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1、大连海事大学硕士学位论文海上交通安全中船舶避碰决策技术研究姓名：程浩申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：张淑芳;胡青20090601摘要摘要船舶碰撞，不但会损坏船体，危及货物，甚至会造成船毁人亡，严重污染海洋环境。经过调查，发现大多数的碰撞事故都是由于航海者的疏忽、过失以及严重违反国际海上避碰规则所导致的。为有效减少因人为失误而引起的船舶碰撞事故的发生，保证船舶海上航行的安全，本文在对船舶避碰机理进行深入研究的基础上，设计并且实现了船舶避碰决策系统。主要研究内容包括以下几个方面：(1)通过研究有关船舶碰撞和避碰的资料文献，说明了进行船舶避碰研究的重要意义，并分析了船舶避碰决策及其技
2、术的研究现状。(2)结合国际海上避碰规则，对船舶避碰领域知识进行了分类和总结；在充分研究船舶碰撞过程的基础上，深入分析了船舶避碰机理。(3)探讨了船舶避碰参数的计算方法，尤其是船舶转向幅度与D C P A 和T C P A的关系，同时也给出了在船舶改变航速时，速度改变量与D C P A 和T C P A 的关系。(4)提出了船舶避碰决策系统的总体设计框图，并详细分析了其各个组成模块，其中重点分析了如何建立和设计船舶避碰知识库。(5)以V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 作为开发平台实现了基于海图显示的具有可视化人机界面的船舶避碰决策系统软件，并对系统的避碰决策过程进行了
3、模拟测试。测试结果表明该系统能对两船间会遇局面进行分析、判断，并且能给出合理的避碰决策，能有效解决船舶碰撞问题，提高海上航行安全性。本研究成果已经应用在大连海事大学导航研究所承担的交通部项目中，项目名称是“A I S；V T S 公网监控系统信息共享技术研究”，主要解决船舶安全监控的关键技术。关键词：船舶避碰；避碰知识库；决策系统A b s t r a c tA b s t r a c tI ns h i pc o l l i s i o na c c i d e n t s，t h es h i p sa r es e r i o u s l yd a m a g e d，t h e g o
4、 o d sa r ej e o p a r d i z e d，a n de v e nt h ep e o p l ea r ek i l l e do rh o r r i b l ym u t i l a t e d，t h es e ai se x t r e m e l yp o l l u t e d I ti sc l e a rt h a tl o t so fc o l l i s i o na c c i d e n t sa r ed u et ot h en a v i g a t o r Sn e g l i g e n c e，f a u l ta n da c
5、t i o n sf a i l e dt oa b i d eb yt h ei n t e r n a t i o n a lr e g u l a t i o n sf o rp r e v e n t i n gc o l l i s i o n sa ts e a(C O L R E G)T od e c r e a s et h es h i pc o l l i s i o na c c i d e n t sc a u s e db ym e n sf a u l t sa n da s s u r et h es a f t e yo fs h i p Sm a r i n
6、en a v i g a t i o n，t h i st h e s i sc o n d u c t sat h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l e so fs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e，d e s i g n sa n dr e a l i z e sad e c i s i o n-m a k i n gs y s t e mf o rs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e T h em a i nr e s e a r
