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1、探讨新的航海技术对船舶避碰自动化的影响 摘要：首先针对人为因素为船舶碰撞和搁浅触礁事故的主要原因这一事实以及国 内船员队伍的现状，论述了船 舶避碰自动化的必要性，指出船舶自动避碰是最终实现航海自动化的关键。重点 论述了船舶自动避碰的研究现 状、新的航海技术对避碰自动化将会产生的影响以及船舶避碰自动化亟待解决的 问题。 关键词：水路运输；船舶避碰自动化；探讨；船舶自动识别系统；电子海图显示 与信息系统；航海技术金羊网一羊城晚报（2002 年 04 月 18 日 17：31） 记者今天从广东省海上搜寻救助中心获悉，今年第季度我省船舶碰撞事故频发，成为海上安全工作 的主要问题。据悉，第一季度广东发生
2、的船舶碰撞事故达 13 宗，占整个海难事故的 3514。撞沉货船 4艘，渔 船 2 艘，死亡、失踪 8 人。中国日报网站消息：美国官员 5月26日说，一 艘驳船把阿肯色河上的一座大桥撞塌了，至少9辆 汽车掉入了河中，至少 12人困在车里面。个个碰撞事故不能不让我们震惊，船舶碰撞 搁浅触礁事故的发生，不仅造成了重大的人员伤亡、 巨额财产损失，而且对海洋造成的污染也不容忽视。 在碰撞的事故原因调查中，有 80以上是由于人为 因素造成的。船员不遵守国际海上避碰规则，思 想麻痹大意成了海上船舶碰撞事故频繁的主要原 因；而未校核船位、航路安排不当、判断错误和值班 人员失职是造成搁浅触礁事故的主要原因。解
3、决人为因素问题可以通过 2 个途径：一是加 强船员的技术培训及管理，提高船员的素质及责任 感；二是提高船舶的自动化程度，逐步实现航海自动 化。随着经济的发展，船员不长期从事航海这个职 业已成事实。由于航海是一种艰苦的职业，其特殊 的工作条件和环境，使得船员的流动性较大；另从航 海院校生源的状况看，经济发达地区几乎没有学生 愿意从事航海这个职业；再从学生的思想状况看，几 乎没有学生愿意把航海当作终身职业。如此现象， 必然导致船员海龄不高、驾驶员经验不足以及技术 不娴熟等问题。综上分析，随着科学技术的迅猛发 展，从技术上提高船舶的自动化程度，在决策和操作 上减少人的参与，减轻驾驶员的负担，逐步实现
4、船舶 避碰的自动化，这才是解决人为因素问题的根本办法。可见，新世纪航海自动化势在必行。1 航海自动化概况 随着自控理论、计算机技术、航天技术和传感器技术等高新技术的发展，船舶自 动化已经历了4个发展阶段，目前正处于第 5个发展阶段，即智能化船 舶的研究阶段。按传统习惯，船舶自动化系统主要 包括航海自动化、机舱自动化和船体自动化 3 部分 的内容，显然，航海自动化系统是船舶自动化的关键 及重要组成部分。11 航海自动化系统的基本构成与功能 从功能实现上考虑，航海自动化系统的组成部 分包括最佳航线编制系统、航向自动控制系统、自动 定位系统、自动避碰系统以及以电子海图为核心的 综合航行管理系统，如图
5、 1 所示，图中操船机构中的 主机遥控一般列为轮机自动化的范畴。 最佳航线编制系统的任务是根据运输任务、船 舶情况、环境条件等编制一条安全经济航线，包括计 划航向和航速，作为自动操纵船舶的参考输入量；航 向自动控制系统用于确保船舶沿着预定的计划航线 航行；定位系统用于连续、实时、自动地获取高精度 船位；避碰系统就是避免船舶间的碰撞和搁浅触礁 事故的发生。緣合瓠行 曾理系统图1航海自动化系统简图ft机 构航向总动 控制珮统住maieV综合航行管理系统根据各子系统的输入信息， 进行综合的分析、判断、比较和试验，最后作出保证 船舶安全、经济航行的最佳决策，并及时地输送到自 动驾驶系统的执行机构（即操
