摘 要： 在分析了各因素對船舶碰撞危險度影響情況后，系統簡化了計算，使其在嵌入式系統中可用，且僅對危機情況進行碰撞預警，從而輔助防止船舶碰撞事故的發生。
關鍵詞： 碰撞危險度；船舶避碰；嵌入式系統
船舶碰撞事故是航行安全的首害。據資料顯示，長江干線1991年至2000年間船舶碰撞的事故數占總事故數的50%以上。隨著水上交通管制電子系統(VTS)的應用，水上交通安全得到了極大改善，尤其在船舶航行線路上的天氣水文等信息通報方面已比較完善，但是在船舶間碰撞警告方面則有所欠缺。目前通用的方法是按照國際間的一個統計數據[1]確定一個范圍，設定的固定距離為2~4海里，此范圍內有船則進行通告。經實際測試發現，由于航道上船舶數量很多，在整個航行過程中很大一部分時間終端系統均會進行碰撞警告，使得該功能實用性下降。為此，需要將不大可能相撞的船舶排除開，僅提醒那些在短時間內不改變航向便可能相撞的情況，以降低事故發生率。
由于本終端通過嵌入式系統實現，運算能力較低，計算量不能過大，從而影響了其他導航監控功能的正常運行。因此需要通過一種簡單有效的計算方法得出一個較為可靠的評價。
1 影響船舶碰撞危險度的因素
船舶碰撞危險度可分為空間碰撞危險度和時間碰撞危險度。在實際的船舶避碰中，必須綜合考慮兩者對船舶碰撞的影響程度，即兩者的合成碰撞危險度。影響船舶碰撞危險度的因素非常多，而且各種因素之間還存在相互制約。一般認為有下列主要因素：最近會遇距離(DCPA)、最近會遇時間(TCPA)、目標船方位、目標船舷角、本船航速、目標船航速、會遇時兩船的航速比等。另外，目標船與本船的操縱性能、當時航行水域的能見度、水文氣象情況、船舶密度等因素、船舶尺度以及船舶駕駛員的操船經驗也是影響船舶碰撞危險度的重要因素。為了簡化模型，僅考慮來船與本船構成的方位、距離、船速比、DCPA和TCPA。
1.1 DCPA和TCPA
在船舶避碰研究領域中，大多數專家學者都認為DCPA與TCPA是影響船舶碰撞危險度的主要因素。一般情況下，在分析DCPA對船舶碰撞危險度的影響時，不能與TCPA分開。TCPA是指由當前時刻到達最近會遇點的時間，TCPA值由會遇兩船的距離、相對速度所決定，它描述了會遇局面的緊迫性。當DCPA小于一定數值時，TCPA越小，會遇船舶之間存在的碰撞危險越高，而當TCPA越大時，船舶間存在碰撞危險就越小。
另外，根據統計資料顯示，當最近會遇距離DCPA處于某個范圍時，其中一船認為可以安全通過，并且可能為了增大DCPA而采取了違背規則的向左轉向行動，而另一船則根據規則采取了向右轉向的避讓措施，因此造成碰撞。通過大量的實際觀測和調查問卷統計可得到船舶避碰行動隨DCPA不同的不確定性分布。當DCPA值在0.5 nm～0.8 nm時，船舶采取避碰行動的不確定性較高，從而導致不協調碰撞發生次數較多，特別是當DCPA=0.6 nm時發生碰撞的可能性最大。因此，處于該種情況下的會遇船舶具有較高的碰撞危險。
1.2 目標船的相對舷角
船舶會遇是海上最常見的船舶交會態勢，對其劃分原則是根據國際海上避碰規則、航海習慣和自動避碰方法三者綜合分析的結果。由兩船的相對舷角互見中的兩船可劃分為對遇(F)、交叉相遇(A、B、E)和追越(C、D)幾類會遇態勢[2]，如圖1所示。
對相對舷角為F、A、B區域的來船，本船為讓路船；但對來自F、A區域的船，本船應采取向右轉向避讓操縱；對來自B區域的船，因與本船的相對舷角較大，可采用向左轉向避讓操縱；對相對舷角為E、D、C區域的來船，本船可視為直航船而不采取任何避讓操縱，只有當出現緊近局面時，本船才采取避讓操縱。
1.3 會遇兩船的速度比
P為會遇兩船的速度比，P=VO/VT，VO為本船航速，VT為目標船航速。與目標船相比，本船的速度越慢，P值越小，避碰界限就越寬；P值越大，避碰界限就越窄。這就意味著低速船必須先采取避碰行動且要求采取較大幅度的轉向避讓行動，以保證有較大安全距離通過。本船如果與目標船同速或低于目標船速，由于目標船的行動變化，便會出現不能避碰的領域。特別是在低速的情況下，如果沒有對方的合作便不可能完全避碰。