7、c hw o r ki n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sb e l l o w：(1)B yr e s e a r c h i n gt h ed a t aa n dl i t e r a t u r eo ns h i pc o l l i s i o na n dc o l l i s i o na v o i d a n c e，e x p l a i nt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho ns h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e
8、，a n da n a l y z et h es t a t u so ft h ed e c i s i o n m a k i n gs y s t e mf o rs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e(2)C l a s s i f ya n ds l i mu pt h ek n o w l e d g eo nt h ef i e l do fs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c ei na c c o r d a n c ew i t hC O L R E G,a n da n a l y z
9、 et h em e c h a n i s mo fc o l l i s i o na v o i d a n c ed e e p l yb a s e do nt h er e s e a r c ho nt h ep r o c e s so fs h i pc o l l i s i o n(3)E x p l o r et h em e t h o do fc a l c u l a t i n ga l lp a r a m e t e r sa b o u tc o l l i s i o na v o i d a n c e，e s p e c i a l l yt h e
10、r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h i f tr a n g eo ft h es h i pa n dD i s t a n c eo fC l o s e s tP o i n to fA p p r o a c h i n g(D C P A)&T i m et oC l o s e s tP o i n to fA p p r o a c h i n g(T C P A)M o r e o v e r,t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a n g eo fs p e
11、e da n dD C P A&T C P Ai sg i v e n(4)P r o p o s et h eo v e r a l ld e s i g nd i a g r a mo ft h ed e c i s i o n m a k i n gs y s t e mf o rs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c ea n da n a l y z ee a c hm o d t：1eo fi t，e s p e c i a l l yh o wt os e tu pa n dd e s i g nt h es h i pc o l l i
12、s i o na v o i d a n c ek n o w l e d g eb a s e(5)U s i n gV i s u a lS t u d i o2 0 0 5，r e a l i z et h ed e c i s i o n-m a k i n gs y s t e ms o f t w a r ef o rs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c ew i t hf r i e n d l yv i s i b l ei n t e r f a c eb a s e do ne l e c t r o n i cc h a r t