6、船机构），实施中央处 理系统的决策，同时通过显示器把必要的航行信息 显示出来，供操纵人员参考。12 航海自动化研究现状概要 航海自动化的发展，始自航海技术单元自动化， 例如自动操舵装置等；20 世纪 60 年代出现数据驾 驶台；进入 80年代中期，随着智能化船舶的研究，已 相继出现了具有一人值班集成驾驶台的船舶。德国ATLAS 公司生产的 NACOS552 就是当今一人值 班集成驾驶台的先进代表，下面以此为例简单分析 航海自动化的研究现状。、NACOS552 能够通过 CHARTPILOT 或 PCS （计划和咨询终端）输入航行计划或设计航线，由TRACKPILOT根据罗经、计程仪和GPS或D
7、GPS 获得的实际航向、航速和船位，按既定的航线、航向、航速、转向点及其转向半 径，自动地驾驶船舶沿着预 定的计划航线航行；当本船会遇来船，系统根据RADARPILOT 或 MULTIPILOT 的 ARPA （自动雷 达标绘仪）功能获得的来船运动要素，进行危险判断 及报警，以便驾驶员采取相应的避碰措施；当本船偏 离航线或接近碍航物、转向点时，系统根据预置的阈 值发出相应的报警，提醒驾驶员注意并采取相应的 措施；同时，航行中需要的各种航行信息可以直接显 示在显示器或通过检索查询方式从相关数据库中获 取。综上分析，当计划航线给定并输入系统后，在宽 水域正常航行条件下，NACOS552可以实现自动
8、 驾驶；在受限水域航行接近危险物或会遇来船时，系 统虽能发出相应的危险报警，但避碰决策的提出及 避碰操船均由驾驶员完成。显而易见，基于航海自 动化的基本功能，在计划航线给定的情况下，影响航 海自动化的最主要因素是避碰系统尚未实现自动 化。2 船舶避碰自动化是航海自动化的关 键为了区别船舶间的碰撞和船舶搁浅触礁问题， 以往人们通常把避免船舶间碰撞的系统称为避碰系 统，把避免搁浅触礁的系统称为避礁系统。实际上 避碰和避礁是不可分割的统一体，两个问题必须兼 顾才能确保船舶的安全航行，这里所指的船舶避碰 的含义是避免船舶碰撞和搁浅触礁二重意思。 21船舶避碰自动化研究现状 严格来讲，船舶自动避碰包括水
9、上与水下物标 信息源的自动采集与处理、避碰信息的处理与决策 的自动生成以及决策的自动实施等。作为航海自动 化系统的一个子系统考虑，决策的自动实施可由操 船系统来完成。近年来研究的热点是宽水域船舶避碰信息的量 化处理与决策的自动生成，关于避碰信息的量化包 括目标船运动要素和安全判据的量化、船舶碰撞危 险度的评价方法；关于避碰决策的自动生成问题，有采用模糊数学方法的、有采用神经网络方法的、有采 用专家智能技术以及多种智能方法的组合。如文献 3是采用专家系统原理和数理分析相结合的方法， 文献4是基于神经网络的复合避碰专家系统方法。 近年来的研究结果表明人为因素是船舶碰撞搁 浅触礁事故的主要原因，基于
10、这一事实，如果所有的 驾驶员都遵守国际海上避碰规则，经验丰富且尽 职尽责，就完全可避免人为因素造成的碰撞事故。 前面已经论证，依靠人自身是无法根本解决人为因 素的问题；研究结果表明，以专家智能技术为基础的 研究方法，可以较好地解决这个问题。例如基于文 献3的研究方法形成的宽水域多船避碰决策不仅 能模仿避碰专家的思维及习惯，而且能提出比避碰 专家更科学的决策。以专家系统为基础的人工智能 技术在船舶避碰系统中的应用，已基本上解决了在 开阔水域中的船舶的自动避碰决策问题。22 船舶避碰自动化问题综述 从上面的分析可以看出，虽然宽水域的船舶自 动避碰决策问题已基本得到解决，但性能上还有待 进一步完善；
11、而受限水域的自动避碰决策问题尚未 得到广泛而深入的研究，分析其原因实际上是水上 与水下物标信息源的探测及其可靠性等问题未能得 到根本解决的缘故。对水上物标信息源的获取长期以来一直依赖船 用导航雷达，船用导航雷达由于本身固有的局限性 使得水上物标信息源的可靠性问题一直成为制约自 动避碰研究进程的瓶颈。为了获取水下物标信息源，20 世纪 80 年代出 现了海上暗礁探测声纳，亦称水中雷达。利用其探 测船舶行进方向的水下碍航物距离，根据预置的安 全水深及最小搁浅触礁距离阈值进行搁浅触礁危险 判断及报警。由于其探测距离所限（大约在 1000 m 左右 ） ，以及自动避碰研究进程等原因，近年来还 没有看到
