不同會遇態勢下目標船行為模擬及其特征分析

楊雪鋒，劉 文，徐 鵬，陳 華

(1. 重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；2. 內河航運技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢430063；3. 中國交通通信信息中心 交通安全應急信息技術國家工程實驗室，北京 100011；4. 海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

0 引 言

按照《國際海上避碰規則》（以下簡稱“規則”）的要求，駕駛人員需根據目標船的行為特征，劃分其與本船的會遇態勢，這是確定船舶避讓責任和采取避讓行動的重要依據。只有明確了船舶間會遇態勢，駕駛人員才能據此做出相應的避讓行動[1]。無數船舶碰撞事故的經驗表明，對會遇態勢的認識不一致是造成船舶間避碰行動不協調，乃至碰撞的重要原因之一[2]。此外，無人船的研究已成為當前水上交通領域研究的熱點[3-4]，實現無人船自主航行，劃分會遇態勢是其必須解決的技術問題。

船舶會遇態勢可分為在互見中的會遇態勢和能見度不良時的會遇態勢。其中，互見中的船舶又包括不同類船舶間的避讓規定和機動船之間的避讓規定。本文僅以互見中機動船之間會遇態勢為研究對象。

《規則》第十三、十四和十五條分別定義了追越、對遇和交叉3種會遇態勢。追越是指一船從他船正橫后大于22.5°的某一方向上趕上他船時，應認為是在追越中，追越船應該給被追越船讓路；對遇是指2艘機動船在相反或接近相反的航向上相遇，致有構成碰撞危險的一種會遇局面；交叉會遇是指兩機動船在追越和對遇局面以外的航向交叉，致有構成碰撞危險的局面，此時，有他船在本船右舷的船舶為讓路船。

從上述定義可以看出，《規則》并未對3種會遇態勢進行嚴格的定義，只對其做了定性的描述，如《規則》中使用了“相反或接近相反”等模糊的概念?；谶@一原因，早期研究主要集中在會遇態勢的定性劃分，這在避碰專家系統中尤為明顯，如F.P.Coenen等[5]研發的避碰專家系統，通過專家知識庫中的If-then產生式規則，將會遇態勢劃分為目標船從左舷向右舷穿越、目標船從右舷向左舷穿越、目標船追越本船、本船追越目標船、目標船正對本船駛來、目標船停車6種類型；王敬全等[6]提出的避碰專家系統中，將基本會遇局面劃分為對遇、右交叉、左交叉、從左邊追越、從右邊追越和被追越6種態勢。船舶會遇態勢的定性劃分研究基本確定了會遇態勢的類型，如對遇、追越（左舷/右舷）、大角度交叉（左舷/右舷）、小角度交叉（左舷/右舷）等類型，這為后續船舶會遇態勢劃分方法的研究奠定了基礎。

會遇態勢的定量劃分主要包括兩類，第一類會遇態勢劃分方法是根據目標船的相對方位B劃分會遇態勢。船員在會遇態勢劃分時的經驗表明，對遇局面與交叉會遇局面以5°舷角為分界線，交叉會遇局面與追越局面以112.5°為分界線較為合理[7-8]。以此為基礎，部分研究人員對會遇態勢進一步細分。武漢理工大學的朱沁根據避讓行動的類型，以相對方位線6°，60°，112.5°，180°，247.5°，292.5°和354°為分界線，將會遇局面劃分為11種會遇態勢[9]。

第二類會遇態勢劃分方法除了考慮了目標船的相對方位，還將目標船與本船的航向差ΔC（目標船航向—本船航向）作為劃分依據。因為，根據目標船的相對方位劃分會遇態勢沒有考慮船舶的運動趨勢[10]，忽略了《規則》中“致有構成碰撞危險”的要求。為彌補不足，任亞磊[11]、肖瀟[12]等利用本船和目標船的航向差ΔC來劃分船舶的會遇態勢，將船舶會遇局面劃分為追越（ΔC＜67.5°或者ΔC＞292.5°）、對遇（175°＜ΔC＜185°）、交叉會遇（185°＜ΔC＜292.5°或者67.5°＜ΔC＜175.5°）。不難發現，目標船的相對方位和航向差都是劃分會遇態勢的重要依據，東昉[2]、吳春杰[13]等，綜合考慮了這兩方面的因素，將互見中船舶的會遇態勢劃分為本船追越目標船、目標船追越本船、對遇、對駛、交叉（本船為讓路船）、交叉（本船為直航船）6種會遇態勢。

可見，第一類會遇態勢劃分方法所需要的劃分依據單一，數據容易獲取，但沒有考慮目標船的運動趨勢；第二類會遇態勢劃分方法的特點恰好相反，考慮了目標船的運動趨勢，但需要獲取目標船舶的航向，用于計算航向差。