13、A n dt a k eo u ts e v e r a ls i m u l a t i o nt e s t so nt h ep r o c e s so fd e c i s i o n m a k i n gf o rc o l l i s i o na v o i d a n c e I tt u r n so u tt h a tt h es y s t e mc a na n a l y z et h ee n c o u n t e r i n go ft w os h i p sa ts e a,a n di tC a no f f e rr e a s o n a b l
14、 ed e c i s i o n m a k i n gp r o p o s a l sf o rc o l l i s i o na v o i d a n c e，w h i c hc a ns o l v et h ec o l l i s i o np r o b l e me f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h en a v i g a t i o ns a f e t ya ts e a A b s t r a c tT h er e s e a r c hi su s i n gi nt h ep r o je c to ft h
15、 eM i n i s t r yo fC o m m u n i c a t i o n su n d e r t a k e nb yt h eN a v i g a t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fD M Ua n dt h en a m eo ft h ep r o je c ti s T h eR e s e a r c ho fA I S，V T S，a n dP u b l i c n e tM o n i t o r i n gS y s t e m SI n f o r m a t i o nS h a r i n gT e
16、 c h n o l o g y”，w h i c hm a i n l yr e s o l v e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fs h i p ss a f e t ym o n i t o r i n g K e yW o r d s：S h i pC o l l i s i o nA v o i d a n c e；C o l l i s i o nA v o i d a n c eK n o w l e d g eB a s e；D e c i s i o n-m a k i n gS y s t e m大连海事大学学位论文原创性声明和使
17、用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文=连土童适塞全主墅自自堡碰迭筮蕉丕婴窒：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：罂盔学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学
18、位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、中国学位论文全文数据库(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。不保密口(请在以上方框内打“”)论文作者签名：枝老导师签名：瓣琚嗍a 中，7 月午日海上交通安全中船舶避碰决策技术研究第1 章绪论1 1 课题研究的意义船舶避碰决策及其技术的研究是当前国际航海学术界的前沿课题。从七十年代末直至现在
