遇分為能見度良好下（互見中）兩船相遇和能見度不良兩船相遇兩種情況，在前一種情況下存在對遇，交叉相遇和追越三種局面，在后兩種局面下，兩船又有讓路船和直行船（義務船和權利船）之分［4］。根據“規則”精神，在存在碰撞危險的情況下，采取避讓行動的時機隨能見度和會遇局面的不同而各異，船舶采取的行動應使雙方通過時的最近會遇距離（DCPA）大于等于安全會遇距離（Safe DCPA），Safe DCPA根據兩船船長、當時天氣情況等而定［3］。

2 各避碰指標的計算流程圖

來船位置、SOG、COG都可從AIS接收機中讀取，本船位置、COG、SOG等可從GPS接收機中獲得。GPS船位存在一定跳躍性，須經卡爾曼濾波處理。當然，理論上可以證明，只需兩個時刻的船位即可求出SOG和COG，具體證法從略。需要計算的參數為DCPA、距最近會遇點的時間TCPA、來船與本船的航向差、來船距離，輸出量為本船航向和航速，見圖2。

3 對遇局面和交叉相遇局面下的仿真及其結果分析

3．1 對遇局面下的仿真及其結果分析

對遇局面下的自動避碰示意圖見參考文獻［3］，其各指標的變化曲線見圖3。圖3中橫軸為開始仿真的時間，縱軸為兩船間距。

假設當時天氣條件符合氣象條件等級3（等級劃分見參考文獻［3］）的情況，本船參數：COG 314°，SOG 20 kn，200 m長；來船參數：COG 134°，SOG 15 kn，150 m長。兩船所用舵角大小和轉舵速率采用了同類型船的數據，讀取來船數據間隔為2 s。根據參考文獻［3］得知，Safe DCPA為2 037．2 m（1．1 n mile）。從圖3中可以看出，隨著時間的流逝，兩船間距和TCPA逐漸減小，DCPA和本船偏航距離均為0；當間距小于等于11 112 m（6 n mile）時（約451 s），各自向右轉向，DCPA和本船偏航距離都逐漸增大，約1 179 s時DCPA達到最小值（2 042．3 m），本船偏航達到最大值（2 042．3 m），TCPA為0；隨后兩船各自向左轉向，兩船間距和DCPA逐漸增大，且等值，TCPA始終為0，本船偏航距離逐漸減小，直至兩船回到計劃航線，偏航為0，仿真結束。

不難看出，兩船采取的行動符合國際避碰規則對于在互見中和能見度不良時兩船采取行動的要求，仿真的DCPA最小值為2 042．3 m，與設定的2 037．2 m相差5．1 m，誤差主要是由于仿真程序在讀取數據和計算時需花費一定時間而產生。誤差率為2．5‰，對于萬噸級船而言，是完全可以接受的，且實際的DCPA最小值大于Safe DCPA，偏于安全。值得一提的是，另一種仿真結果顯示，即使本船一方采取避讓行動，兩船也可安全通過，只不過所采取的避讓舵角比雙方行動時要大一些，為節約篇幅，不再展開了。

3．2 交叉相遇局面下的仿真及其結果分析

交叉相遇下的自動避碰示意圖見參考文獻［3］，其各指標的變化曲線見圖4。

除來船參數的COG為201°，SOG為15．0 kn外，其它參數與對遇局面的相同。Safe DCPA仍為2 037．2 m（1．1 n mile）。

從圖4中可以看出，隨著時間的流逝，兩船間距和TCPA逐漸減小，DCPA和本船偏航距離均為0；當間距小于等于9 260 m（5 n mile）時，本船向右轉向，DCPA和本船偏航距離都逐漸增大，約764 s時DCPA達到最小值（2 061．5 m），TCPA為0，約15 s后本船偏航達到最大值（2 102．0 m）；然后本船逐漸向左轉向，兩船間距和DCPA逐漸增大，且等值，TCPA始終為0，本船偏航距離逐漸減小，直至回到計劃航線，偏航為0，仿真結束。

圖3 仿真對遇局面下各指標的變化曲線

圖4 仿真交叉相遇局面下各指標的變化曲線

同樣可知，本船采取的行動符合國際避碰規則對于在互見中和能見度不良時“義務船”采取行動的要求，仿真的DCPA最小值為2 061．5 m，與設定的2 037．2 m相差14．3 m，原因與對遇中的相同。誤差率為7‰，對于萬噸級船而言，也是完全可以接受的，且實際的DCPA最小值大于Safe DCPA，偏于安全。本船偏航距離最大值在最小DCPA之后出現，且比Safe DCPA大，這與實際情況相符，說明了仿真的合理性。

同理，可以仿真“船舶自動避碰模型”中的追越局面，來船雖為“義務船”，但不采取避讓行動時的會遇局面，以及來船在本船右正橫后的交叉相遇局面，其結論都與上述兩種局面相似［4］。

4 結論

文中所提出的“船舶自動避碰模型”具有人工智能和專家系統的功能，從其計算機編程的仿真結果來看，典型會遇局面的避讓效果令人滿意，體現了“規則”、海員通常做法和良好船藝的精神，具有較高的實用價值，在以后的研究中將進一步探討該模型在大型船舶操縱模擬器上應用的可行性。與人工避讓相比，在確保安全的前提下，計算機控制船舶自動避讓更精確，效率更高，可以大大降低船舶駕駛員勞動強度，減少人為誤差，既省時間，又省燃料，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］Jun Kayano，Junji Fukuto，Hayama Imazu，Kazuyuki Igarashi．On a collision avoidance support system for one person bridge operation［C］．Proceedings of the 3rd International Conference on Collision and Grounding of Ships，2004：81-86．

［2］王當利．無人駕駛船舶的發展途徑［J］．中國水運，2004（4）：139-140．

［3］王當利．基于GPS，ARPA和陀螺羅經信息開發船舶自動避碰模型及其仿真［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2006（1）：136-139．

［4］蔡存強．國際海上避碰規則釋義［M］．北京：人民交通出版社，1995：169-199．

The model of auto-preventing collision for ship based on AIS information and its simulation

WANG Dang-li HUANG Li-wen
School of Navigation Wuhan University of Technology Wuhan 430063

As a core technique in development of the full-automatic unmanned ship，an intelligent knowledge base is necessary which is compatible with the common navigation manners，as well as the current rules and regulations．This paper proposes a model of auto-preventing collision for ships that can be used to build up this kind of knowledge base，and puts forward a program flow chart for simulation．The simulating result proves the feasibility and effectiveness of the model．

intelligence preventing collision knowledge base COLREG

U675．79

A

1671-7953（2007）02-0129-04

2006-08-31

修回日期2006-10-28

王當利（1962—），男，碩士，副教授。