相遇的兩船就速度而論，本船的速度越大，即P值越大，在操舵時越有安全感；但是船速小到一定程度時，目標船安全感會增加，因為這時可以增加對方避讓的效果，同時也增加對方的滿意度。
2 船舶碰撞危險度的確定
在船舶避碰及避碰決策自動化系統研究中，碰撞危險度的確定十分重要。它不僅是船舶會遇局面劃分和避讓時機確定的重要依據，也是船舶避碰決策系統智能化設計與開發的重要環節。目前，有關船舶碰撞危險度的確定，已在國內外眾多專家、學者的共同努力下，提出了許多構建思想和方法，并認為最根本的因素莫過于兩船會遇時的DCPA與TCPA[3]。這里，以來船與本船構成的方位(B)、距離(D)、船速比(K)、最近會遇距離(DCPA)和最近會遇時間(TCPA)為參數，給出來船與本船構成的碰撞危險度估計。
設UDCPA、UTCPA、UD、UB、UK分別為目標船的DCPA、TCPA、距離、方位和航速比危險隸屬度，且屬于[0，1]，則目標船的碰撞危險度表達式為[4-6]：
其中，d1、d2為船舶碰撞距離和注意距離，根據圖1 取值為：
上述模型反映了本船與目標船不同的會遇態勢時的碰撞危險度。通過設定危險度的閾值范圍，便可有效去除危險度較低的船。
3 系統實現及測試
本終端采用ARM9體系結構MCU搭配GPRS通信模塊和GPS定位模塊，主頻200 MHz。采用嵌入式終端代替以往的PC機終端，更適應船舶航行的惡劣條件，安全性和可靠性得到了提高，且降低了設備成本。但采用嵌入式設計方案，運算能力較PC機有所下降，使得各種信息計算不能過于復雜，本實現方案通過GPS模塊獲取本船的位置、航向、航速等信息，再通過GPRS模塊與服務器進行通信，上報本船獲取的GPS信息，同時通過服務器獲取本船周圍4海里范圍內的其他船只的GPS信息，如圖2所示。
如此便能直接獲取模型中需要的各種初始數據，無須進行復雜計算以及隨之帶來的誤差，且精度較高。同時因模型中各危險隸屬度計算公式均采用前人研究成果中較簡單的計算公式，所以計算量小，在進行此計算時不會消耗太多MCU資源。
通過實際測試，在4小時的航行過程中，原來的系統50%以上時間處于提醒附近有船狀態，而改進后整個過程中僅提醒10次，且大部分為中途停靠碼頭時產生。
作為一個嵌入式船載導航監控系統，僅僅起到的是輔助作用，大部分時間船員均憑自己的經驗進行駕駛，如果系統在危險度較低時便進行提醒會使得此功能因提醒過于頻繁而被船員忽略。因此，本系統中改為采用危險度的評判方法且在危險度很高時才提醒船員，從而真正達到提醒的目的，避免船員因一時疏忽造成不可挽回的錯誤。
參考文獻
[1] 鄭中義，吳兆麟.船舶避碰行為的統計和分析.中國航海學會海洋船舶駕駛委員會論文集，1995-1997：94-97.
[2] 鄭中義，吳兆麟.船舶最佳轉向避碰幅度決策模型.大連 海事大學學報，2000，26(4)：5-8.
[3] 蔡存強.國際海上避碰規則釋義.人民交通出版社，1996.
[4] 史國友.航海模擬器中DCPA、TCPA的算法.大連海事大學學報，1999，25(3).
[5] SHINYA N，KUNIJI K.A study on the safety assessment of marine traffic.The Journal of Japan Institute of Navigation，1994，92：101-111.
[6] DAVIS P V，DOVE M T，STOCKET C T.A computer simulation of marine traffic using domains and arenas.The Journal of Navigation，1980，33(1)：206.