CN115995164B - 一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于分解船舶相对运动，采用逆向逼近迭代算法，包括步骤如下：根据本船的航行速度、航行环境和船舶载况，取得本船的操纵特征值；求取第一次相对运动图分解后目标船A₁’的坐标，即x，y，求取A₁’到目标船的相对运动线TH直线的距离d；迭代计算求取紧迫局面距离和最大转向角度，目标船的相对位置A₁’应该在相对运动线TH直线上，迭代计算结束，OA₁就是紧迫局面距离D_close，t₂时刻对应的旋回角度就是最大转向角度A_c；求取船舶碰撞距离D_collid的方法与求取紧迫局面距离D_close相似，最小安全会遇距离取0.5倍船长时的紧迫局面距离就是船舶碰撞距离。

Description

一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法

技术领域

本发明涉及海上船舶避碰领域，具体是一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法。

背景技术

船舶紧迫局面距离是指单凭让路船的行动无法与目标船在最小安全会遇距离驶过的距离。船舶碰撞距离是指两船会遇存在碰撞危险，单凭让路船的行动无法避免和目标船碰撞的距离。《1972年国际海上避碰规则》多次提及这两个概念，但均未对其大小和具体计算方法进行介绍。查阅相关文献，给出的船舶紧迫局面距离均属于大致的估算结果。也有文献资料显示：船舶紧迫局面距离也就是最晚施舵距离一般约为船长的12倍。绝大部分论文避开了近距离的船舶避碰模型算法，不涉及紧迫局面距离。

针对船舶紧迫局面距离模型和碰撞距离模型在研究船舶碰撞危险度和进行船舶避碰实践中十分重要，但至今还没有完全解决的问题，以及船舶转向避让过程中转向角度极值模糊的问题，亟需提供一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，以达到量化船舶紧迫局面距离和碰撞距离、提供近距离船舶避碰理论体系、保障船舶航行安全的目的。

发明内容

本发明提供一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方

法，以解决上述背景中提出的技术问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于，分解船舶相对运动，采用逆向逼近迭代算法，包括步骤如下：

S1、根据本船的航行速度、航行环境和船舶载况，取得本船满舵旋回运动的操纵特征值；

S2、从某时刻起，如t₁＝2分钟，则对应一个旋回转角如A_C1＝20度。求取第一次相对运动图分解后目标船A₁’的坐标，即x，y，公式如下：

(x,y)＝(D_s+R)(sin(C₀+A_c-π/2),cos(C₀+A_c-π/2))+R(sin(C₀+π),cos(C₀+π))+R_e(sin(C₀),cos(C₀))+V₁t(sin(C₁+π),cos(C₁+π))

式中，D_s为最小安全会遇距离；R为初始旋回半径；C₀为本船的航向；A_c为本船转向角度；R_e为滞距；V₁为目标船的速度；t为本船右满舵旋回A_c角度所用的时间；

S3、求取A₁’点到目标船的相对运动线TH直线的距离d；

S4、迭代计算求取紧迫局面距离和最大转向角度。求取的目标船的相对位置A₁’点应该在相对运动线TH直线上，如果A₁’点不在TH直线上，令t₂＝t₁+Δt，重复步骤S2、S3，进行迭代计算，Δt取0.025分钟或者更小，当d小于某一小值时，如0.001海里，表明该点在目标船T的相对运动线TH上，得到A₁点，迭代计算结束，OA₁就是紧迫局面距离D_close，t₂时刻对应的旋回角度就是最大转向角度A_c，紧迫局面距离D_close公式如下：

D_close＝(x²+y²)^1/2

最小安全会遇距离取0.5倍船长时的紧迫局面距离就是船舶碰撞距离。

在所述的步骤S1中，所述的特征值为本船长度L、速度V₀、航向C₀、到目标船的距离D，本船以海上定速做右满舵旋回，开始用舵时间定义为t＝0，可以求取滞距R_e、初始旋回半径R、本船转向角度A_c对应的时间t列表。

