船舶操縱模擬器的危險性評估與預報

張一鳴

(江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170)

0 引 言

船舶操縱模擬器在船舶駕駛培訓、海事分析、航道規劃設計等領域的廣泛應用，為通航安全性評估提供了技術支持。在船舶通航危險性評估中，要對各項船舶操作和航行狀況進行模擬，具體分析在不同航道中本船與目標船存在碰撞的可能性，及時評估航行水域是否會發生事故危險，進而發布預報，警示船舶操縱者調整航行方案，規避碰撞、擱淺等風險。

1 船舶操縱模擬器與危險性評估

1.1 船舶操縱模擬器

船舶操縱模擬器在電子海圖上能夠清晰顯示船舶動態圖形，對航行狀態下的操縱運動模擬記錄下來，評估船舶航行存在的危險性，并進行預報。操縱模擬器可以滿足多種類型的船舶航行危險性評估需求，如散貨船、郵輪、客船、集裝箱船等，同時支持多種模擬環境選擇，包括通航環境、航道工程、港口碼頭等，其系統框架如圖1 所示。該系統配置大屏幕環形投影設備，水平視場角為270°，系統可以對副本船平面投影，方便本船利用電子海圖掌握碰撞危險性信號。

圖1 船舶操縱模擬器系統的組織框架圖Fig.1 Organization framework of ship maneuvering simulator system

1.2 危險性評估

在船舶操縱模擬器危險性評估中，要建立起操縱運動數學模型，對定速航行、加速航行、減速航行、淺水下操縱、風流影響下操縱等多種航行條件進行模擬，同時還要考慮兩船相遇受到浪、風作用后能夠產生的船體運動軌跡變化。危險性評估要做好各項準備工作，擬定設計評估方案，在操縱模擬器中模擬船舶航行的安全保障措施，記錄模擬數據，包括模擬環境數據、操縱者指令、船舶運動信息等，之后再利用航跡數據分析軟件對數據疊加處理，用圖形展示航跡，作出合理的危險性評估判斷。危險性評估需要假設分析條件，在操縱模擬器中設置風流、船舶滿載、船舶調頭、航道航行速度、目標船舶、試驗工況等多項參數，根據模擬試驗情況，得出危險性評估結果，對船舶航行提出安全操縱措施建議，如控制航速、航道單向管制、不得?？科渌暗却胧?。

2 船舶操縱模擬器的危險性評估與預報

2.1 寬水域航行碰撞危險性評估與預報

在無障礙物、水深足夠的寬水域航行條件下，船舶航行無需考慮擱淺、觸礁等危險，只需考慮是否會出現多船碰撞的可能性。船舶操縱模擬器可以自動評價本船6 nmile 范圍內的其他船舶，評估船舶碰撞的危險性，為船舶避讓提前做出預報。在寬水域航行中，船舶會遇領域分為危險領域（RD）、安全會遇領域（SD）、動界領域（AD），3 種領域如圖2 所示。

圖2 寬水域航行狀態下船舶會遇領域劃分Fig.2 Division of areas encountered by ships under wide water navigation

根據圖2 可知，在會遇領域劃分中需要考慮到航區能見度、海上風浪、通航密度、船舶操縱性、水深、避碰規則等因素，這些因素都是動態變化的，需要操縱模擬器給出危險性評價。為簡化操縱模擬器的模型，令任一舷角的RD，SD，AD 值為固定值，具體劃分為用戶設定與系統默認形式。當多目標船可能與本船會遇的情況下，RD，SD，AD 值會發生變化，分為本船追目標船、目標船追本船以及其他情況。在危險性評價中，綜合分析各項影響因素，根據衡量標準確定DCPA 和TCPA 的變化值，當操縱模擬器判斷本船不能安全航行通過指定區域時，及時發揮出危險性預報。當目標船舶接近本船時，DCPA 的評價模型為：