19、，船舶避碰决策及其技术的研究一直受到国际国内航海学术界的高度重视，虽然取得了一定的进展，但也存在着很多问题，因此在“9 6 国际海上避碰会议”上曾提出，船舶自动避碰决策系统研究是今后十年乃至二十年航海技术研究领域的主攻方向之一【l】。然而，随着1 9 7 4 年国际海上人命安全公约1 9 9 5年修正案的出台，船舶避碰的决策问题日益受到国际社会的高度重视，同时也成为船舶自动避碰系统研究中的核心内容之一。船舶碰撞事故在各类水上交通事故中所占的比例高。如何有效地避免船舶间发生碰撞事故是确保船舶水上安全航行的重要环节，是驾驶人员在航行中的首要职责。关于船舶避碰的研究已经有了很长的历史，虽然取得了许多
20、成果，但到现在为止，在海上所有的交通事故中，碰撞事故数仍居于首位。美国百科全书曾指出【2】：在广泛使用雷达的前5 0 年，船舶碰撞所造成的航运灾难占2 3。根据日本1 9 8 8 年海事审判统训3】【4】，在1 9 8 5 1 9 8 7 年的3 年中，一共发生了6 6 1 起碰撞事故，涉及1 3 0 9 艘船舶，其中1 9 8 5 年发生了碰撞事故2 2 8 起，涉及4 4 6 艘船舶；1 9 8 6年发生了碰撞事故2 0 2 起，涉及4 0 2 艘船舶；1 9 8 7 年发生了碰撞事故2 3 1 起，涉及4 6 1 艘船舶。根据日本1 9 9 0 1 9 9 4 年海上事故统计【5】，碰撞
21、事故分别为1 8 8 0、1 7 0 5、1 7 9 8、1 6 4 9 和1 3 7 9 起，居海上各类事故之首。在我国，根据1 9 9 8 年1 月2 0 0 0 年1 2 月的上报给中国海事局的水上交通事故的统计【6】，船舶碰撞事故占海上总事故2 4 5 0 起中的1 1 9 7 起，约占4 8 8。根据2 0 0 3 年中国水上交通安全形势统计分析，全国一共发生了水上交通事故6 3 4 起，其中碰撞事故是事故发生的主要种类，以上数据足以说明研究船舶避碰决策及其技术的重要性。导致海上交通事故的人为因素已经引起了国际航运界的广泛关注。1 9 9 5 年国际海事组织通过了对(1 9 7 4
22、国际海上人命安全公约的修正案，即船舶营运安全管理规则(即I S M)，在大会的决议中明确指出：所有水上发生的交通事故，其第1 章绪论中8 0 与人为因素有关。在船舶碰撞事故中，除少数双方无过失碰撞之外，大多数的碰撞事故都是由人为失误所造成的，而船舶碰撞事故在各类海事中所占的比例最大，所以研究船舶避碰过程中操船者的思维过程、避碰行动以及提出较优或优化的避碰决策是很重要的，也是很有意义的。国际海事组织的许多决议，也要求并鼓励各国加强对人为因素以及如何控制人为失误的研究。因此，研究船舶避碰决策的目的正是为了控制避碰过程中的人为失误，从根本上减少由于人为决策失误所造成的碰撞事故。1 9 7 2 年国际
23、海上避碰规则(以下简称规则)在指导海上实际工作方面有一定的局限性。规则从宏观上规范了操船者的避碰行为，减少了船舶行为的不确定性和彼此间的误解，对避免船舶碰撞起到了指导作用。但需要指出的是：规则中只含有原则性的条款和规定，无法对具体的碰撞问题给出对应的避碰方案，而且船舶驾驶人员对避碰规则的理解也会有所不同。因此，对船舶避碰决策进行更深入的研究是很有必要的。决策论及其他交叉理论为船舶避碰决策研究提供了手段。2 0 世纪5 0 年代以来科学技术的迅猛发展，促进了决策科学的发展。2 0 世纪出现的信息论、控制论、系统论以及决策论等一系列交叉学科，为人类的决策活动提供了新的思想和方法论。其次，电子计算机
24、的出现又为人类的决策活动提供了定量分析的手段。最后，心理学、社会心理学在研究人类决策活动的心理因素和社会因素上取得了重大成果，从而使人们对决策活动中的人、物、机等各因素的作用有了比较全面的认识，对复杂系统的决策进行定性、定量分析也有了各种方法和手段，从而使决策科学逐步完善起来。本课题的研究意义可以总结为以下几点：(1)有助于船舶避碰决策技术的应用研究。(2)减少或避免因人的决策失误而造成的碰撞事故。关于船舶避碰决策系统的研究，是在人一机系统中，根据新技术在船舶上的应用，合理地确定人一机的工作比例，从而达到减少人为失误的目的；而避碰决策的研究，则从根本上减少或避免人为决策失误，也可为自动避碰决策
