CN110377037A - 一种开阔水域船舶应急避碰系统 - Google Patents

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廖秉军
赵庆爱
胡巨胜
胡井波
周学仁
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

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Abstract

本发明涉及一种开阔水域船舶应急避碰系统，包括：获取模块，用于获取所有安全的航向区间；优选模块，用于从所有安全的航向区间中选择出符合要求的区间；决策执行模块，控制船舶在选出的符合要求的区间内航向。本发明能够对航向区间的安全性进行充分评估。

Description

一种开阔水域船舶应急避碰系统
技术领域
本发明涉及船舶应急避碰技术领域，特别是涉及一种开阔水域船舶应急避碰系统。
背景技术
船舶避碰遵循“瞭望-判断-行动-核查”这四个主要步骤，通过对多起船舶碰撞事故的研究与分析，发现80％以上的碰撞事故都是由于人为疏忽造成的，而人为疏忽往往出现在“瞭望”和“判断”这两个步骤，尤其是在开阔水域，更容易因为航行环境的影响引起疏忽从而造成碰撞事故。由此可见，通过现代化的设备及技术手段降低人为疏忽，是减少碰撞事故的有效措施。
一般将船舶避碰分为自由行动、碰撞危险、紧迫局面和紧迫危险等四个阶段。其中第四个阶段紧迫危险的研究很少，这是由于紧迫危险下船舶的应急行动是为了减少船舶的损失，其行动效果评价不能以船舶是否安全避让为标准，其效果会受到外部环境、两船的相对位置和距离、初始会遇角度等多重因素影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种开阔水域船舶应急避碰系统，能够对航向区间的安全性进行充分评估。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种开阔水域船舶应急避碰系统，包括：获取模块，用于获取所有安全的航向区间；优选模块，用于从所有安全的航向区间中选择出符合要求的区间；决策执行模块，控制船舶在选出的符合要求的区间内航向。
所述获取模块包括：碰撞圆形成单元，用于根据两船的速度和距离建立碰撞圆，其中，所述碰撞圆是指两船所有可能碰撞点的集合；碰撞点形成单元，用于延长两船的航向线，两条航向线与所述碰撞圆相交的点作为可能碰撞点；安全指标区域形成单元，根据两船各自的可能碰撞点确定安全指标区域；安全航向区间形成单元，根据船舶的速度设置搜索起点航向线，并结合安全指标区域得到安全航向区间。
所述碰撞圆形成单元在建立碰撞圆时，以一艘船的位置为坐标原点，则另一艘船的位置坐标为(-a,0)，碰撞圆的圆心为半径为其中，k为位置坐标为(-a,0)的船与位置为坐标原点的船的速度比。
所述安全指标区域形成单元以潜在碰撞的最大可能点为圆心，以最小安全会遇距离为半径形成圆形区域。
所述安全航向区间形成单元对于两船中速度较快的船以航向线脱离碰撞圆的航向作为初始起点航向线，将初始起点航向线以船舶所在位置为中心向远离碰撞圆方向旋转至两船中速度较慢的船的安全指标区域边界，此时航向线脱离安全指标区域边界的区间即为安全航向区间；对于两船中速度较慢的船以平行于两船中速度较快的船的航向作为初始起点航向线，初始起点航向线以下的区域均为安全航向区间，初始起点航向线以上的区域，以船舶所在位置为端点，向两船中速度较快的船的安全指标区域在碰撞圆内的边界做射线，两条射线所包围的区域即为安全航向区间。
所述优选模块通过综合因素评价的方式判断各个安全航向区间的优劣性，其中，对于两船中速度较快的船或速度相同的两船考虑的因素包括：转向和转向幅度；对于两船中速度较慢的船考虑的因素包括：转向、转向幅度、是否可能发生不协调航向区间以及是否过艏线。
所述决策执行模块对于两船中速度较快的船将航向设置在使两船中速度较慢的船在正横后的航向区间内，对于两船中速度较慢的船将航向设置为最大CPA航向。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能够对航向区间的安全性进行全面快速的评估，并能去除一些不符合要求的航向区间，从而能够实现最有利的避碰方案。
附图说明
图1是本发明的结构方框图；
图2是本发明中获取模块的结构方框图；
图3是本发明中构建的碰撞圆示意图；
图4是本发明中形成的安全指标领域示意图；
图5是本发明中搜索起点设置示意图；
图6是本发明中安全航向区间示意图；
图7是本发明中快速船最有助于避碰的航向执行示意图；
图8是本发明中慢速船最有助于避碰的航向执行示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种开阔水域船舶应急避碰系统，如图1所示，包括：获取模块，用于获取所有安全的航向区间；优选模块，用于从所有安全的航向区间中选择出符合要求的区间；决策执行模块，控制船舶在选出的符合要求的区间内航向。
