馬建斌，李　江，王柏霖

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

?

船舶邊界帶動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬建斌，李江，王柏霖

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

為進(jìn)一步提高船舶在受限水域中航行的安全性，考慮船舶在受風(fēng)流影響下所占用的航道寬度，以及船舶實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，應(yīng)用visual basic編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)一種船舶邊界帶動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，以大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”號(hào)為船型，對(duì)船舶進(jìn)港操縱，以及靠離泊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為駕駛員在受限水域中對(duì)船舶進(jìn)行操縱、避碰及防止船舶擱淺操作提供指導(dǎo)。

visual basic；邊界帶；受限水域；操縱避碰；防擱淺

隨著國(guó)際大宗貨物運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，船舶運(yùn)力需求量進(jìn)一步增大，船舶自動(dòng)化、大型化成為船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，由于船舶在數(shù)量、種類及噸位等方面的迅速發(fā)展，船舶在通道、港口航道等受限水域的交通流和交通密度進(jìn)一步增加。這使得船舶在上述水域航行過(guò)程中的安全問(wèn)題也愈加嚴(yán)峻[1]?，F(xiàn)今，電子海圖、雷達(dá)等儀器的廣泛應(yīng)用，使得船舶駕駛自動(dòng)化水平大步提升，本質(zhì)性地提高了航行安全。但受儀器自身功能不完備及外界因素干擾的限制，使得駕駛員無(wú)法完全依賴于航海儀器。受ARPA矢量線的應(yīng)用和航跡帶寬度概念的啟發(fā)，應(yīng)用VISUAL BASIC編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)一種船舶邊界帶動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，將受限水域中船舶航行所占用航道寬度疊加在比例船型之上，旨在使得船舶因風(fēng)流等外界因素導(dǎo)致的偏航更加直觀化。同時(shí)也為船舶在受限水域中航行、靠離泊以及錨泊時(shí)對(duì)周圍環(huán)境提供了可視化，彌補(bǔ)電子海圖顯示系統(tǒng)及雷達(dá)導(dǎo)航的功能缺陷，為船舶提供操縱。

1　系統(tǒng)原理

1.1雷達(dá)ARPA矢量線

“ARPA雷達(dá)矢量線”是指ARPA雷達(dá)上的速度矢量線[2]。根據(jù)速度的矢量性質(zhì)可分為速度大小及速度方向，本船速度大小是根據(jù)船舶的操縱性能，運(yùn)用趨勢(shì)理論對(duì)船舶在單位時(shí)間內(nèi)預(yù)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算得出來(lái)的。其他物標(biāo)的速度大小則是利用物標(biāo)與本船相對(duì)位置的變化關(guān)系，并通過(guò)矢量相減獲得[3]。船舶的速度方向是通過(guò)船舶推進(jìn)速度與風(fēng)流等外力作用速度進(jìn)行矢量合成計(jì)算得出。當(dāng)船舶航行受到風(fēng)流影響時(shí)，此時(shí)在船舶真實(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和艏向之間存在風(fēng)流壓差角；當(dāng)船舶在無(wú)風(fēng)流條件下穩(wěn)定航向航行時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)方向與艏向保持一致[3-4]。

1.2航跡帶寬度

按《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)航跡帶寬度定義，船舶在航道內(nèi)航行時(shí)，所占用的寬度為航跡帶寬度[5]。按照船舶實(shí)際的航行軌跡，航跡帶寬度可以分為船舶航行的左右偏移量和船寬2部分[6]。此時(shí)船舶所占用的空間，即為船舶在航行過(guò)程中船體所掃過(guò)水域范圍的大小，可以理解為船舶在航跡線法向上的投影。

因此，設(shè)計(jì)船舶邊界帶動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)即以船舶矢量線為基線，構(gòu)造與其平行2條邊界線，兩邊界線之間的區(qū)域即為船舶實(shí)時(shí)航行狀態(tài)下所占用的航道空間寬度。

1.3設(shè)計(jì)案例

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”號(hào)為模型，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

在其甲板輪廓首尾曲面部分以船艉中點(diǎn)為起點(diǎn)，逆時(shí)針均勻取288個(gè)點(diǎn)。以右舷曲面為例，定義舵柱為坐標(biāo)原點(diǎn)，往艏向依次取點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為該點(diǎn)到原點(diǎn)縱、橫向距離(Xm,Ym)，單位為m，“育鯤”號(hào)右舷曲面部分的144個(gè)點(diǎn)見(jiàn)表2，其中(Xp,Yp)為對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)長(zhǎng)度，左舷同理。

表1　“育鯤”輪主要參數(shù)