25、系统的建立打下基础。海上交通安全中船舶避碰决策技术研究(3)促进海上交通工程学的发展与完善。在海上交通工程学中，研究的是海上交通特定水域船舶行为的总体及运动的组合，因此，船舶避碰决策的研究在一定程度上促进海上交通工程学的发展。(4)加深对规则的理解及模糊术语的量化研究，为避碰规则的理解与完善提供依据。在研究船舶避碰决策系统的过程中，不可避免地要解决船舶行为的问题及规则中规定的某些术语的量化问题。如根据规则规定，当存在“碰撞危险”时，让路船在当时环境许可的情况下，采取的避碰行动应该是“大幅度的”、“及早的”并导致会遇两船在“安全的距离上通过，那么什么叫“碰撞危险”?“碰撞危险”如何量化?模糊术语
26、都需要在本课题中有所涉及，而在研究这些问题的过程中，又需要较为全面地总结、分析前入的研究内容，从而达到对避碰规则的理解与完善的目的。1 2 船舶避碰决策的研究现状航海技术的不断发展不仅提高了航海安全性，而且使船舶驾驶的自动化程度日益提高，但船舶驾驶的完全自动化并没有实现，其关键问题之一就是船舶自动避碰的实现。随着船舶速度提高、数量增加和吨位增大，船舶碰撞事故仍时常发生，船舶碰撞事故给国家和企业带来了巨大的经济损失，而且对环境造成极其恶劣的破坏，其损失更是不可估算的。因此，减少或避免碰撞事故已经成为世界各航海国家非常关注的问题，各国航海专家、学者对此都进行了大量的研究。1 2 1 国外船舶避碰决
27、策的研究现状自从有了船舶运输以来，人类对船舶避碰问题的研究就从来没有停止过。早先在帆船时代，人们就针对船舶操纵的特点研究了船舶会遇时相互避碰的技术，从碰撞事故中总结出经验和教训，提出了一些技术性的规则，并形成了会遇几何(又称之为避碰几何)的初步原理。为减少或避免因碰撞事故而造成的重大人命和财产损失，也为了在碰撞事故发生后能够判定出当事双方的法律责任，各航海国家相继制定了具有法律和技术规范双重性质的海上避碰规则。由于航海的国际化，1 8 8 9年第一个国际海上避碰规则出台并在1 9 1 0 年正式生效。之后的海上避碰研究主要是围绕对国际海上避碰规则的解释、应用以及修改进行的。随着船舶避碰设备如第
28、1 章绪论雷达、甚高频(V H F)、自动雷达标绘仪(A R P A)、船舶自动识别系统(A I S)和船载航行数据记录仪(V D R)等安装和使用，以及人们使用信息论、控制论、系统论和决策论的观点来研究避碰问题，船舶避碰决策研究向着更深更广的方向发展。关于会遇几何(即避碰几何)的研究，在2 0 世纪5 0 年代6 0 年代，西方一些发达的航海国家就已经开始运用避碰几何的方法，并对避碰规则中一些重要的定性概念进行了定量分析研究，很大程度上推进了船舶避碰数学模型的研究。避碰几何是避碰决策数学模型和避碰决策技术研究及其系统建立的基础，虽然这方面的研究己经取得了许多成果，但仍然需要进行更深入的研究。
29、在运用避碰几何研究船舶避碰的过程中，各国航海专家、学者发现了很多规律性的现象，并提出了许多重要的概念，如最近会遇距离(D C P A)、到达最近会遇距离的时间(T C P A)、动界【7 1、船舶领域等等，这些成果对于船舶驾驶员进行避碰操作具有实际的指导意义，也为避碰决策数学模型的建立和避碰决策系统的研究打下了基础。2 0 世纪8 0 年代以后，伴随着计算机技术快速发展，船舶避碰决策系统的研究步入了一个新的研究领域。日本东京商船大学研制出了一种全自动式避碰决策系统，该系统在推荐避碰决策方案的同时，能驱动船舶控制装置自动操纵本船【8】。英国利物浦理工大学研制出的实时航海知识库系统可以实时向船舶驾
30、驶员提出航行建测9 1。之后，各国航海专家、学者围绕着专家系统在船舶避碰领域的应用开展了许多研究工作。随着信息论、控制论和系统论等学科的发展，新的研究手段也不断地被引入到船舶避碰领域中，例如用神经网络的方法研究船舶避碰【l o】，主要是利用神经网络进行船舶碰撞危险度预测；采用模糊控制1 2 1 或者模糊专家系统【1 3】的方法、采用人工神经网络和模糊数学相结合的方法研究和建立自动避碰系统【1 4 1；采用动态规划理论设计船舶最优航线等等。虽然这些研究工作促进了航海技术的飞速发展，但目日i 尚未形成公认的、比较完善的系统，研究工作仍在继续进行中。1 2 2 国内船舶避碰决策的研究现状在我国关于避