12、其在自动避碰研究中应用的例子。3 航海新技术将加快船舶自动避碰的 研窬讲程 为确保航行安全，近年来已相继出现了高精度 的GPS定位技术、ECDIS（电图显示与信息系统）和 GMDSS（全球海上遇险与安全系统），航海界人士称 它们为 20 世纪 90 年代航海技术的三大件。随后。 又出现了 AIS（船舶自动识别系统）和VDR（船载航 行数据记录仪） 。这些新的航海技术将会给自动避 碰的研究带来什么影响?针对自动避碰研究中遇到 的问题，下面着重分析AIS和ECDIS在系统研究中将会发挥的作用。31 AIS 在船舶自动避碰中将发挥的作用 人们在长期研究船舶航行安全保障技术中越来 越深刻地认识到船舶间
13、、船岸间相互交换信息及船 舶识别的重要性，同时也深感到相关的通信导航现 状存在着诸多局限性，AIS就是在这样的背景下产 生的。基于AIS的基本功能，它具有信息量大、绕 越障碍传输、抗天气影响和近距离目标显示等优越 性；但由于AIS提供了许多额外信息，值班者可能 被“信息过载”所累，而最重要的信息参数目标 相对运动来源于雷达；AIS可能发出错误的或混乱 的信息，错误的电子信息是随机的，并没有有效的检 错方法，还得靠驾驶员的良好船艺去判断、分析。 基于AIS的上述特点，其优点正好可以弥补雷 达的局限性，但由于存在的缺点以及并非所有船舶 和漂浮物均装有AIS，因此AIS还不能取代雷达，它 只能成为自
14、动避碰系统的动态信息源的传感器之利用其提供的丰富信息，作为导航雷达信息的辅 助信息源，从而增加信息源的可靠性和避碰信息的 科学性；此外它可以起到向目标船发送本船避让意 图的作用，即在自动避碰系统提出避让决策后，借助 AIS把产生的避让参数避让时机、避让幅度（改 向和或变速的幅度）恢复时机等发送出去，让装有 AIS的船舶及时了解本船的操船意图，以便采取协 调的配合行动，确保船舶间的安全避让。综上分析可知，AIS在船舶自动避碰研究中将 发挥的作用一是可增加信息源的可靠性和避碰信息 的科学性；二是可成为自动避碰系统传递避碰意图 的有效的通信设备。32海图信息数字化在船舶自动避碰中将发挥的 作用经过专
15、家学者十几年的努力，宽水域船舶自动 避碰决策的研究已取得初步成果，为自动避碰系统 的研究奠定了良好的基础；如何解决受限水域的自 动避碰将是研究的重点和热点。解决受限水域自动避碰的关键问题：一是静态 信息的获取；二是动态避碰信息与静态信息的有机 融合。关于静态信息的获取， 20 世纪 80 年代出现 海上暗礁探测声纳用于水下危险物标的探测。但由 于其探测距离所限等原因未能独立承担水下危险物 标的探测的任务。随着 20 世纪 90 年代海图信息数字化技术的发 展及其应用系统的开发研究，电子海图显示与信息 系统和声纳探测系统相结合，将成为解决获取避碰 静态信息源这一问题的新思路；将避碰决策模块嵌 入
16、 ECDIS ，利用 ECDIS 平台技术研究动静信息的交 换和处理方法，将是解决动态的避碰信息与静态信 息的有机融合问题的重要途径。综上分析可知，ECDIS在船舶自动避碰研究中将发挥的作用是为自动避碰系统提供有效而可靠的 静态信息源，同时为实现动态避碰信息与静态信息 的有机融合提供媒介。4 结语 航行安全的需要已促使航海自动化的研究发展 到当今的一人值班集成驾驶台，但航海自动化问题 仍未完全得到解决。显而易见，船舶避碰的自动化 是困扰航海自动化的主要因素，而新的航海技术给 船舶自动避碰的进一步研究创造了有利条件，并将 带来新的突破。为了使“航行更安全、海洋更清洁” 新世纪航海自动化势在必行，而船舶避碰自动化是 亟待解决的问题。