在所述的步骤S3中，所述的相对运动线TH直线方程为：

xcos(C₀₁+π)-ysin(C₀₁+π)+D_cpa＝0

所述的A₁’到相对运动线TH直线距离d为：

d＝x cos(C₀₁+π)-y sin(C₀₁+π)+D_cpa

一种船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法，其特征在于，如上所述的确定迫局面距离与碰撞距离的方法而形成的船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法。

一种船舶转向避让时碰撞距离的计算方法，其特征在于，如上所述的确定迫局面距离与碰撞距离的方法而形成的船舶转向避让时碰撞距离的计算方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结合船舶操纵性能和船舶会遇态势，给出了船舶初始旋回半圆的要素以及旋回角度的时间特性；通过相对运动图的分解和逆向逼近算法，得到船舶转向避让时紧迫局面距离和碰撞距离的数学模型，同时给出了船舶转向避让的最大转向角度；解决了船舶转向避让过程中紧迫局面距离和碰撞距离的数值表示的问题和转向角度极值的模糊的问题。

附图说明

图1为本发明的目标船相对于本船的运动示意图；

图2为本发明的本船旋回圈示意图；

图3为本发明的本船旋回角度A_c对应的时间t示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于分解船舶相对运动，采用逆向逼近迭代算法，包括步骤如下：

S1、根据本船的航行速度、航行环境和船舶载况，取得本船的操纵特征值；

S2、求取第一次相对运动图分解后目标船A₁’的坐标，即x，y，公式如下：

(x,y)＝(D_s+R)(sin(C₀+A_c-π/2),cos(C₀+A_c-π/2))+R(sin(C₀+π),cos(C₀+π))+R_e(sin(C₀),cos(C₀))+V₁t(sin(C₁+π),cos(C₁+π))

式中，D_s为最小安全会遇距离；R为初始旋回半径；C₀为本船的航向；A_c为本船转向角度；R_e为滞距；V₁为目标船的速度；t为本船右满舵旋回A_c角度所用的时间；

S3、求取A₁’到目标船的相对运动线TH直线的距离d；

S4、迭代计算求取紧迫局面距离和最大转向角度，目标船的相对位置A₁’点应该在相对运动线TH直线上，如果A₁’点不在TH直线上，令t₂＝t₁+Δt，重复步骤S2、S3，进行迭代计算，Δt取0.025分钟或者更小，当d小于某一小值时，如0.001海里，表明该点在目标船T的相对运动线TH上，得到A₁点，迭代计算结束，OA₁就是紧迫局面距离D_close，t₂时刻对应的旋回角度就是最大转向角度A_c，紧迫局面距离D_close公式如下：

D_close＝(x²+y²)^1/2

最小安全会遇距离取0.5倍船长时的紧迫局面距离就是船舶碰撞距离。

在所述的步骤S1中，所述的特征值为船舶长度L为190m、速度V₀为12.4节、航向C₀＝0°、到目标船的距离D为5海里，本船以海上定速做右满舵旋回，开始用舵时间定义为t＝0，可以求取滞距R_e为0.306海里、初始旋回半径R为0.245海里、本船转向角度A_c对应的时间t列表如下表所示，据此可以建立船舶最初旋回角度A_c和时间t的函数关系。

下表为本船转向角度A_c对应的时间t

图1为目标船相对于本船的相对运动图，O和T分别表示本船和目标船，目标船在点T处的方位为B，距离为D。本船与目标船的速度和航向分别为V₀、C₀和V₁、C₁；目标船相对于本船相对速度和航向分别为V₀₁、C₀₁；

从某时刻起，如t₁＝2分钟，则对应一个旋回转角如A_C1＝20°。从本船左正横OO₁’方向起，向船首方向度量角度∠O₁’OO₁＝A_c1，直线OO₁与最小安全距离圈交于Q’点；从Q’点起，沿着本船旋回运动的相反方向Q’A₃’A₂’，可以找到初始用舵点A₂’；再从A₂’起，沿着目标船运动的反方向A₂’A₁’，可以找到初始用舵时目标船的相对位置A₁’，于是，通过步骤S2中的公式，可求出A₁’坐标x，y；

