船舶碰撞危险度的计算方法比较(非匿名)

船舶碰撞危险度的计算方法研究

曾建辉，鲁艳丽

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江省哈尔滨市150001）

摘要：在船舶安全航行和船舶避碰领域中，研究和计算船舶碰撞危险度是至关重要的，因此采用一种好的方法来计算船舶碰撞危险度一直是船舶避碰领域研究和讨论的热点。本文分别采用了模糊数学计算法、BP神经网络法和灰色关联分析法对船舶碰撞危险度的计算进行研究。研究表明模糊数学计算法的计算精度高但是计算量大；BP神经网络法的计算误差较小，自学能力很强，但是它的运算速度慢，失败的可能性较大；灰色关联分析法不能计算出绝对的船舶碰撞危险度的数值，它仅能计算出多船时，各目标船的相对碰撞危险度，但是它的计算简单，结果明确。

关键词：船舶碰撞危险度；模糊数学计算法；BP神经网络；灰色关联分析

Research of Method of Calculating Ship Collision Risk Index

ZENG Jian-hui, LU Yan-li

(College of Automation of Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China;)

Abstract：In the field of safe navigation of vessels and ship collision avoidance, it is crucial to research and calculate ship collision risk. So, a good method of calculating the ship collision risk is a hot spot in the field of ship collision avoidance. This paper uses calculation of fuzzy Mathematics, BP neural network and grey relational analysis to research the calculating the ship collision risk. The research shows calculation of fuzzy Mathematics is accurate, but difficult to calculate; computational accuracy of BP neural network is high, Self-study ability is strong, while its operation is slow, and possible to failure; grey relational analysis can’t calculate the absolute value of collision risk, it can only calculate the relative value of collision risk, when multi-ship encounters, but its calculation is simple and clear.

Key words：Ship Collision Risk Index; Calculation of Fuzzy Mathematics; Back Propagation Neural Network; Grey Relational Analysis

船舶碰撞危险度（Collision Risk Index，CRI），是船舶之间发生碰撞可能性大小的度量，也是船舶之间发生碰撞危险的衡量标准，更是避碰决策的依据和评判标准。CRI是一个很模糊的，不确定的概念，它不仅要受到航速、航向等因素的影响，还受到人对危险的感知和接受能力等因素的影响[1]。CRI 的取值范围为0～1。CRI=0说明没有碰撞危险；CRI=1说明无论采取怎样的避让行动都无法避免和目标船碰撞；CRI的取值说明了可能发生碰撞危险的程度。CRI可以给船舶驾驶员一个早期的避碰提醒，并且当有多艘目标船与本船会遇时，船舶驾驶员可以根据CRI来判断避让的时机和避让的顺序。因此船舶碰撞危险度的研究在船舶航行和船舶避碰领域中具有很重要的意义。本文分别利用模糊数学计算法，BP神经网络计算法和灰色关联分析法对CRI的计算进行了研究比较。

1 模糊数学计算法

模糊数学计算法，即以影响船舶碰撞危险度的因素最近会遇距离（DCPA），到达最近会遇点的时间（TCPA），目标船相对于本船的方位（B），本船与目标船的船速比（K），本船与目标船的距离（D）等为参数，通过模糊数学计算的方法确定CRI。1.1 DCPA与TCPA的公式推导[2]

假设本船的航速为

v，航向为

C；目标船的航

速为

t

v，航向为

t

C；目标船相对于本船的方位角为B；目标船与本船之间的距离为D。

（1

r

v=（1）

其中：

(0~180)

t

C C

α=-±

取

（2）相对航向r C计算

(0)

