摘 要：在分析了各因素对船舶碰撞危险度影响情况后，系统简化了计算，使其在嵌入式系统中可用，且仅对危机情况进行碰撞预警，从而辅助防止船舶碰撞事故的发生。
关键词：碰撞危险度；船舶避碰；嵌入式系统
船舶碰撞事故是航行安全的首害。据资料显示，长江干线1991年至2000年间船舶碰撞的事故数占总事故数的50%以上。随着水上交通管制电子系统(VTS)的应用，水上交通安全得到了极大改善，尤其在船舶航行线路上的天气水文等信息通报方面已比较完善，但是在船舶间碰撞警告方面则有所欠缺。目前通用的方法是按照国际间的一个统计数据[1]确定一个范围，设定的固定距离为2~4海里，此范围内有船则进行通告。经实际测试发现，由于航道上船舶数量很多，在整个航行过程中很大一部分时间终端系统均会进行碰撞警告，使得该功能实用性下降。为此，需要将不大可能相撞的船舶排除开，仅提醒那些在短时间内不改变航向便可能相撞的情况，以降低事故发生率。
由于本终端通过嵌入式系统实现，运算能力较低，计算量不能过大，从而影响了其他导航监控功能的正常运行。因此需要通过一种简单有效的计算方法得出一个较为可靠的评价。
1 影响船舶碰撞危险度的因素
船舶碰撞危险度可分为空间碰撞危险度和时间碰撞危险度。在实际的船舶避碰中，必须综合考虑两者对船舶碰撞的影响程度，即两者的合成碰撞危险度。影响船舶碰撞危险度的因素非常多，而且各种因素之间还存在相互制约。一般认为有下列主要因素：最近会遇距离(DCPA)、最近会遇时间(TCPA)、目标船方位、目标船舷角、本船航速、目标船航速、会遇时两船的航速比等。另外，目标船与本船的操纵性能、当时航行水域的能见度、水文气象情况、船舶密度等因素、船舶尺度以及船舶驾驶员的操船经验也是影响船舶碰撞危险度的重要因素。为了简化模型，仅考虑来船与本船构成的方位、距离、船速比、DCPA和TCPA。
1.1 DCPA和TCPA
在船舶避碰研究领域中，大多数专家学者都认为DCPA与TCPA是影响船舶碰撞危险度的主要因素。一般情况下，在分析DCPA对船舶碰撞危险度的影响时，不能与TCPA分开。TCPA是指由当前时刻到达最近会遇点的时间，TCPA值由会遇两船的距离、相对速度所决定，它描述了会遇局面的紧迫性。当DCPA小于一定数值时，TCPA越小，会遇船舶之间存在的碰撞危险越高，而当TCPA越大时，船舶间存在碰撞危险就越小。
另外，根据统计资料显示，当最近会遇距离DCPA处于某个范围时，其中一船认为可以安全通过，并且可能为了增大DCPA而采取了违背规则的向左转向行动，而另一船则根据规则采取了向右转向的避让措施，因此造成碰撞。通过大量的实际观测和调查问卷统计可得到船舶避碰行动随DCPA不同的不确定性分布。当DCPA值在0.5 nm～0.8 nm时，船舶采取避碰行动的不确定性较高，从而导致不协调碰撞发生次数较多，特别是当DCPA=0.6 nm时发生碰撞的可能性最大。因此，处于该种情况下的会遇船舶具有较高的碰撞危险。
1.2 目标船的相对舷角
船舶会遇是海上最常见的船舶交会态势，对其划分原则是根据国际海上避碰规则、航海习惯和自动避碰方法三者综合分析的结果。由两船的相对舷角互见中的两船可划分为对遇(F)、交叉相遇(A、B、E)和追越(C、D)几类会遇态势[2]，如图1所示。
对相对舷角为F、A、B区域的来船，本船为让路船；但对来自F、A区域的船，本船应采取向右转向避让操纵；对来自B区域的船，因与本船的相对舷角较大，可采用向左转向避让操纵；对相对舷角为E、D、C区域的来船，本船可视为直航船而不采取任何避让操纵，只有当出现紧近局面时，本船才采取避让操纵。
1.3 会遇两船的速度比
P为会遇两船的速度比，P=VO/VT，VO为本船航速，VT为目标船航速。与目标船相比，本船的速度越慢，P值越小，避碰界限就越宽；P值越大，避碰界限就越窄。这就意味着低速船必须先采取避碰行动且要求采取较大幅度的转向避让行动，以保证有较大安全距离通过。本船如果与目标船同速或低于目标船速，由于目标船的行动变化，便会出现不能避碰的领域。特别是在低速的情况下，如果没有对方的合作便不可能完全避碰。
