基于安全會遇距離模型的智能船舶航行行為可靠性評估

朱天鵬，姚玉南，但家梭，沈 軒，楊 帆

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.中國船級社 江蘇分社，江蘇 南京 210000)

隨著網絡技術和信息技術的廣泛應用，船舶智能化水平快速提升，船舶向高效、智能、多用途的方向發展[1-3]。但由于當前技術的限制，智能船舶的可靠性和安全性仍無法得到保證，人們對智能船舶的可靠性和各個關鍵系統的安全性也存有疑慮。

針對船舶避碰問題，國內外學者已做了大量研究。王德龍等[4]針對船舶的避碰操縱評估，提出了一種基于船舶操縱模擬器的自動化評估系統，實現了對船舶避碰操縱的自動評估。孫峰等[5]將船舶智能避碰策略系統作為研究對象，對兩船之間的關系進行定性和定量分析，建立了智能避碰策略測試評價指標體系。Rafal[6]對船舶分道通航制水域的船舶避碰情況做了深入分析，提出在某些場景下船舶轉向并不是最好的避碰行為，必要情況下需采取降速達到避碰效果。Son N S等[7]針對無人駕駛船舶ARAGON的海上避碰系統，在實際海域進行了多障礙物迎面、交叉、追越等復雜碰撞情況下的現場試驗。

區別于傳統人工操縱的船舶航行行為可靠性評估模型[8]，智能船舶航行行為主要受到船舶各系統的共同影響。隨著系統的綜合化、集成化，系統的功能邏輯、架構設計等越來越復雜，是一個具有動態重構特性、故障時序相關、邏輯相關的復雜系統，傳統的針對軟、硬件的可靠性分析方法使得工作量變大，也更加難以全面、準確地對智能船舶進行可靠性分析和評估。因此對處于會遇場景中的智能船舶航行行為的可靠性進行研究是必要的，對提高會遇場景中智能船舶的安全性和減少水上交通事故具有重要意義。

1 會遇場景智能船舶航行行為分析

智能船舶的航行行為主要分為3個階段——環境信息感知、狀態判斷決策和操作響應，故智能船舶的航行行為指智能船舶在對周圍環境進行感知并進行分析決策后，利用自身控制系統所做出的一系列航行活動。在當前的技術條件下，為保證安全航行，智能船舶仍需處于人工監控的狀態下，出現船舶不可處理的情況時，需人工介入對其進行操作并校正，因此，本文所說智能船舶指配有船員的、可以實現自主航行的船舶。

智能船舶在兩船會遇的航行過程中，兩船的位置關系主要通過航向交叉角(θTCA)和舷角(θRB)來表示，具體如圖1所示。根據《1972年國際海上避碰規則》，由兩船位置所形成的舷角大小，將船舶會遇場景分為對遇、交叉會遇和追越3類，船舶會遇場景劃分如圖2所示。

圖1 兩船會遇場景中航向交叉角和舷角示意圖

圖2 船舶會遇場景劃分

1.1 對遇場景

在對遇場景中，本船與目標船舶所形成舷角應滿足θRB≤5°，航向交叉角滿足條件175°≤θTCA≤185°。在對遇場景中，本船與目標船互為讓路船，兩船均應根據當時的情況，各自采取避讓行為，避免碰撞，應各自向右轉向進行避讓，從另一船的左舷駛過。

1.2 交叉會遇場景

當本船與目標船所形成舷角滿足5.0°≤θRB<112.5°或247.5°≤θRB<355.0°時，構成交叉會遇局面。當目標船與本船形成舷角滿足條件5.0°≤θRB<67.5°時，本船為讓路船，目標船為直航船，本船應向右轉向進行避讓。當目標船與本船形成舷角滿足條件67.5°≤θRB<112.5°時，本船為讓路船，當目標船與本船船速比r≤0.95時，應左轉避讓，當目標船與本船速度比r>0.95時，應右轉避讓[9]。當目標船與本船形成舷角滿足247.5°≤θRB<355.0°時，本船為直航船，保向保速航行，只有在即將形成緊迫局面，并且目標船仍未采取任何避讓行動時，本船應右轉避讓。