31、碰决策的研究从7 0 年代就已经开始，经历了基于避碰几何方法对避碰行动进行定量分析研究、避碰决策数学模型研究、避碰自动化系统研究等几个阶段。在避碰自动化系统研究中，海军广州舰艇学院的王敬全教授研究出了海上交通安全中船舶避碰决策技术研究宽阔水域避碰专家系统【”】；大连海事大学的谢洪彬硕士对建立避碰专家系统进行了研列1 6 1；海军大连舰艇学院的杨宝璋教授对避碰自动化系统的性质、数学模型的建立及系统构成等进行了深入研究【1 7】；上海海事大学的刘宇宏博士根据多船会遇避碰决策的特点，提出了基于层次分析法的多船避碰模型【1 引。以上研究工作将会对今后在我国完善船舶避碰决策数学模型、实现船舶避碰自动化方
32、面起到促进作用。尽管国内外的航海专家、学者对船舶避碰决策数学模型及自动避碰决策系统的问题进行了比较深入的研究，但至今为止，在采用自动避碰的方法、数学模型的建立等方面尚未达成一致，能够真正应用于实船上的避碰决策系统还没有建立完善，已建立的避碰专家系统还没有经过较严格的实船试验。另外，许多新的航海技术如A I S、V D R、电子海图信息显示系统(E C D I S)等在船舶上的广泛应用，能为船舶提供更多的实时航行信息，如何有效地、合理地利用这些实时航行信息来协助船舶避碰还没有进行系统的研究。所以，船舶避碰决策及其技术研究还有大量的工作值得去做。1 3 课题的研究内容本课题的主要研究内容包括以下几
33、个方面：(1)说明本课题研究的意义，并对课题的研究现状作出分析；(2)分析船舶避碰领域知识，深入研究船舶碰撞过程以及避碰的机理；(3)探讨船舶避碰参数的计算方法；(4)设计船舶避碰决策系统的总体框图，并详细分析其各个组成模块；(5)以V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 作为开发平台设计基于海图显示的具有可视化人机界面的船舶避碰决策系统软件，并对系统的避碰决策过程进行模拟测试。本文共分为6 章，内容安排如下：第l 章：绪论。阐述本课题的研究意义、国内外的研究现状以及课题的主要研究内容。第2 章：船舶避碰分析。结合国际海上避碰规则，对船舶避碰领域知识进行分类和总结，并深入分
34、析船舶碰撞过程、避碰机理及碰撞危险度。第1 章绪论第3 章：船舶避碰参数的计算。探讨本文涉及到的船舶避碰参数的计算，并给出具体的计算方法。第4 章：船舶避碰决策系统的设计与实现。提出船舶避碰决策系统的总体设计框图，并对各个组成模块进行详细分析。第5 章：系统测试与结果分析。基于已设计的船舶避碰决策系统，对几种常见的两船会遇局面进行模拟测试，并对测试结果进行分析。第6 章：结论及展望。对论文内容进行总结，同时对本课题的研究前景作简要陈述。一6 一海上交通安全中船舶避碰决策技术研究第2 章船舶避碰分析船舶避碰领域是一个既要受到规则及其修正案的约束，又适用于船舶驾驶人员普遍做法的领域，即船舶避碰领域
35、知识既包括了法律性的规范，又包括了技术性的知识。船舶避碰问题的解决主要取决于对船舶避碰机理的正确认识，本章结合国际海上避碰规则，对船舶避碰领域知识进行分类和总结，并深入分析船舶碰撞过程、避碰机理及碰撞危险度。2 1 船舶避碰领域知识2 1 1 船舶避碰过程船舶在航行的过程中，当两船相遇时，避碰的一般过程主要包括以下五个部分【1 9】，如图2 1 所示：(1)发现来船，搜集船舶信息，确定来船的运动状态：(2)根据船舶信息及具体环境情况确定安全通过距离；(3)判断是否存在碰撞危险，是否需要采取避让行动；(4)确定避让方案和采取避让行动的时机；(5)确定复航时机及复航。在以上五个部分中，发现来船、搜
36、集船舶信息并确定来船的运动状态是避碰过程中信息的搜集和处理阶段，其余四个部分是判断船舶是否存有碰撞危险、是否需要采取避让行动以及采取何种避让方案的决策阶段。船舶驾驶人员通过视觉晾望和利用雷达、A R P A、A I S 等设备发现来船以后，收集来船的相关运动信息和航行环境信息，并对收集到的信息进行人工或自动分析处理。驾驶员根据分析处理后的信息判断两船是否可以安全驶过，如果可以安全通过，就不采取任何行动；如果不能安全通过，驾驶员就根据规则及当时的航行环境，确定两船处于哪一种会遇态势并明确避让责任。例如本船为让路船时，应判断采取何种避让行动；然后进行避让操纵直至船舶驶过让清为止，本船舶恢复原来航向