T为目标船，相对运动线TH直线为目标船T的相对运动线，OH为最近会遇距离D_cpa，该值在图1上为负值，TH直线方程为：

xcos(C₀₁+π)-ysin(C₀₁+π)+D_cpa＝0

所述的A₁’到相对运动线TH直线距离d为：

d＝xcos(C01+π)-ysin(C01+π)+Dcpa

设目标船的速度为V₁＝9.9节，这时的船速比k_V＝0.8，最近会遇距离D_cpa取0，可以求出目标船位于不同方位B处的紧迫局面距离D_close和碰撞距离D_collid，以及对应这两个距离的船舶最大转向角度A_C1、A_C2等相关参数，如下表所示。

下表为k_V＝0.8,不同方位目标船的紧迫局面距离和碰撞距离以及最大转向角度。

一种船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法，如上所述的确定迫局面距离与碰撞距离的方法而形成的船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法。

一种船舶转向避让时碰撞距离的计算方法，如上所述的确定迫局面距离与碰撞距离的方法形成的船舶转向避让时碰撞距离的计算方法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1、根据本船的航行速度、航行环境和船舶载况，取得本船的操纵特征值；

S2、t₁＝2分钟时，则对应一个旋回转角如A_C1＝20度，求取第一次相对运动图分解后目标船A₁’的坐标，即x，y，公式如下：

(x,y)＝(D_s+R)(sin(C₀+A_c-π/2),cos(C₀+A_c-π/2))+R(sin(C₀+π),cos(C₀+π))+R_e(sin(C₀),cos(C₀))+V₁t(sin(C₁+π),cos(C₁+π))

式中，D_s为最小安全会遇距离；R为初始旋回半径；C₀为本船的航向；A_c为本船转向角度；R_e为滞距；V₁为目标船的速度；t为本船右满舵旋回A_c角度所用的时间；

S3、求取A₁’到目标船的相对运动线TH直线的距离d；

S4、迭代计算求取紧迫局面距离和最大转向角度，目标船的相对位置A₁’应该在相对运动线TH直线上，如果A₁’不在TH直线上，令t₂＝t₁+Δt，重复步骤S2、S3，进行迭代计算，Δt取0.025分钟或者更小，当d小于某一小值时，如0.001海里，表明该点在目标船T的相对运动线TH上，得到A₁点，迭代计算结束，OA₁就是紧迫局面距离D_close，t₂时刻对应的旋回角度就是最大转向角度A_c，紧迫局面距离D_close公式如下：

D_close＝(x²+y²)^1/2

最小安全会遇距离取0.5倍船长时的紧迫局面距离就是船舶碰撞距离。

2.根据权利要求1所述的一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于：在所述的步骤S1中，所述的特征值为船舶长度L、速度V₀、航向C₀、到目标船的距离D，本船以海上定速做右满舵旋回，开始用舵时间定义为t＝0，可以求取滞距R_e、初始旋回半径R、本船转向角度A_c对应的时间t列表。

3.根据权利要求1所述的一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于：在所述的步骤S3中，所述的相对运动线TH直线方程为：

x cos(C₀₁+π)-y sin(C₀₁+π)+D_cpa＝0。

4.根据权利要求1所述的一种确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法，其特征在于：所述的A₁’到相对运动线TH直线距离d的计算公式为：

d＝x cos(C₀₁+π)-y sin(C₀₁+π)+D_cpa。

5.一种船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法，其特征在于，如权利要求1～4任一所述确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法而形成的船舶转向避让时紧迫局面距离的计算方法。

6.一种船舶转向避让时碰撞距离的计算方法，其特征在于，如权利要求1～4任一所述的确定船舶转向避让时紧迫局面距离与碰撞距离的方法而形成的船舶转向避让时碰撞距离的计算方法。