經(jīng)地理坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換，以寺兒溝區(qū)及大港區(qū)掃描海圖作為背景。當(dāng)船舶在該區(qū)域行駛時(shí)，系統(tǒng)讀取當(dāng)前船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如GPS船位、船艏向、航跡向等。如圖1所示，O為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)，P為船舶轉(zhuǎn)心，某一時(shí)刻船舶航跡向COG與船舶船艏向TC之間夾角，即風(fēng)流壓差角γ：

表2　右舷曲面點(diǎn)坐標(biāo)

(1)

式中：A、B分別為該γ下曲面上與雷達(dá)矢量線(航跡向)距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)，即PM，PN為最大值。已知船舶航跡向后，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要工作即確定任意γ下對(duì)應(yīng)的A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)A(XmaxID.P,YmaxID.P)，B(XmaxID.P,YmaxID.P)，以該兩點(diǎn)為端點(diǎn)做與航跡向平行的2條邊界線。在原點(diǎn)O處重建直角坐標(biāo)系，則航跡向所在直線為過(guò)船舶轉(zhuǎn)心斜率為k的一條直線，其中

(2)

γ≠0°且γ≠±180°。則該直線可表示為：

(3)

任意時(shí)刻的斜率已知，且該直線過(guò)轉(zhuǎn)心P點(diǎn)，則可求得該時(shí)刻b值，最終確定該時(shí)刻的直線表達(dá)式。已知該直線方程，再根據(jù)點(diǎn)到直線距離公式求取PM、PN的最大距離，進(jìn)而確定A，B坐標(biāo)，最終可以得到以A，B為端點(diǎn)，與雷達(dá)矢量線平行，其時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)的2條線段，見(jiàn)圖1。

圖1　船舶邊界帶示意

2　應(yīng)用

在航海實(shí)踐中，通常以船舶總噸位衡量船舶的大?。灰话銇?lái)說(shuō)，船舶長(zhǎng)度越長(zhǎng)、寬度越寬，那么船舶的總噸位一般相應(yīng)也就越大。因此，通常從船長(zhǎng)、船寬和總噸位3方面對(duì)船舶尺度與海事事故關(guān)系進(jìn)行分析與研究[7]。同時(shí)，根據(jù)世界海事組織(IMO)統(tǒng)計(jì)，港口水域中船舶平均海事事故發(fā)生的概率與船長(zhǎng)的3/2次方成正比，而船舶碰撞率CR(collision rate)與船舶總噸位的關(guān)系也可表示為

CR=0.001 4GT+0.000 9

(4)

從式(4)中可以很清楚得出結(jié)論，船舶隨著的噸位增大，碰撞率也隨之增高。這是由于隨著船舶的噸位增加，其運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性就隨之增加，船舶的應(yīng)舵性能也就越差[7]。其次，當(dāng)船舶在港口航道等受限水域中航行時(shí)，船長(zhǎng)或引航員通常是依靠他們?cè)诤胶９ぷ髦兴e累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及通過(guò)視覺(jué)對(duì)船舶在航道航行時(shí)與陸地物標(biāo)或航標(biāo)間相互位置的變化，對(duì)船舶進(jìn)行指揮。通常大多數(shù)的船長(zhǎng)和引航員都能成功地完成這些航行任務(wù)，但由于這些方法依靠的是人的經(jīng)驗(yàn)與感覺(jué)，難以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行量化，這使得受限水域中航行的船舶，面對(duì)復(fù)雜的航行環(huán)境很容易對(duì)某個(gè)因素的疏忽而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[8]。

2.1判斷船舶是否偏航

2008年12月，“GY11”號(hào)由引航員領(lǐng)航自秦皇島905#泊位滿載出港。當(dāng)引航員完成掉頭操作剛將船駛上航道時(shí)，船長(zhǎng)即表示無(wú)需引航并要求引航員下船，同時(shí)接過(guò)指揮權(quán)自行要車要舵，引航員只好在向船長(zhǎng)交代注意事項(xiàng)后離船。就在引航員離船后，港口VTS發(fā)現(xiàn)該船有偏離航道的趨勢(shì)，并立即向該船發(fā)出了警告，但該船船長(zhǎng)未能及時(shí)采取有效措施，不久，該船即擱淺在航道西側(cè)。

事故分析指出，該船長(zhǎng)對(duì)船舶在狹水道(航道)對(duì)航行環(huán)境缺乏充分了解，沒(méi)有充分考慮風(fēng)、流等外界因素對(duì)船舶航行的影響而預(yù)配合適的風(fēng)流壓差角。