37、，本次避碰过程才算结束。第2 章船舶避碰分析图2 1 船舶避碰流程图F i g 2 1F l o wc h a r to fs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c e2 1 2 安全通过距离规则第八条第4 款明文规定：“为避免与他船碰撞而采取的行动，应能导致两船在安全的距离驶过。规定是规则对避碰行动效果的要求，意味着如果两船可以在安全的距离驶过，则不存在碰撞危险，也就不必采取任何避碰行动。这说明规则将船舶能否在安全的距离通过作为判断是否存在碰撞危险的必要条件，也作为判断是否需要采取避碰行动的必要条件。如果用D C P A s 表示安全通过距离，用D C
38、P A 表示两船的最小通过距离，即本船中心到目标船相对运动航向线的最短距离，那么便可以通过判断下面的式子是否成立来判断船舶能否安全通过。海上交通安全中船舶避碰决策技术研究D C P A D C P A s(2 1)根据航海经验【2 们，在海上天气晴朗、能见度良好的白天，两艘万吨级船舶的D C P A 不应低于I nm i l e；而在天气恶劣的情况下或者在夜间D C P A 应保持在2 nm i l e左右；在能见度不良的水域中，或者船舶利用雷达进行避让，两艘万吨级船的D C P A也不应小于2 nm i l e。很明显，这些数据的确定与可航行水域的宽度、能见度、天气及海况，以及船舶自身的尺寸
39、大小、操纵性能、本船与目标船的相对位置等诸因素都有一定的关系。安全通过距离是船舶驾驶员在实际避碰决策过程中对“安全”的理解的一种外在表现，其大小与驾驶员的心理因素、本船自身条件(如船长、速度、操纵性能等)、外界条件(如通航密度、会遇形式、水文地理、天气情况等)以及他船情况(如船长、速度)密切相关。因此，在确定安全通过距离时必须综合考虑到以上因素的影响，使得设定的安全通过距离符合船舶驾驶员的一般做法，如果安全通过距离的值设定得过大，浪费了航程，不经济；但如果过小，又不利于航行安全。那么怎样才能满足以上的要求呢?为此，海上交通工程学中对船舶领域进行了研究，且为安全通过距离的确定提供了一种可行的方法
40、。船舶领域的概剁2 最早是由日本学者藤井弥平于1 9 6 3 年在研究一条水道的交通容量时所提出的。藤井将船舶领域定义为绝大多数后继船舶的驾驶员避免进入前一艘在航船舶周围的领域，并通过在日本海域上进行多次交通调查和统计分析研究，建立了日本水域的船舶领域模型。该船舶领域模型定义为以船舶(被避让船舶)为中心，长半轴沿船舶首尾线方向，短半轴沿船舶正横方向的一个椭圆。大船的船舶领域尺寸的数值分别为7 倍船长和3 倍船长，并在通常的航行条件下，被追越船的船舶领域尺寸数值分别为8 倍船长和3 2 倍船长，当航行在需要减速的港口附近和狭窄的海峡时，船舶领域尺寸减d,N6 倍船长和1 6 倍船长，如图2 2(
41、a)、(b)所示。第2 章船冉自避碰分析图2 2 日本沿海水道中的船舶领域模型F i g 2 2S h i pd o m a i nm o d a li nc o a s t a lc h a n n e lo fJ a p a n七十年代藤井将船舶领域的概念介绍到欧洲，英国学者G o o d w i n 在北海南部水域进行海上交通调查，并在伦敦城理工学院雷达模拟器上做避碰试验，对开阔水域即大海情况下的船舶领域模型进行了研究。G o o d w i n 证实了船舶领域的存在，并修改了船舶领域的概念，将其定义为一艘船舶周围的有效区域，该船舶驾驶员将他船和固定物体保持在该区域外面，并认为船舶领域是
42、任意一艘船舶保持航行安全所需的水域。G o o d w i n 认为规则对船舶避碰行为有一定的影响，所以船舶领域的几何形状不应该是对称的，所以G o o d w i n 根据对北海南部水域交通观测数据的研究，建立了开阔水域的船舶领域模型【2 2 1，将船舶领域按船舶信号灯的可见范围分成三个扇形区，如图2 3 所示。海上交通安全中船自向避碰决策技术研究2 4 7 图2 3 开阔水域中的船舶领域模型F i g 2 3S h i pd o m a i nm o d a lf o ro p e nw a t e ra r e a在藤井和G o o d w i n 提出船舶领域的概念并建立模型以后，英国