為驗證上述兩類會遇態勢劃分方法的有效性，明確相對方位和航向差與會遇態勢的關系，掌握船舶在不同會遇態勢下的運動特征和視覺特征變化情況，本文利用計算機模擬船舶在會遇過程中距離、方位和視覺特征變化情況，歸納不同會遇態勢下，目標船的運動特征和視覺特征。

1 船舶行為模擬

在船舶行為模擬中，本船和目標船均勻速直線航行，航行過程中船舶的航向不發生變化，目標船和本船位置的變化情況計算如下：

其中：xt和yt為t時刻船舶的x坐標和y坐標，m；vt-1為t-1時刻船舶的航速，kn；θt-1為t-1時刻船舶的航向（介于0°～360°之間），（°）；Δt為相鄰2次船舶運動模擬的時間間隔，min，本文取Δt=0.5 min。

本船的初始位置為（x0，y0）=（0，0），航向為θorg-0=000°。

根據《規則》對船舶燈光的光力射程規定，許多學者認為海上兩船大概接近到6 n mile，若兩船的DCPA（distance to closest point of approach, DCPA）小于安全值，則船舶間的碰撞危險正在形成[14]。因此，在船舶運動模擬其中，初始條件下目標船與本船的距離Range取6 n mile。

本船與目標船會遇過程的行為模擬終止條件有2個：

條件1 當前模擬結果中，本船與目標船的距離大于上一次模擬結果中的距離，即本船與目標船的距離正在逐漸增大，目標船與本船的TCPA（time to closest point of approach, TCPA）為負數。

條件2 模擬次數超過最大模擬次數max_sim，本文取max_sim=200，結合相鄰2次模擬的時間間隔Δt=0.5 min，200次模擬所代表的船舶會遇時間為100 min，幾乎不會有船舶的會遇時間超過這個數值。

以上2個條件滿足一個，則本次會遇過程模擬結束。

2 目標船行為特征分析

文獻[2]系統地將機動船的會遇態勢分為本船正在追越目標船、目標船正在追越本船、本船與目標船對遇、目標船在本船左舷的交叉會遇、目標船在本船右舷的交叉會遇5種類型，綜合考慮了目標船的相對方位B、目標船與本船的航向差ΔC、兩船之間的距離R、目標船的速度Vt和本船的速度V0等多方面的因素，對會遇態勢劃分較為合理。以此為基礎，利用計算機模擬這5類會遇態勢下典型的會遇情況，獲取目標船的運動特征和視覺特征，并對其進行分析。

1）本船追越目標船

目標船與本船的初始距離為3 n mile，本船航速V0=20 kn，目標船航速Vt=15 kn，模擬結果如圖1所示。

模擬結果中，圖1（a）表示目標船距離R的變化情況，圖1（b）表示目標船相對方位B的變化情況，圖1（c）表示本船觀察目標船的視角Vision-angle變化情況，該視角的變化決定了會遇過程中目標船舶的視覺特征。例如，本船追越目標船時，觀察目標船的視角Vision-angle在180°左右，那么，本船的駕駛員在瞭望過程中只能從目標船的船尾方向去觀察目標船。實際上，觀察目標船視角Vision-angle就是以目標船的航向為基準，本船的相對方位。

圖1 本船追越目標船Fig. 1 The ship overtook the target ship

從模擬結果可以看出，在本船追越目標船的初期（時間小于20 min），目標船相對方位B和觀察目標船視角Vision-angle均變化較小，B從0°左右緩慢地增加，或者緩慢地減小，變化量小于40°，Vision-angle從180°左右緩慢地增加，或者緩慢地減少，變化量小于50°，本船駕駛人員首先看到目標船的尾部，然后逐漸能夠看到目標船的左舷或者右舷。

2）目標船正在追越本船

圖2 目標船追越本船Fig. 2 The target ship overtook the ship

目標船與本船的距離為3 n mile，本船航速V0=15 kn，目標船航速Vt=20 kn，模擬結果如圖2所示。從模擬結果可以看出，此時目標船的行為特征與本船追越目標船時類似，區別在于B從180°左右開始變化，Visionangle從0°左右開始變化，本船駕駛員先看到目標船的船首，然后逐漸看到目標船的右舷或者左舷。

3）對遇局面

本船航速V0=15 kn，目標船航速Vt=20 kn，目標船的行為模擬結果如圖3所示。從模擬結果可以看出，整個模擬過程持續時間較短，距離R變化快，相對方位B和視角Vision-angle變化速度緩慢，且均在0°左右變化，目標船的視覺特征變化較小，會遇過程中，本船駕駛員始終能看到目標船的船首。