相遇的两船就速度而论，本船的速度越大，即P值越大，在操舵时越有安全感；但是船速小到一定程度时，目标船安全感会增加，因为这时可以增加对方避让的效果，同时也增加对方的满意度。
2 船舶碰撞危险度的确定
在船舶避碰及避碰决策自动化系统研究中，碰撞危险度的确定十分重要。它不仅是船舶会遇局面划分和避让时机确定的重要依据，也是船舶避碰决策系统智能化设计与开发的重要环节。目前，有关船舶碰撞危险度的确定，已在国内外众多专家、学者的共同努力下，提出了许多构建思想和方法，并认为最根本的因素莫过于两船会遇时的DCPA与TCPA[3]。这里，以来船与本船构成的方位(B)、距离(D)、船速比(K)、最近会遇距离(DCPA)和最近会遇时间(TCPA)为参数，给出来船与本船构成的碰撞危险度估计。
设UDCPA、UTCPA、UD、UB、UK分别为目标船的DCPA、TCPA、距离、方位和航速比危险隶属度，且属于[0，1]，则目标船的碰撞危险度表达式为[4-6]：
其中，d1、d2为船舶碰撞距离和注意距离，根据图1 取值为：
上述模型反映了本船与目标船不同的会遇态势时的碰撞危险度。通过设定危险度的阈值范围，便可有效去除危险度较低的船。
3 系统实现及测试
本终端采用ARM9体系结构MCU搭配GPRS通信模块和GPS定位模块，主频200 MHz。采用嵌入式终端代替以往的PC机终端，更适应船舶航行的恶劣条件，安全性和可靠性得到了提高，且降低了设备成本。但采用嵌入式设计方案，运算能力较PC机有所下降，使得各种信息计算不能过于复杂，本实现方案通过GPS模块获取本船的位置、航向、航速等信息，再通过GPRS模块与服务器进行通信，上报本船获取的GPS信息，同时通过服务器获取本船周围4海里范围内的其他船只的GPS信息，如图2所示。
如此便能直接获取模型中需要的各种初始数据，无须进行复杂计算以及随之带来的误差，且精度较高。同时因模型中各危险隶属度计算公式均采用前人研究成果中较简单的计算公式，所以计算量小，在进行此计算时不会消耗太多MCU资源。
通过实际测试，在4小时的航行过程中，原来的系统50%以上时间处于提醒附近有船状态，而改进后整个过程中仅提醒10次，且大部分为中途停靠码头时产生。
作为一个嵌入式船载导航监控系统，仅仅起到的是辅助作用，大部分时间船员均凭自己的经验进行驾驶，如果系统在危险度较低时便进行提醒会使得此功能因提醒过于频繁而被船员忽略。因此，本系统中改为采用危险度的评判方法且在危险度很高时才提醒船员，从而真正达到提醒的目的，避免船员因一时疏忽造成不可挽回的错误。
参考文献
[1] 郑中义，吴兆麟.船舶避碰行为的统计和分析.中国航海学会海洋船舶驾驶委员会论文集，1995-1997：94-97.
[2] 郑中义，吴兆麟.船舶最佳转向避碰幅度决策模型.大连 海事大学学报，2000，26(4)：5-8.
[3] 蔡存强.国际海上避碰规则释义.人民交通出版社，1996.
[4] 史国友.航海模拟器中DCPA、TCPA的算法.大连海事大学学报，1999，25(3).
[5] SHINYA N，KUNIJI K.A study on the safety assessment of marine traffic.The Journal of Japan Institute of Navigation，1994，92：101-111.
[6] DAVIS P V，DOVE M T，STOCKET C T.A computer simulation of marine traffic using domains and arenas.The Journal of Navigation，1980，33(1)：206.