1.3 追越場景

當本船與目標船所形成舷角滿足112.5°≤θRB<247.5°時，構成追越局面。當目標船位于本船的相對方位112.5°≤θRB<247.5°內且航速高于本船時，構成目標船追越本船會遇場景，此時，本船應保速保向航行，只有在本船判斷可能發生碰撞時，本船才要根據當時情況，采取相應的右(左)轉避讓行動；當本船位于目標船的相對方位112.5°≤θRB<247.5°內且航速高于目標船時，構成本船追越目標船場景，此時，本船應左轉并加速越過目標船。

2 會遇場景智能船舶航行行為故障分析

2.1 安全會遇距離模型

英國學者E.M.Goodwin提出了船舶領域與本船目標船所形成的舷角之間的關系，但由于Goodwin所提出的船舶領域偏大，研究者將其進行了修訂，使之更加合理、更加符合實際，修訂后的公式如下：

dSDA=

(1)

式中，dSDA為安全會遇距離，n mile；α為目標船方位，(°)。

2.2 會遇場景中智能船舶航行行為故障判定

確定智能船舶在會遇場景中的具體航行行為故障，是進行會遇場景中智能船舶航行行為可靠性評估的重要環節?；凇?972年國際海上避碰規則》中對船舶避碰行為的要求，得出智能船舶在會遇場景中的航行行為故障及其航行參數類型見表1。

表1 會遇場景中的航行行為故障及其航行參數類型

3 航行行為可靠性評估模型

3.1 可靠性評估指標

智能船舶作為一個復雜系統，由感知系統、決策系統以及執行系統等組成，可靠性影響因素較多，考慮現有技術的發展以及評估方法的簡便性和有效性，制定智能船舶航行行為可靠性評估指標，如表2所示。其中，“校正”不僅指對船舶軟、硬件的維修，還包括在智能船舶出現行為故障后，為保證船舶安全，船舶駕駛員需介入、接管并進行船舶操縱。

表2 智能船舶航行行為可靠性評估指標

3.2 可靠性評估指標的計算方法

1)平均無故障航行時間TMTBF，即智能船舶在2次航行行為故障之間的平均運行時間：

TMTBF=T/r，

(2)

式中，T為所記錄的智能船舶的航行時長；r為智能船舶在智能航行狀態下出現避碰航行行為故障的總次數。

2)平均無故障航行里程MMMBF,即智能船舶在兩次避碰航行行為故障之間的平均航行里程。已知所記錄的智能船舶航行里程數為M，則：

MMMBF=M/r。

(3)

3)可靠度R?？煽慷萊為智能船舶在2次避碰航行行為故障之間的航行無故障概率。智能船舶是一復雜的可維修系統，系統中任一環節發生故障，智能船舶都不能維持其正常功能，可以將其視為串聯系統，其故障時間分布趨于指數分布，可靠度函數表示為以下2種形式：

R(x)=exp[-x/MMMBF]，

(4)

R(t)=exp[-t/TMTBF]，

(5)

式中，x為故障間隔航行里程數的隨機變量；t為故障間隔航行時間的隨機變量。

4)故障率λ。λ為智能船舶在規定的條件下和規定的時間內，故障次數與智能船舶壽命單位總數之比。當故障時間分布為指數分布時，可以表示為平均無故障航行時間或里程的倒數，即為λ=1/TMTBF或λ=1/MMMBF。

5)平均校正時間TMTTR，即智能船舶n次校正的平均校正時間，表示為：

TMTTR=Ts/n，

(6)

式中，Ts為智能船舶的校正總時長；n為校正的次數。

6)校正率μ。μ為智能船舶在規定的條件下和規定的時間內，在任一規定的校正級別上被校正的次數與在此級別上校正總時間之比。當校正時間分布為指數分布時，可以表示為平均校正時間的倒數，即μ=1/TMTTR。

7)有效度A。A為智能船舶在規定條件下航行時，在任何時間點維持其正常航行功能的概率。表示為：

(7)

當故障時間分布和校正時間分布均為指數分布時：

(8)

