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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，今年第一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，第一季度广东发生的船舶碰撞事故达13宗，占整个
2、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。一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
3、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
4、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
5、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。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
6、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DGPS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
7、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
8、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
9、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
10、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；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
11、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1000m左右)，以及自动避碰研究进程等原因，近年来还没有看到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ECD
12、IS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、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
13、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，它只能成为自动避碰系统的动态信息源的传感器之一，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
14、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
15、碰静态信息源这一问题的新思路；将避碰决策模块嵌入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。
