基于电子海图的船舶避碰技术的研究_陈立家

大，即 ＤＣＰＡ＝ 槡Ｘ２Ｔ＋Ｙ２Ｔ ，ＴＣＰＡ＝＋∞．
２．２ 碰 撞 危 险 度 评 价 模 型 现在的船舶 一 般 都 装 有 ＡＩＳ，ＡＲＰＡ 等 现 代
信息化设备，可以 很 容 易 的 获 得 本 船 周 围 所 有 目 标船、海况 等 信 息，也 可 以 很 方 便 的 计 算 出 ＴＣ－ ＰＡ，ＤＣＰＡ，２船速度比 Ｋ，两 船 相 对 方 位 Ｂ 和 两 船间距离Ｄ 等参数，所以将选择的 碰 撞 危 险 度 评
角速度ｒ）．同时，根据动 力 学 原 理，船 舶 ６ 自 由 度
运动方程可以表述为 ． ［３］
烄ｍ（ｕ－ｒｖ＋ｑｗ）＝ Ｘ ｍ（ｖ－ｐｗ ＋ｒｕ）＝Ｙ
ｍ（ｗ －ｑｕ ＋ｐｖ）＝ Ｚ 烅Ｉｘｐ ＋ （Ｉｚ －Ｉｙ）ｒｑ ＝ Ｋ
（１）
Ｉｙｑ ＋ （Ｉｘ －Ｉｚ）ｐｒ ＝ Ｍ
烆Ｉｚｒ＋ （Ｉｙ －Ｉｘ）ｑｐ ＝ Ｎ
碰动作决策模型．采用 Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００８开发环境，在电子海图中对提出的模型进行实验仿真，实
验结果验证其模型的正确性和合理性．
关 键 词 ：船 舶 避 碰 ；碰 撞 危 险 度 ；电 子 海 图
中 图 法 分 类 号 ：Ｕ６９２
ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－３８４４．２０１３．０５．０１９
第３７卷 第５期 ２０１３ 年 １０ 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１３
重 心 到 目 标 船 与 本 船 相 对 航 向 线 的 垂 线 距 离， ＴＣＰＡ 是指２船 到 达 最 近 会 遇 距 离 点 的 时 间 ． ［４］ 见图１，本船位于 Ｏ 点，目标船位于 Ｔ 点，本船船 速为Ｖ０，目标船船速为ＶＴ，ＶＲ 为目标船相对于本 船Ｏ 的相对速度矢量，过Ｔ 点做矢量线ＶＲ 的平行 线 ＴＭ ，则 ＴＭ 为 目 标 船 相 对 于 本 船 的 相 对 航 向 线，过 Ｏ 点 做 ＯＭ 垂 直 ＴＭ 于 点 Ｍ ，则 按 定 义， ＤＣＰＡ ＝｜ＯＭ ｜，ＴＣＰＡ ＝｜ＴＭ ｜／｜ＶＲ｜．
船舶 碰 撞 事 故 的 发 生 是 船 舶 航 行 安 全 的 大 敌，通 常 会 对 人 命、财 产、货 物 以 及 船 舶 造 成 重 大 损失．刘德新 等 的 ［１］ 作 者 提 出 了 船 舶 智 能 避 碰 决 策系统的总 体 结 构．周 伟 等［２］的 作 者 提 出 了 解 决 多 船 紧 迫 危 险 局 面 下 的 避 碰 决 策 方 法 ．目 前 ，国 内 外航海界专家学者普遍采用人工智能技术或专家 系统来建立船舶 智 能 避 碰 系 统，但 在 如 何 建 立 符 合航海实际的避碰知识库对避碰系统的影响还没 有得到很好地解 决，在 实 际 应 用 中 还 存 在 一 定 的 差距．本文分析总 结 国 内 外 船 舶 智 能 避 碰 决 策 系 统 的 研 究 成 果 ，采 用 模 糊 理 论 相 关 技 术 ，建 立 了 船 舶碰撞危险度模型与避碰决策模型．
基于电子海图的船舶避碰技术的研究＊
陈 立 家１） 黄 春 娥２） 曾 伟 伟３） 许 毅３） 黄 立 文１）