圖3 對遇態勢Fig. 3 The head-on situation

4）目標船在本船右舷的交叉會遇

本船航速V0=15 kn，目標船航速Vt=20 kn。右舷交叉會遇時，目標船的行為特征如圖4所示?？梢钥闯?，多數情況下目標船的相對方位B逐漸減小，從90°逐漸減小到0°，即目標船超本船船首方向移動；Vision-angle也逐漸減小，從-50°逐漸減小到-150°，目標船的視覺特征變化較大，會遇過程中本船駕駛員始終能看到目標船的左舷。

圖4 目標船位于本船右舷的交叉會遇Fig. 4 Crossing situation of target ship on starboard side

5）目標船在本船左舷的交叉會遇

目標船在本船左舷交叉會遇時，本船為直航船，本船航速V0=15 kn，目標船航速Vt=20 kn，目標船的行為特征如圖5所示?？梢钥闯?，多數情況下目標船的相對方位B逐漸增大，從300°逐漸減小到360°，即目標船朝本船船首方向移動；目標船的觀察視角Visionangle也逐漸增大，從50°逐漸減小到150°，目標船的視覺特征變化較大，會遇過程中本船駕駛員始終能看到目標船的右舷。

6）模擬結果分析

圖5 目標船位于本船左舷的交叉會遇Fig. 5 Crossing situation of target vessel on port side

對5類會遇態勢模擬結果進行統計分析，得到目標船與本船的距離R、相對方位B以及觀察目標船視角Vision-angle如圖6所示，其中圖6（a）展示了不同會遇態勢下，目標船與本船的距離R、相對方位B以及觀察目標船視角Vision-angle三個因素的分布情況，圖中的單個標記表示一個特定時刻目標船與本船的距離、相對方位和觀察視角；圖6（b）表示不同會遇態勢下，目標船與本船的距離和方位分布情況；圖6（c）表示不同會遇態勢下，目標船的相對方位和距離的分布情況；圖6（d）表示不同會遇態勢下，目標船的觀察視角和距離的分布情況。

圖6 目標船行為特征分析Fig. 6 Characteristics analysis of target ship

從圖中可以看出，單純依據目標船的相對方位劃分會遇態勢是不合理的。例如，當目標船相對方位B=250°時，真實的會遇態勢可能是除了右舷交叉會遇之外的任何一種情況，既可能是目標船追越本船，也可能是左舷交叉會遇。利用目標船與本船的相對方位角和距離，能夠較好地區別本船被追越和左舷交叉會遇，對另外3類會遇態勢識別能力較差；利用觀察目標船的視角和距離，能夠較好地區別本船追越目標船和右舷交叉會遇，對遇其他3類會遇態勢識別能力差。

在圖6（b）中，代表各種會遇態勢的標記進行了較好地聚集，不同會遇態勢的標記重合較少，這說明利用目標船的相對方位和觀察目標船的視角能夠很好地進行會遇態勢地劃分，觀察目標船的視角可作為劃分船舶會遇態勢的重要依據。觀察目標船的視角之所以能夠用于劃分船舶的會遇態勢，是因為它的大小受目標船舶的航向和相對方位兩方面因素的影響，其本質也是利用目標與本船的航向差和相對方位來劃分會遇態勢。

目前，船舶獲取目標船舶航向的技術手段只有AIS，如果目標船沒有安裝AIS或者AIS處于關閉狀態，在劃分會遇態勢時則需要進行雷達標繪。觀察目標船視角的變化則可以在船載視頻監控圖像中方便地獲取，同時視頻圖像中目標船所占像素的個數也能反映本船與目標船之間的距離變化情況，這對于駕駛人員和無人船進行會遇態勢劃分是比較有利的。

3 結 語

通過計算機模擬了不同會遇態勢下本船和目標船的運動情況，統計分析了會遇過程中目標船與本船之間的距離、目標船的相對方位、觀察目標船視角的變化情況，經過對統計結果的分析，總結歸納了不同會遇態勢下目標船的運動特征和視覺特征。統計結果同時表明，單純利用目標船所處的相對方位劃分會遇態勢是不合理的。在進行船舶會遇態勢劃分時，不僅要考慮目標船的相對方位，還應考慮目標船與本船的航向差、距離等因素。

除了考慮傳統的用于會遇態勢劃分的兩船距離、相對方位和航向差等因素，本文還重點分析了不同會遇態勢下觀察目標船視角的變化情況，模擬結果表明Vision-angle這一因素與船舶的會遇態勢密切相關，結合目標船的相對方位，可用于基于視覺技術的船舶會遇態勢的劃分，如基于船載視頻分析的會遇態勢劃分。

在進行船舶行為模擬時，針對一種會遇態勢，本文只選取了8種典型的情況，且目標船和本船的速度、航向等參數均固定不變，這些理想假設或許會對模擬結果有一定的影響，但不會影響最終結論的正確性。