如图2所示，所述获取模块包括：碰撞圆形成单元，用于根据两船的速度和距离建立碰撞圆，其中，所述碰撞圆是指两船所有可能碰撞点的集合；碰撞点形成单元，用于延长两船的航向线，两条航向线与所述碰撞圆相交的点作为可能碰撞点；安全指标区域形成单元，根据两船各自的可能碰撞点确定安全指标区域；安全航向区间形成单元，根据船舶的速度设置搜索起点航向线，并结合安全指标区域得到安全航向区间。
其中，碰撞圆形成单元在建立碰撞圆时，如图3所示，令船舶B所在位置为坐标原点，船舶A所在位置的坐标为(-a,0)，可能碰撞点P的坐标为(x,y)，碰撞圆方程为：(k2-1)(x2+y2)+2ax-a2＝0，则碰撞圆的半径为圆心坐标为
设船舶A到可能碰撞点P的距离为S1，船舶B到可能碰撞点P的距离为S2，则令S1/S2＝k。S1即为船舶A在一定时间t内的航程，S2即为船舶B在同一时间t内的航程。S＝V*t，代入S1/S2＝k，得VA/VB＝k。当k＞1时，表示船舶A的速度快于船舶B；k＝1时，可能碰撞点P的集合是AB连线的垂直平分线；当k＜1时，即为船舶A与船舶B快慢互换，原理相同。
如图3所示，船舶A是快速船，位于碰撞圆外，船舶A的航向线与碰撞圆的交点可有2个；船舶B是慢速船，位于碰撞圆内，船舶B的航向线与碰撞圆的交点有且只有1个。其中，两船航向线与碰撞圆的交点即为可能碰撞点。
如图4所示，所述安全指标区域形成单元以潜在碰撞的最大可能点为圆心，以最小安全会遇距离(该数值需要根据船体特性和环境因素而定)为半径形成圆形区域，其需要根据本船和来船的速度和目标船的速度以及到达CPA点的时间计算得到。
所述安全航向区间形成单元根据快速船、慢速船、等速船的特点，设定搜索起点，加快算法收敛速度，更切合于经验丰富的驾驶员的决策过程。
如图5和图6所示，对于两船中速度较快的船以航向线脱离碰撞圆的航向作为初始起点航向线，将初始起点航向线以船舶所在位置为中心向远离碰撞圆方向旋转至两船中速度较慢的船的安全指标区域边界，此时航向线脱离安全指标区域边界的区间即为安全航向区间(即图中阴影部分)。对于两船中速度较慢的船以平行于两船中速度较快的船的航向作为初始起点航向线，初始起点航向线以下的区域均为安全航向区间(即图中阴影部分)，初始起点航向线以上的区域，以船舶所在位置为端点，向两船中速度较快的船的安全指标区域在碰撞圆内的边界做射线，两条射线所包围的区域即为安全航向区间(即图中阴影部分)。
所述优选模块对得到的安全航向区间进行筛选，体现为各个具体航向区间影响因素的评价权重，根据权重优选评价高者即为应采取的最合理措施。鉴于快船、等速船与慢船的不同特点影响因素不同。对于快船和等速船影响因素应包括：转向(包括右转或左转)、转向幅度。对于慢速船，其影响因素应包括：转向(包括右转或左转)、转向幅度、是否可能发生不协调航向区间、是否过艏线。通过综合因素评价各个安全航向区间的优劣性，具体的评价方式按照如下优先级排序：1)避碰规则；2)根据直航船和让路船的不同的场景；3)在上述都无法满足避碰的情况下的应急处理<该处理情况是根据来船的方向和速度>，可以得到更加贴近于经验丰富的船长的决策过程。
在应急避碰中，虽然采取了安全的航向区间，但由于双方的行动随时在发生变化，应不停观察双方态势，实时评估新的安全航向区间。随着局面的发展，无论何种原因导致没有能达到安全指标的航向区间时，应采取最有利于避碰的措施。本实施方式的决策执行模块即是根据这一原则进行对船舶的控制，其可设定初始没有安全航向区间时，输出最有助于避碰的行动；或初始有安全航向区间，并且已经执行，但随后的局面变化使安全航向区间消失时，输出最有助于避碰的行动。
在实时计算中，在这种不利条件下，安全航向区间也会逐步向这些航向区间收拢。其收拢方向也是有一定规律的。随着安全航向区间的逐步收缩，最后消失的部分即是最有助于避碰的方案。
如图7所示，快速船的安全航向区间在不利条件下，最后消失的部分是背离慢船方位线的航向，先是逐步向使目标船在正横以后的方向收缩，此时目标船在本船正横以后，虽然不能达到安全指标，但两船因速度差距离已经开始增大，已经消除了碰撞的可能性。因此无论是否达到安全指标，应将航向设置在使目标船在正横后的航向区间内。
如图8所示，慢速船在不利条件下，安全航向区间会逐步向使目标船达到最大CPA的方向收缩，该航向有且只有一个，并可以随着局面的变化而得到新的最大CPA航向。当慢速船输出该航向时，慢速船输出的航向是同向并远离快船航向线射线的角度偏差，可以增加会遇时间，并使使快船的安全航向区间增大，同时决策态势明显。
当两船接近到距离小于0.5海里，并且DCPA<0.1海里时，判断两船碰撞不可避免，此时应采取措施使碰撞损失最小。应采取尽可能擦碰并减速的措施。前期行动的效果会使得两船态势接近于同向，计算0.5倍速度时的MAX CPA航向，可使两船远离，形成可以近距离安全通过或擦碰的态势，尽量减小损失。
不难发现，本发明能够对航向区间的安全性进行全面快速的评估，并能去除一些不符合要求的航向区间，从而能够实现最有利的避碰方案。