式中：為本船與目標船舶的相對速度；為相對運動距離，根據和能夠評估出船舶碰撞的危險性，判斷的標準為：

式中：u為目標船舶在會遇的情況下與本船存在的碰撞危險性。當u=1 時，表明碰撞發生，操縱訓練需停止；當u=0 時，表明不會發生碰撞，或者已經解除碰撞風險，此時本船處于安全航行狀態；當u為非0 和非1 的其他值時，表明本船處于除上述2 種情況之外的其他情形。

在危險性預報階段，根據危險性評估結果及時預報避讓行動，具體包括：目標船舶自由行動6 n mile 以上，無需采取避讓操作；目標船舶距離本船3～6 n mile，發出及早采取行動預報；目標船舶距離本船3～2 n mile，發出采取行動預報；目標船舶距離本船2 n mile 以內，發出采取避碰行動預報。

2.2 狹水道航行擱淺危險性評估與預報

狹水道是指受到水域限制，航行中存在礁石、淺灘等障礙物的狹長水道，此類型水道具備水深淺變化大、形態彎曲、船只多、障礙物多等特點，船舶在此處航行易發生危險性事件。在全面考慮本船航速、航向、航行條件等因素的情況下，采用擱淺危險性評價算法對船舶航行存在的危險性進行評估和預報。當危險性評估取值為0 時，表明船舶不會發生擱淺事件。當危險性評估取值為1 時，表明船舶必然會發生擱淺事件。當危險性評估取值介乎于0～1 時，表明船舶發生擱淺事件的可能性高低。船舶操作模擬器能夠自動記錄擱淺危險性評估信息，用于評價船舶的航行操縱水平。狹水道分為直航道、曲航道兩大類型，根據點到直線距離的不同，還可以將直航道細分為3 種不同的類型，左中右航道的危險性指數分布曲線如圖3所示。

圖3 狹水道中左中右航道的危險性指數分布曲線Fig.3 Distribution curve of risk index of left,middle and right waterway in narrow waterway

在直航道中，按照航道中線劃分為左航道和右航道，船舶航行方向為航道中線。當船舶航行在右航道上時，用D表示航道中線到船舶中心的垂直距離；當船舶航行在左航道時，用表示航道中線到船舶中心的垂直距離；如果D==0，那么表示船舶航行在航道中線上；用V表示船舶沿著D航行的速度分量，用表示船舶沿著航行的速度分量；當V和均為負數時，表明船舶偏離左航道或右航道，即船舶擱淺的危險性降低；當V和均大于0 時，表明船舶向左航道或右航道靠近，即船舶擱淺的危險性增大，需及時發出危險性預報。

2.3 狹水道航行碰撞危險性評估與預報

當船舶在狹水道上通行時，受航行水域過于狹窄的影響，增加了船舶與船舶之間的避讓失敗風險，導致狹水道航行碰撞危險性增加。根據統計調查資料顯示，狹水道是船舶碰撞事故最多的區域，部分狹水道寬度僅幾百米，在風力作用下，大型船舶在與小船相遇時，可能會突然竄到小船航道，增加碰撞危險性。所以，加強對狹水道船舶碰撞危險性評估顯得尤為重要。在評估狹水道碰撞危險性時，需考慮船舶長度、航行速度和駕駛員操作能力等因素。本文引入球場式船舶領域分析方法，判斷碰撞危險性高低。共分為以下3 個領域：危險領域，當本船各舷角目標臨界小于船尾180°舷角上的分布時，表明存在較高的碰撞危險性；安全領域，當本船各舷角的安全會遇距離分布在船尾180°舷角上時，表明船舶在安全區域航行；動界領域，該領域是為保證危險領域中船舶不會發生碰撞事件而設置的特定安全會遇領域。當本船遇到大型目標船時，狹水道船舶碰撞危險性分析會按照目標船船頭、船尾與本船船頭、船尾可能發生的會遇勢態進行評估，及時發出預報。