(0)

r

r

C C Q

C C Q

α

α

⎧=+>

⎪

⎨

=-<

⎪⎩

（2）其中：

222

arccos

2

r t

r

v v v

Q

v v

⎛⎫

+-

= ⎪

⎝⎭

（3）相对舷角r Q 的计算

r r Q B C =-

（3） （4）DCPA 和TCPA 的计算

sin()cos()/r r r

DCPA D Q TCPA D Q v =⎧⎨

=⎩

（4） 1.2应用模糊数学法计算船舶碰撞危险度CRI

假设与本船会遇的目标船数为1n ≥艘，D C P A i u 、TCPA i u 、D i u 、B i u 、K i u 为目标船i 各参

数的危险隶属度且属于[0，1]，1,2,3i n = ，则目

标船i 的碰撞危险度表达式为[3]：

(,,,,) i DCPA TCPA D B K DCPA DCPA i i i i i i TCPA TCPA D D B B K K i i i i

f u u u u u a u a u a u a u a u =++++ （5）

其中：

1

1212

2121 11

sin[()] 22

20 i DCPA i i i

DCPA d d d u DCPA d DCPA d d d d DCP π≤+=--<≤-

⎧⎪

⎪⎨⎪⎪⎩

1

22

12

211 () 0 i i TCPA i i TCPA t t TCPA u t TCPA t t t ≤-=<≤-2 i t TCPA

⎧⎪

⎪⎨⎪

⎪<⎩

1

221221

1 () 0 i i i D i i i

i D D D D u D D D D D ≤-=<≤-2 i i D D

⎧⎪

⎪⎨⎪⎪≤⎩

15

[cos(19) (0360)217

B i i i u B B =--≤≤

1

1K i u =

这里：1d 为船舶最低安全会遇距离，2d 为安

全通过距离。

1 1.10.

2 0112.51802701.00.8 112.5247.51803601.10.4 180i i i i i B B B d B B -⨯≤<-=-⨯≤≤--⨯

247.5360i B ⎧

⎪⎪⎪⎪⎨⎪

⎪⎪<≤⎪⎩

212d d =

这里：1t 为船舶碰撞时间，2t 为船舶碰撞注意时间。

1111 i r i

i

i r i

DCPA D t D DCPA DCPA D v ≤=⎨

-⎪>⎪⎩

2r i

t 其中： 1D 为最晚避让距离；2i D 为目标船i 可

采取避让措施的距，其值均受到航行区域的状况、能见度状况就、以及人为因素的影响。

1123D H H H DLA = （6）

2123i i D H H H R = （7）

式中：

1.7cos(19)i i R B =- 1H 由能见度决定；2H 由当前水域情况决定；3H 由人为因素决定，包括操船者的经验、技术、

反应能力以及心理素质等。DLA （the Distance of the Last Action ）为最晚施舵距离，一般取为12倍的船长；

C 为碰角(0180C ≤≤ )；W 为常数，取

2W =；DCPA a 、TCPA a 、D a 、B a 、K a 为目标船

的参数权重，均属于[0，1]，且

1DCPA TCPA D B K a a a a a ++++=。

假设本船的船速为16kn ，航向为0，本船周围存在5艘目标船与本船会遇并构成碰撞危险，设能见度良好，操船者水平较好，水域情况良好，船舶的操纵性能较好[4]，即取1231H H H ===，船长为100米，各目标船的参数权重均相等为0.2。5艘目标船的参数信息如表1所示。

表1 5艘目标船的参数信息

目标船 航速 （kn ） 方位 （°） 航向 （°） 距离 （n mile ）

1 12.0 0 160 4

2 14.0 0 170 6

3 16.0 0 190 7

4 14.0 60 300 6 5

20.0

100

335

6

经过计算可得DCPA 、TCPA 、本船和目标船的

船速比K ，以及CRI 的值如表2所示

表2 模糊数学法的计算结果

目标船 DCPA （n mile ） TCPA （min ） K

CRI

1 -0.595

2 8.6040 1.33

3 0.541

4 2 -0.4881 12.0057 1.143 0.5144 3 0.6101 13.1250 1 0.5142 4 -0.6882 23.6842 1.143 0.5137 5

0.4310

41.1982

0.8

0.4443