Claims (7)

1.一种开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取所有安全的航向区间；优选模块，用于从所有安全的航向区间中选择出符合要求的区间；决策执行模块，控制船舶在选出的符合要求的区间内航向。
2.根据权利要求1所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述获取模块包括：碰撞圆形成单元，用于根据两船的速度和距离建立碰撞圆，其中，所述碰撞圆是指两船所有可能碰撞点的集合；碰撞点形成单元，用于延长两船的航向线，两条航向线与所述碰撞圆相交的点作为可能碰撞点；安全指标区域形成单元，根据两船各自的可能碰撞点确定安全指标区域；安全航向区间形成单元，根据船舶的速度设置搜索起点航向线，并结合安全指标区域得到安全航向区间。
3.根据权利要求2所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述碰撞圆形成单元在建立碰撞圆时，以一艘船的位置为坐标原点，则另一艘船的位置坐标为(-a,0)，碰撞圆的圆心为半径为其中，k为位置坐标为(-a,0)的船与位置为坐标原点的船的速度比。
4.根据权利要求2所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述安全指标区域形成单元以潜在碰撞的最大可能点为圆心，以最小安全会遇距离为半径形成圆形区域。
5.根据权利要求2所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述安全航向区间形成单元对于两船中速度较快的船以航向线脱离碰撞圆的航向作为初始起点航向线，将初始起点航向线以船舶所在位置为中心向远离碰撞圆方向旋转至两船中速度较慢的船的安全指标区域边界，此时航向线脱离安全指标区域边界的区间即为安全航向区间；对于两船中速度较慢的船以平行于两船中速度较快的船的航向作为初始起点航向线，初始起点航向线以下的区域均为安全航向区间，初始起点航向线以上的区域，以船舶所在位置为端点，向两船中速度较快的船的安全指标区域在碰撞圆内的边界做射线，两条射线所包围的区域即为安全航向区间。
6.根据权利要求1所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述优选模块通过综合因素评价的方式判断各个安全航向区间的优劣性，其中，对于两船中速度较快的船或速度相同的两船考虑的因素包括：转向和转向幅度；对于两船中速度较慢的船考虑的因素包括：转向、转向幅度、是否可能发生不协调航向区间以及是否过艏线。
7.根据权利要求1所述的开阔水域船舶应急避碰系统，其特征在于，所述决策执行模块对于两船中速度较快的船将航向设置在使两船中速度较慢的船在正横后的航向区间内，对于两船中速度较慢的船将航向设置为最大CPA航向。
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