（武 汉 理 工 大 学 航 运 学 院 内 河 航 运 技 术 湖 北 省 重 点 实 验 室１） 计 算 机 学 院３） 武 汉 ４３００６３） （武 昌 船 舶 重 工 有 限 责 任 公 司２） 武 汉 ４３００６０）
Ｙｃｕｒｒｅｎｔ ＋Ｙｗａｖｅ
（ｍ ＋ｍｚ）（ｗ ＋ｖｐ －ｕｑ）＝ ＺＨ ＋Ｚｗａｖｅ ＋Ｚｗｉｎｄ 烅（Ｉｘｘ ＋Ｊｙｙ ）ｐ ＋ （Ｉｚｚ －Ｉｙｙ ）ｒｑ ＝ ＫＲ ＋ＫＨ ＋
Ｋｗｉｎｄ ＋Ｋｃｕｒｒｅｎｔ ＋Ｋｗａｖｅ （Ｉｙｙ ＋Ｊｙｙ）ｑ＋ （Ｉｘｘ －Ｉｚｚ）ｒｐ ＝ ＭＨ ＋Ｍｗａｖｅ ＋Ｍｗｉｎｄ （Ｉｚｚ ＋Ｊｚｚ）ｒ＋ （Ｉｙｙ －Ｉｘｘ ）ｑｐ ＝ ＮＲ ＋ＮＨ ＋
直线 方 程 为 Ｘｓｉｎ ＣＲ －Ｙｃｏｓ ＣＴ ＋ＹＴｃｏｓ ＣＴ －
ＸＴｓｉｎ ＣＲ ＝ ０，而 ＯＭ 的 直 线 方 程 为 ＸｃｏｓＣＲ ＋
Ｙｓｉｎ ＣＲ ＝０，根据两直线方程算出 Ｍ 点坐标以及
ＴＭ 的长度 如下．
烄ＸＭ ＝ （ＸＴｓｉｎ ＣＲ －ＹＴｃｏｓ ＣＲ）ｓｉｎ ＣＲ 烅ＹＭ ＝ （ＹＴｃｏｓ ＣＲ －ＸＴｓｉｎ ＣＲ）ｃｏｓ ＣＲ
烆 Ｎｗｉｎｄ ＋ Ｎｃｕｒｒｅｎｔ ＋ Ｎｗａｖｅ
（２）
式中：ＸＨ ，ＹＨ ，ＺＨ 为 作 用 于 裸 船 体 相 对 于 ＯＸ ，
ＯＹ，ＯＺ 的 分 力；ＫＨ ，ＭＨ ，ＮＨ 为 作 用 于 裸 船 体 相
对于 ＯＸ ，ＯＹ，ＯＺ 的 分 力 矩；Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ 为 作 用 于 螺旋桨相对于ＯＸ ，ＯＹ，ＯＺ 的分力；Ｋｐ，Ｍｐ，Ｎｐ 为 作用于螺旋桨相对于 ＯＸ ，ＯＹ，ＯＺ 的 分 力 矩；ＸＲ，
烄ＶＲ ＝ 槡Ｖ２Ｏ ＋Ｖ２Ｔ －２｜ＶＯＶＴ｜ｃｏｓ（ＣＴ －Ｃ０）
烅ＣＲ ＝ｔａｎ２（ＶＴｓｉｎ ＣＴ －ＶＯｓｉｎ ＣＯ，ＶＴｃｏｓ ＣＴ － 烆 ＶＯｃｏｓ Ｃ０）
（３）
Ｍ（ＸＭ ，ＹＭ ）点为本船位 置 Ｏ 点 向 相 对 速 度
矢 量ＣＲ 的平行线ＴＭ 做垂线的垂点，那么ＴＭ 的
图 １ ＤＣＰＡ，ＴＣＰＡ
在电子海图中船舶的船首向之类的角度都是 以正北向 为 ０°，顺 时 针 递 增 的，但 为 了 计 算 的 方 便 ，将 建 立 如 图 ２ 的 计 算 坐 标 系 ，以 本 船 中 心 为 坐 标原点，向右即正东方向为 ＯＸ 轴，向上即正北方 向为 ＯＹ 轴，角 度 以 ＯＸ 轴 为 始 边 即 ＯＸ 方 向 为 ０°，逆 时 针 递 增 ．
摘要：通过对智能避碰过程中本船及 目 标 船 的 相 关 参 数、合 适 的 选 取 船 舶 碰 撞 危 险 度 的 评 价 集 以
及各个因素对碰撞危险度的影响权 重 的 研 究，根 据 模 糊 理 论 建 立 船 舶 碰 撞 危 险 度 评 价 模 型 ．在 评
价模型的基础上结合简单的船舶运动模型，通过搜索出能使本 船 碰 撞 危 险 度 最 低 的 行 动 来 建 立 避
式中：ｍ 为船 舶 的 质 量；Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚ 分 别 为 船 舶 相 对
于 ＯＸ，ＯＹ，ＯＺ 轴的转动惯量；Ｘ，Ｙ，Ｚ 为作用在船
体上的分力；Ｋ，Ｍ，Ｎ 为作用在船体上的分力矩．
为了研究 大 型 船 舶 的 操 纵 特 性 和 开 发 高 仿
真、高 可 靠、高 性 能 的 船 舶 操 纵 模 拟 器，分 离 型 船
１ 船舶运动数学模型的确定