當(dāng)船舶在港口、通道等受限水域中航行時(shí)，由于受風(fēng)、流、潮汐等因素影響以及航速的限制，往往會(huì)產(chǎn)生較大風(fēng)流壓差，且受限水域內(nèi)通常有各種陸標(biāo)、浮標(biāo)等助航標(biāo)志以及淺灘、海底電纜等航海危險(xiǎn)物。這些因素使得可航行的水域面積嚴(yán)重受到局限，船舶操縱性能降低，易形成緊迫局面[9]。在船舶進(jìn)出港時(shí)，需要引航員和駕駛員憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)指揮操縱船舶，而缺少可靠直觀的顯示，尤其對(duì)于大型船舶而言，既要使得船舶沿計(jì)劃航線行駛，又要保證整個(gè)航行占用空間安全無(wú)礙。而該系統(tǒng)則可以效地解決上述問(wèn)題，直觀顯示船舶是否采取適當(dāng)風(fēng)流壓差角，通過(guò)控制航向使得矢量線沿著預(yù)定航線移動(dòng)，邊界帶顯示的船舶占用空間內(nèi)無(wú)危險(xiǎn)以保證船舶航行安全。

2.2船舶避碰

2012年6月6日，美國(guó)德克薩斯州休斯敦航道，能見(jiàn)度良好，天氣良好。夏令時(shí)0530，“Mary Ann Hudson”號(hào)散貨船從21號(hào)城市碼頭移泊到29號(hào)城市碼頭時(shí)與系泊中的散貨船“Star Grip”相撞(見(jiàn)圖2)。在0528時(shí)，“Mary Ann Hudson”的大副在船艏用無(wú)線電告知船長(zhǎng)“Star Grip”的龍門起重吊擋住了“Mary Ann Hudson”的航行路徑。引航員命下令左舵20°并改為前進(jìn)2，同時(shí)命令拖船“Andrew K”(位于船首右側(cè))緩慢向后拖曳，試圖使船舶遠(yuǎn)離“Star Grip”。然而，這些行動(dòng)并沒(méi)能讓“Mary Ann Hudson”讓清龍門吊。本次事故未引起人員傷亡和環(huán)境污染，但是2艘船舶損失超過(guò)50萬(wàn)美元。

圖2　碰撞示意圖

根據(jù)對(duì)該事故的調(diào)查，當(dāng)“Mary Ann Hudson”號(hào)船艉漂向“Star Grip”時(shí)，引航員已經(jīng)有所察覺(jué)，但是沒(méi)有采取有效地避讓行動(dòng)。在最后的事故調(diào)查報(bào)告中指出，引航員及駕駛員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)和沒(méi)有及時(shí)采取有效的避讓行動(dòng)是導(dǎo)致該事故發(fā)生的直接原因[10]。

船舶在港口水域航行存在航道交叉的情況，進(jìn)出錨地，穿越船舶密集區(qū)，此時(shí)要使用較低航速，船舶更容易受風(fēng)流影響；且可航寬度受限，駕駛員精神狀態(tài)高度緊張，參考電子海圖上比例船型及矢量線的顯示或視覺(jué)觀察不能夠準(zhǔn)確而又全面地判斷是否存在危險(xiǎn)，因此就容易導(dǎo)致類似事故的發(fā)生。而該系統(tǒng)可對(duì)船舶間碰撞、船與危險(xiǎn)物的碰撞起到預(yù)測(cè)作用，以直觀的顯示警示駕駛員及時(shí)采取避讓措施。另外，船舶在穿越船舶密集區(qū)時(shí)，要設(shè)計(jì)好穿越航線，確保船舶矢量線盡可能與設(shè)計(jì)的穿越航線重合，兩條邊界線與周圍船舶保證足夠安全距離。警惕出現(xiàn)在邊界帶以內(nèi)及矢量線末端相交的船舶。

2.3指導(dǎo)船舶進(jìn)出口門

2013年1月7日，當(dāng)?shù)貢r(shí)間1118,752 ft長(zhǎng)的油船“Overseas Reymar”與舊金山-奧克蘭海灣大橋相撞。事故調(diào)查指出，船舶計(jì)劃從CD段穿過(guò)，但由于能見(jiàn)度降低且缺失CD段信息，引航員決定改從DE段通過(guò)大橋。由于改向未能及時(shí)判斷出船舶的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，導(dǎo)致事故發(fā)生[11]，見(jiàn)圖3。

圖3　撞橋事故軌跡示意

駕駛員也可根據(jù)船舶航行占用空間的動(dòng)態(tài)顯示判斷以當(dāng)前船舶的航行的姿態(tài)能否安全進(jìn)入狹水道、運(yùn)河、港口等處的入口,以及對(duì)船舶橋區(qū)通航提供操縱指導(dǎo)。

2.4確保船舶霧航安全

此前提到的船橋碰撞事故中，港口方通常會(huì)在能見(jiàn)度不良的環(huán)境下采取船舶限航或禁航機(jī)制，以提高船舶進(jìn)出港的安全性，但由于船期、泊位、貨物周轉(zhuǎn)等各種因素，船舶在能見(jiàn)度不良的情況下進(jìn)出港的情況依舊存在[12]。那么在能見(jiàn)度不良的航行環(huán)境下，該系統(tǒng)就可以為引航員及駕駛員提供船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、是否偏航、與周圍環(huán)境的關(guān)系等直觀的顯示，使駕駛員及引航員做到心中有數(shù)，確保船舶航行安全。

