船舶非航道航行避碰時機研究

秦 可 肖亮希 劉劍平

（1.東海海巡執法總隊，上海 200000；2.洋山港海事局，上海 200000）

0 引 言

國際海上避碰規則第八條（避免碰撞的行動）各款規定了船舶在任何能見度情況下行動規則，但無論是第1、2、4款，對船舶避免碰撞的行動僅僅提供了原則性的規定，船舶駕駛人員無法根據規則確定具體的避碰時機。船舶避碰時機受多種因素影響，隨當時具體環境而變，規則不可能給出確定、具體的避碰行動方法與方案，也不可能給出具體的量化規定[1]。

航海界專家學者從不同的研究角度確認船舶避碰決策模型。鄭忠義教授和吳兆麟教授[2]通過對我國船長及駕駛員進行問卷調查，利用統計分析方法得到采取避碰行動可能性模糊函數，由此確認了船舶采取避碰行動時兩船的距離；文獻[3]運用模糊推理方法綜合考慮了DCPA、TCPA等因素，然后將各因素對船舶避碰危險的隸屬度和影響權重帶入避碰綜合評價公式；李世友[4]通過機器學習實現船舶避碰決策。

由于避碰時機的決策不僅與兩船的相對狀態有關，還與本船的航行領域、駕駛員的水平相關[5]。本文在模糊評判的基礎上加入了基于主觀的船舶碰撞危險度系數，建立了確定船舶避碰行動時機的評判模型，使得評價體系與實際情況更符合。

1 問題描述

國際海上避碰規則第八條第1款要求船舶如當時環境許可，為避免碰撞所采取的行動應是積極、及早的，其中“早”便是對采取避讓行動的時機提出要求。就船舶采取避讓行動而言，受到當時氣象、交通密度、船速、船舶本身的操縱性能及駕駛員等因素的限制，即使在航行條件良好的開闊水域，船舶避碰時機并非越早越好[6]。本文在已知來船航向、航速、方位等信息下，本船作為讓路船確定一個合適的避碰時機（采取避碰行動的距離）。

2 評判矩陣的建立

綜合評判是對多種影響因素和決定事物的綜合分析，在綜合評判問題中通常帶有一定程度的模糊性，所以應用模糊數學方法最適合，模糊綜合評判法與實際中人處理數據、進行決策時的思維方式非常相似，是對人腦思考過程的重現。

2.1 因素集和評判結果集

影響船舶避讓時機的因素主要有：來船舷角、相對運動速度、船速比、船舶大小、航行水域狀況、船舶密度和氣象條件等。

設U和L是兩個有限的論域：

其中，U為評判因素集，即影響船舶采取最佳避碰時機的因素集，L為評判結果集，即船舶采取避碰時機可能的取值。

U的定義為：U1為相對運動速度的評判向量，U2為來船舷角的評判向量，U3為船速比的評判向量，U4為船舶密度的評判向量，U5為航行水域狀況的評判向量，U6為氣象條件的評判向量，U7為船舶尺度的評判向量。

L的定義為：L1=1,L2=2,L3=3,L4=4,L5=5,L的單位為海里。

2.2 建立評判矩陣

對單一評價因素Ui的評價結果可用L上的一個模糊集(Ui1/L1,Ui2/L2,Ui3/L3,Ui4/L4,Ui5/L5)表示，其中

式1中i=1，2，……，7；j=1，2，……，5，得到最佳避碰時機評價矩陣E:

采用專家評判方法確定確定各評判因素集U：

U1的確定

相對速度(V01)越大避讓船舶越應該提前行動，得到評價向量：

當 0 kn ≤ V01＜5 kn 時，U1=（0.8，0.2，0，0，0）

當 5 kn ≤ V01＜15 kn 時，U1=（0.4，0.3，0.2，0，0）

當 15 kn ≤ V01＜25 kn 時，U1=（0.2，0.6，0.2，0.1，0）

當 25 kn ≤ V01＜35 kn 時，U1=（0，0.2，0.6，0.2，0）

當 35 kn ≤ V01＜45 kn 時，U1=（0，0，0.2，0.3，0.5）

當 45 kn ≤ V01時，U1=（0，0，0，0.2，0.8）

U2的確定

相對方位(Q)對避碰時機的影響：前方大于后方，右舷大于左舷。得到的評價向量為：

當 -10°≤ Q＜10°時，U2=（0，0，0.1，0.3，0.6）

當 10°≤ Q＜60°時，U2=（0.1，0.2，0.3，0.3，0.1）

當 60°≤ Q＜112°時，U2=（0,1，0.2，0.4，0.2，0.1）

當 112°≤ Q＜248°時，U2=（0.5，0.4，0.1，0，0）

當 248°≤ Q＜270°時，U2=（0.1，0.4，0.4，0.1，0）

當 270°≤ Q＜250°時，U2=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

U3的確定

避讓時機隨船速比（Kv=V0/V1）增大而延遲，根據專家打分得到船速比的評價向量：

當 Kv＜0.8 時，U3=（0，0，0.1，0.3，0.6）

當 0.8 ≤ Kv＜1.2 時，U3=（0，0.2，0.6，0.2，0）

當 1.2 ≤ Kv時，U3=（0.6，0.2，0.2，0，0）

U4的確定

避讓時機隨船舶密度（ρ）的增大而延遲，評價向量為：

當船舶密度小時，U4=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

當船舶密度一般時，U4=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

當船舶密度大時，U4=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

U5的確定

避讓時機隨可航水域的增大而提前，評價向量為：

在開闊水域，U5=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

一般水域時，U5=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

狹窄水域時，U5=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

U6的確定

避讓時機隨氣象條件的變壞而提前，氣象條件包括風浪及能見度情況，得到評價向量：

氣象條件好時，U6=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

氣象條件一般時，U6=（0.1，0.2，0.4，0.2，0.1）

氣象條件差時，U6=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

U7的確定

避讓時機隨船舶尺度（L）的增大而提前，評價向量為：

當 L＜50m 時，U7=（0.4，0.3，0.2，0.1，0）

當50m≤L＜100m時，U7=（0.1，0.3，0.3，0.2，0.1）

當100m≤L＜250m時，U7=（0.1，0.2，0.3，0.3，0.1）

當250m≤L時，U7=（0，0.1，0.2，0.3，0.4）

在實際避碰局面中，本船根據以上7個影響因素選取適當的評價向量，組成評價向量E。

2.3 避碰時機綜合評價模型

各評判因素權重用向量X表示，X=(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7)，在確定避碰時機中重點因素是相對方位、相對速度和船速比，根據專家評價得到各評判因素的權重：X=(0.2, 0.4, 0.15, 0.1, 0.05, 0.05, 0.05)

評價結果為：Y=X·E。在模糊矩陣復合運算中計算方式有很多種，為避免信息的丟失本文中采用加權平均型模糊算子。根據最大隸屬度法反模糊化，得到避碰時機（距離）YL。

3 基于船舶主觀碰撞危險度的避碰距離

為了避免以往在模糊評判中對本船操縱性、人員操縱水平的忽略，本文采取一種基于主觀的船舶碰撞危險度評價模型。

3.1 船舶碰撞危險度評價模型

首先定義一個以船舶重心為圓心的船舶領域安全距離圈R，然后根據船舶操縱性能及駕駛員操縱水平來確定本船安全水域范圍，一旦來船的相對運動線進入本船的安全領域即表示其對本船造成危害，隨著航行環境的變化船舶安全距離圈的大小也不同[7]。

如圖1所示的會遇態勢下，通過AIS數據讀取可以得到兩船的DCPA和TCPA，考慮到DCPA和TCPA的量綱不同，采用如下方式計算本船的碰撞危險度

圖1 船舶相對位置示意圖

式中R0為本船的安全距離圈半徑；T0為主觀上決定采取避讓措施的最晚施舵時間，兩者根據船舶大小，操縱性及駕駛員的經驗、操作技術等取的定值；D表示兩船最近的會遇距離(DCPA)；T表示兩船最近的會遇時間(TCPA)；當R0-D和T0-T中有一個小于或等于0時，即認為危險度為零，船舶暫且不需要采取避碰行動。對于確定的安全狀態，ρ值為0，隨著ρ值的增大船舶碰撞危險度增加。

3.2 避碰距離修正

根據兩船避碰狀態的不同修正避碰時機。

當來船相對運動線過本船重心時ρ=1，船舶最佳采取避碰時機為：l=YL

當來船相對運動線與本船的避讓方向同側形成碰撞危險時，船舶最佳采取避碰時機為：l=(2-ρ)YL

當來船相對運動線與本船的避讓方向異側形成碰撞危險時，船舶最佳采取避碰時機為：l=ρ·YL

4 算例分析

設本船的速度V0=13 kn，航向C0=0000，目標船的速度和航向為V1=19 kn，C1=2400，目標船的方位B=0320，距離D=6.0海里，本船船長L=189 m，天氣良好、水域開闊、船舶密度小。

根據數據得到與目標船的相對速度V01=27.9 kn，相對方位Q=0320，船速比Kv=0.68，最近會遇距離DCPA=0.5,最近會遇時間TCPA=12.9 min。

于是得到評價矩陣E為:

將X與E帶入Y=X·E式中，得到評判結果Y=（0.1，0.39，0.27，0.235，0.15）,由最大隸屬度原則第二種決策比較理想，即YL=2 nm。根據碰撞模型得到船舶避碰危險度ρ=0.75（R0=2 nm,T0=15 min）。

由圖知來船的相對運動線與本船的避讓方向同側，所以將ρ帶入l=（2-ρ）式，得到最佳采取避碰距離l=(2-0.75)*2=2.5海里。

專家評判意見為：2-3海里；2海里左右；2海里；1-3海里，2-3海里。結果表明模糊評判確定的避碰時機與專家意見基本一致，本文構造的船舶避碰時機的度量方法是可行的。

5 結 語

本文采用模糊評判對于影響船舶避碰時機的因素分析研究，并在此基礎上加入了船舶主觀碰撞危險度評價模型，從而建立模糊評價矩陣模型。此模型通過加入船舶主觀情況，彌補了以往評價體系中僅僅考慮船舶相對的狀況，使得評價模型更加貼切、合理。通過對船舶實際情況的分析計算，表明各因素對避碰時機的影響采用模糊評判方法是可行的，該模型為船舶避碰提供可量化的參考。

圖2 船舶相對位置示意圖