船舶运动数学模型是船舶运动问题研究的核 心，通过船舶运动 建 模 而 建 立 船 舶 操 作 模 拟 器 来 进行避碰系统的 模 拟 仿 真，将 根 据 ＭＭＧ 分 离 思 想，建立船舶运动模型 ． ［３］
在实际环境中 的 船 舶 运 动 是 相 当 复 杂 的，为 了研究方便将其 抽 象 为 ６ 个 自 由 度．在 所 设 的 随 船坐标系中，６ 个 自 由 度 包 括 随 ３ 个 固 定 坐 标 系
（４）
烆｜ＴＭ ｜＝ 槡（ＸＭ －ＸＴ ）２ ＋ （ＹＭ －ＹＴ ）２
射 线 ＴＭ 的 航 向 角 为ＣＴＭ （虽 然 其 与 ＣＲ 平
行，但是方 向 可 能 不 一 样），则 ＣＴＭ ＝ｔａｎ２（ＹＭ －
ＹＴ ห้องสมุดไป่ตู้ＸＭ －ＸＴ ），当时｜ＶＲ｜≠０，可得
ＤＣＰＡ ＝｜ＹＴｃｏｓ ＣＲ －ＸＴｓｉｎ ＣＲ ｜
图 ２ 计 算 坐 标 系
在此坐标系统中，本船状态为 （０，０，Ｃ０，ＶＯ）， 目标船状态为（ＸＴ，ＹＴ，ＣＴ，ＶＴ）．状态向量由 Ｘ 轴 坐标值、Ｙ 轴坐标值、航 向（ＯＸ 轴 为 ０°，逆 时 针 为 正，顺时针为负）、航 速 组 成，两 船 间 距 离 为 Ｄ，目 标船相对 于 本 船 的 速 度 为 ＶＲ，ＶＲ 的 方 向 为 ＣＲ， 则有
ＯＺ 的 分 力；Ｋｗａｖｅ，Ｍｗａｖｅ，Ｎｗａｖｅ 为 浪 相 对 于 ＯＸ ，
ＯＹ，ＯＺ 的 分 力 矩 ；Ｘ ，Ｙ ，Ｚ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ 为 流 相 对
于ＯＸ ，ＯＹ，ＯＺ 的 分 力 ；Ｋ ，Ｍ ，Ｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ 为 流
相对 于 ＯＸ ，ＯＹ，ＯＺ 的 分 力 矩；ｍ 为 船 体 质 量；
｛ＴＣＰＡ，ＤＣＰＡ，Ｂ（会遇２ 船 方 位），Ｋ（会 遇 ２ 船 速 度 比 ），Ｄ（会 遇 两 船 距 离 ）｝为 了 更 直 观 的 表 示船舶碰撞的危险度，将评 价 集 Ｕ 中 的 各 因 素 的 值 限 定 在 ０～１ 之 间 ，并 将 其 划 分 为 高 危 险 、危 险 、 正 常 、安 全 和 非 常 安 全 等 级 ．
· ９８０ ·
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
２０１３ 年 第 ３７ 卷
动模型又称为 ＭＭＧ 模 型．则 根 据 ＭＭＧ 分 离 模
型 的 思 想 ，可 以 得 出 如 下 式 子 ． 烄（ｍ ＋ｍｘ）（ｕ＋ｑｗ －ｒｖ）＝ ＸＨ ＋Ｘｐ ＋ＸＲ ＋
Ｘｗａｖｅ ＋Ｘｃｕｒｒｅｎｔ ＋Ｘｗｉｎｄ （ｍ ＋ｍｙ）（ｖ＋ｕｒ－ｗｐ）＝ＹＨ ＋ＹＲ ＋Ｙｗｉｎｄ ＋
ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ 为附 加 质 量；Ｉｘｘ ，Ｉｙｙ ，Ｉｚｚ 为 转 动 惯 量； Ｊｘｘ ，Ｊｙｙ ，Ｊｚｚ 为 附 加 转 动 惯 量；ｕ，ｖ，ｗ 为 Ｘ 轴、Ｙ 轴、Ｚ 轴的速度；ｐ，ｑ，ｒ为绕 Ｘ 轴、Ｙ 轴、Ｚ 轴 转动
的角速度．
２ 船舶避碰模型的确定
２．１ ＤＣＰＡ 和ＴＣＰＡ 的基本思想 ＤＣＰＡ 是指２船会遇 最 近 距 离、或 者 是 本 船
的移动和围 绕 其 固 定 坐 标 系 的 转 动．分 别 为 ＯＸ