2.5其他應(yīng)用

通過(guò)調(diào)節(jié)矢量線，觀察邊界帶，該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于定點(diǎn)錨泊[13]，并通過(guò)錨位、船位以及船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)判斷出船舶是否走錨。在靠離泊操縱中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)矢量線得到船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，保持船舶與泊位之間的相對(duì)速度與距離之間的關(guān)系。

3　誤差分析

除應(yīng)考慮到GPS自身的定位誤差外，一般將GPS天線安裝在船舶的頂部，只有在海況較好的情況下，GPS天線與船舶的運(yùn)動(dòng)才基本一致。若海況較差，GPS天線會(huì)受到操縱、橫搖的影響，記錄的定位跳變較大，誤差較高。這時(shí)，船舶航跡和航向的變化比較復(fù)雜，且航跡向的計(jì)算也存在一定的誤差。另外，船載羅經(jīng)存在的誤差會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流壓差角計(jì)算誤差，繼而影響邊界帶寬度的精度。

4　結(jié)束語(yǔ)

大型船舶在受限水域航行時(shí)，駕駛員需要考慮的因素有很多，在航道可航寬度與船舶邊界之比的限制條件下，放大海圖比例尺動(dòng)態(tài)顯示比例船型與船舶航行占用空間將有助于駕駛員的預(yù)判，以提高船舶航行安全。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更大意義在于對(duì)現(xiàn)有電子海圖功能的完善，對(duì)船舶受限水域航行安全的提高有較大意義。

[1] 熊清平,孫清.水上交通事故分類與統(tǒng)計(jì)方法探討[J].天津航海,2009,29(2):39-42.

[2] 鄧術(shù)章,李光正,魯慧民，等.船用ARPA雷達(dá)與AIS信息融合的實(shí)現(xiàn)[J].船海工程,2009(6):145-148.

[3] 黃言平,陳進(jìn)朝,王金林.船舶矢量線航法應(yīng)用研究[J].航海技術(shù),2009,30(5):21-23.

[4] PEDERSEN E, INOUE K,TSUGANE M. Evaluation of a radar plot and display technique for anti-collision assessment of multiple targets in true vector representation by application of the environmental stress model[J]. Journal of Japan Institute of Navigation, 2002,106(2):1-12.

[5] 海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTJ211-99.北京:中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部,1999.

[6] 曾昆.基于實(shí)態(tài)的船舶航跡帶寬度和操縱參數(shù)的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2009.

[7] 洪碧光.船舶操縱[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2011.

[8] 趙學(xué)軍.FSA在港口水域通航安全評(píng)估中的應(yīng)用[D].大連:大連海事大學(xué),2010.

[9] 張輝,李永級(jí).受限水域中的船舶避碰探討[C].船舶航泊安全的新經(jīng)驗(yàn)新技術(shù)論文集(上冊(cè)),2007(6):25-29.

[10] Collision Between Bulk Carriers Mary Ann Hudson and Star Grip[R]. National Transportation Safety Board， 2012.

[11] Allision of Tanker Overseas Reymar with San Francisco Oakland Bay Bridge[R]. Transportation Safety Board,2013.

[12] 余文杰.電子海圖結(jié)合ARPA矢量線航法在進(jìn)出港航行中的應(yīng)用[J].航海技術(shù),2013,34(5):34-36.

[13] 盛曉強(qiáng),王作雷.超大型船舶定點(diǎn)錨泊矢量線航法及操縱[J].航海技術(shù),2014,35(2):4-6.

Design and Application of the Dynamic Display System for Ship Boundary Zone

MA Jian-bin, LI Jiang, WANG Bai-lin

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

In order to improve the safety of ship sailing in restricted waters, a dynamic display system of ship’s boundary zone is developed based on Visual Basic language, considering the channel space occupied by ships and the tendency of motion of ship in real time. This system is tested by the berthing and handling experiments with the practice teaching ship of Dalian Maritime University, the experimental results show that the system has a certain guiding significance for controlling the ship in restricted waters, avoiding collision and preventing grounding.

Visual Basic; boundary zone; restricted water; collision avoidance and ship handling; grounding prevent

2016-04-10

2016-04-29

交通運(yùn)輸部海事局科技項(xiàng)目(14400003N010，80714003)

馬建斌(1991—)，男，碩士生

U675.9

A

1671-7953(2016)04-0145-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.034

研究方向:交通信息工程及控制；航海安全保障

E-mail:macrisy@sina.com