4 仿真模擬試驗

4.1 仿真模擬平臺與試驗工況

為驗證所構建可靠性評估模型的合理性，本文利用開發型船舶駕駛模擬器，模擬智能船舶在會遇場景中的航行過程。在兩船會遇場景中，假定航行自然環境為：無風、水流為靜止狀態、水域開闊、能見度良好。會遇場景中兩船具體航行參數如表3所示，其中v表示船舶航速。

表3 會遇場景中兩船具體航行參數設置

基于表3所設場景航行參數，共16種航行場景，在模擬器中隨機構建會遇場景，除本船做避讓行為外，其他航行情況下本船航行速度始終保持在10 kn。場景設置完成后，將自動規劃航行軌跡，并進行模擬航行。

4.2 數據采集

通過船舶駕駛模擬器，模擬智能船舶在會遇場景中的避碰行為，共進行3次模擬，模擬航行里程達480 n mile，總時間為44.5 h。對所得模擬試驗數據進行記錄，最終得出會遇場景智能船舶航行行為仿真模擬試驗數據如表4所示。

表4 會遇場景智能船舶航行行為仿真模擬試驗數據

5 可靠性評估結果

5.1 可靠性指標對比

基于表4中的數據，計算得到智能船舶會遇場景智能航行行為各可靠性指標值，如表5所示，會遇場景智能航行行為可靠度見圖3。

表5 會遇場景智能航行行為各可靠性指標值

圖3 會遇場景智能航行行為可靠度

由表5及圖3可知，在480 n mile的模擬航行過程當中，交叉會遇航行場景中智能船舶航行行為可靠度始終低于對遇和追越航行場景的行為可靠度；在3種會遇場景中，智能船舶航行行為可靠度從高到低依次為對遇、追越和交叉會遇。

5.2 評估結果分析

通過上述會遇場景智能船舶航行行為可靠性評估結果分析，得出交叉會遇場景智能船舶航行行為可靠性低于對遇和追越場景智能船舶航行行為可靠性的結論。航行場景越復雜，智能船舶航行行為可靠性越低，符合實際，表明所提出的可靠性評估指標能夠反映智能船舶在會遇場景中的航行可靠性水平，所建立的基于安全會遇距離模型的會遇場景智能船舶航行行為可靠性評估方法能夠有效、快速地對智能船舶航行行為進行可靠性評估。但由于數據是由船舶駕駛模擬器模擬仿真得到，較于實際船舶航行場景，其評估結果過于理想化。

首先，模擬器仿真環境下，由于會遇場景是人為設置的，較于實際海上航行，其會遇場景密度大，航程較短，所得評估結果與實際有所偏差。在實際航行環境中，不考慮船舶設備維修等因素的條件下，智能船舶無故障航行里程和航行時間更高。

其次，在船舶駕駛模擬器仿真環境下，智能船舶避碰行為只受駕駛模擬器避碰算法的影響，由圖3知?？煽慷惹€下降的影響只受避碰算法的影響，而智能船舶在實際航行過程當中，其航行行為可靠度不僅受算法的影響，還受船舶航行環境以及智能船舶自身設備的影響，如能見度不良導致避讓時機縮短、主機輸出功率不足導致無法快速響應、舵系統故障導致船舶轉向出現偏差等，都將導致智能船舶航行行為可靠性的降低，因此實際航行過程中智能船舶航行行為可靠度曲線相較于仿真所得曲線，其斜率更高，下降更明顯。

6 結束語

本文針對智能船舶可靠性評估方法相關研究較少、智能船舶航行系統復雜、進行可靠性評估工作量大的問題，提出基于安全會遇距離模型的智能船舶航行行為可靠性評估方法?；趯Υ皶鰣鼍暗姆治?，構建可靠性評估指標，建立評估模型，利用開發型船舶駕駛模擬器，驗證所建立模型的可行性。通過對試驗結果的分析，表明該可靠性評估方法能夠有效、快速地對智能船舶航行行為進行可靠性評估，能夠為智能船舶的可靠性分析提供支持，具有很強的工程實用性，同時通過分析其不足，提出未來對模型進行改進的措施和研究方向。