3 模擬實驗

3.1 實驗說明

為驗證船舶操作模擬器對危險性評估和預報的有效性，構建仿真系統進行實驗分析。系統具備創建航行區域、轉換參數處理、控制船舶運用、評價碰撞危險性、評價擱淺危險性等功能。實驗環境設置為寬水域和狹水道，直航道的長度為3 704 m，走向為000°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無限水深；直航道的長度為3 704 m，走向為045/225°，彎曲度為45°，寬度為141 m，無限水深；直航道的長度為3 704 m，走向為090/270°，彎曲度為45°，寬度為200 m，無限水深。

本船船長260 m，船寬43 m。目標船共4 艘，船長211 m，船寬32 m。船舶采樣周期均為0.5 s，每間隔3 s 評估船舶碰撞或擱淺危險性。船舶運動控制部分用于對操縱參數、船位解算進行處理，當在狹水道環境下實驗時，根據新船位暫定虛擬船位。當船速為2.6 m/s，加速度為0.02 m/s時，滿舵狀態下的轉首角速度為0.007 rad/s，舵角為15°的轉首角速度為0.005 rad/s，舵角為5°的轉首角速度為0.001 rad/s。啟動船舶操縱模擬器進行參數配置，啟動流程如圖4 所示。評價模塊可供選擇，配置ED，SD，AD 參數，配置后點擊運行程序。

圖4 船舶操作模擬器評價模塊參數配置啟動流程圖Fig.4 Startup flow chart of parameter configuration of ship operation simulator evaluation module

3.2 模擬驗證結果

船舶操縱模擬器的仿真驗證結果如下：

在寬水域航行中，船舶操縱模擬器評估碰撞危險性評估結果如圖5 所示。在全速狀態下，遇到1 艘目標船，在左舷前方交叉，（collision）最小值為0，最大值為0.47，平均值為0.32。從圖5 可以看出，前段航行無危險度，目標船距離本船較遠，當目標船接近后，本船的危險性增大；本船與目標船橫向相遇時，危險性評估值最大，之后出現危險性評估值下降，表明兩船碰撞危險性減小，直到無危險性。

圖5 寬水域航行本船與1 艘目標船碰撞的危險性評估結果Fig.5 Risk assessment results of collision between the ship and one target ship when sailing in wide waters

在寬水域航行中，寬水域航行本船與3 艘目標船碰撞的危險性評估結果如圖6 所示。歸一化運算后，（collision）最小值為0，最大值為0.64，平均值為0.43?？梢耘袛喑跏茧A段的航行未出現危險性，當多船相遇后出現危險性值曲線起伏變動，相遇過后危險性評估為0。

圖6 寬水域航行本船與3 艘目標船碰撞的危險性評估結果Fig.6 Risk assessment results of collision between the ship and three target ships when sailing in wide waters

在狹水道航行中，船1 與船2 目標船碰撞危險性評價中，（collision）最小值為0，最大值為0.44，平均值為0.28。船舶從初始階段距離目標船舶1.7 nmile之外的區域危險性較小，當船舶相互接近時，碰撞危險性增加，兩船相遇之后，碰撞危險性降低，順利通過狹水道之后危險性降至0。

在狹水道航行中，本船可能會交叉相遇目標船。（Grounding）最小值為0.10，最大值為0.75，平均值為0.57。船舶從初始階段開始存在一定危險性，當船舶舵角左轉調整到10°后，通航的危險性評估值也隨之下降。當船舶改到左航道后，危險性陡然升高，達到峰值，之后在船舶靠近航道中線后危險性下降。

4 結 語

船舶操縱模擬器是檢驗船舶通航環境安全性的重要技術，也是培訓船舶駕駛員的重要工具。在使用船舶操縱模擬器時，要對各種海況和通航環境進行仿真模擬，輸入相關參數，生成電子海圖，顯示船舶動態圖形，進而對船舶通航環境是否存在碰撞、擱淺等事故進行評估，及時判斷船舶航行的危險性，準確作出通航環境安全性評價。