43、学者C o l d w e l l进一步研究了受限水域的船舶领域，将其定义为船舶驾驶员考虑到其他船舶的存在所实际保持的该船周围的有效水域，并将其应用于改进受限水域的航行安全上，建立了受限水域的船舶领域模型1 2 引。C o l d w e l l 建立的对遇局面下的船舶领域模型是中心船向左偏移的半个椭圆，而追越局面下的船舶领域模型是中心船位于该领域中心的椭圆，由此表明规则要求处于对遇局面下的船舶各自向右转向的规定对船舶的避碰行为产生了重大影响，证实了G o o d w i n 在建立不等扇形船舶领域模型时的假设。船舶领域的研究已经吸引了许多学者的关注，他们分别从不同的角度对船舶领域的大小、形状
44、和用途进行了研究。当前，船舶领域理论已经得到了世界航海专家、学者的一致认可，并广泛应用于船舶避碰、危险度评估、航道设计、航道疏浚的确定以及海上交通水域中离岸设施的建立等方面的研究。以上简单介绍了船舶领域的概念及其研究的基本概况，虽然以上给出的船舶领域模型有所不同，但他们都有一个相同点，那就是他们所提出的船舶领域的概第2 章船舶避碰分析念在本质上是相同的，即每一艘船舶的周围都存在着一片为保证船舶航行安全、避免发生碰撞事故所必需的有效水域。这与本文中所提出的安全通过距离的概念是一致的，所以可以采用定义船舶领域的方法来确定安全通过距离，并将船舶领域定义为围绕本船的一片水域，如果来船进入了该水域，则需
45、要采取避碰行动，领域半经可以作为保证两船安全驶过的最小距离。由此可见，船舶安全通过距离与船舶领域有着密切的联系，以船舶领域为基础，需要考虑领域边界模糊和船舶观测设备的观测误差。鉴于本文研究海上船舶避碰决策技术，故而采用G o o d w i n 建立的开阔水域船舶领域模型，如图2 3 所示，对于本船右舷O。1 1 2 5。的来船，安全通过距离设置为0 8 5 nm i l e；对于1 1 2 5。2 4 7 5。的来船，安全通过距离设置为0 4 5 nm i l e；对于2 4 7 5。3 6 0。的来船，安全通过距离设置为0 7 nm i l e。2 1 3 船舶会遇态势会遇态势是指船舶互见
46、中的会遇局面或者能见度不良时的态势，判断会遇态势是船舶驾驶人员确定所适用的规则条文进而确定避让责任以及应当采取何种避碰行动的重要依据之一，也是避碰决策系统研究的内容之一。当两艘船舶在能见度良好的情况中相遇时，规则将船舶之间的会遇态势主要分为三种：对遇局面、交叉相遇局面和追越局面，其划分如图2 4 所示。海上交通安全中船月自避碰决策技术研究对遇追越图2 4 船舶会遇态势F i g 2 4S h i pe n c o u n t e r i n gs i t u a t i o n s在船舶避碰决策系统中，为了满足避碰决策的需要，根据要建立的船舶避碰决策系统的特点和需求，并考虑到不同方位上来船避让
47、操纵的特点，将船舶之间的会遇态势详细分成以下7 种【2 4】：(1)对遇：根据规则中对“对遇局面”的规定，对遇局面是指两艘船舶在相反的或接近相反的航向上相遇构成碰撞危险的局面。即相对方位口，6。，且航向相差的范围在1 7 4。一1 8 6。之间。(2)右舷交叉：交叉相遇是指两艘船舶的航向交叉构成碰撞危险的局面，但是不包括“对遇”和“追越”中所涉及的两船航向交叉的情况，来船应该位于本船左、右舷6。一1 2 5。舷角的扇形范围内。根据船舶避碰的特点可以将右舷交叉分为大角度交叉和小角度交叉：1)右舷小角度交叉：来船相对方位口，为大于等于6。，小于6 0。的情况，即范围为6。口，6 0。2)右舷大角度
48、交叉：来船相对方位口丁为大于等于6 0。，小于1 1 2 5。的情祝，即6 0。5 口，1 1 2 5。(3)本船追越他船：根据规则的规定，追越是指本船位于前船正横后大于2 2 5。的某一方向上。构成追越，需要满足3 个条件：两船的相对位置是一船位于第2 章船舶避碰分析前船的正横后大于2 2 5。的任一方向上；两船之间的距离是一船能够看至0 i l l j-船的尾灯；后船的速度大于前船。当本船处于前船的11 2 5。诉 2 4 7 5。的方位之内为本船追越它船。(4)他船追越本船：指来船位于本船的相对方位在11 2 5。口r 2 4 7 5。之内，应满足追越的条件同上。(5)左舷大角度交叉：指
49、来船位于本船2 4 7 5。口，2 9 2 5。的相对方位之内交叉相遇的情况。(6)左舷小角度交叉：指来船位于本船2 9 2 5。口r 3 5 4。的相对方位之内交叉相遇的情况。以上会遇态势的详细划分，根据避碰几何的分析结果，按照图2 5 所示的方位确定船舶相遇时属于何种会遇态势。J 8 0。图2 5 船舶会遇态势细化F i g 2 5D e t a i lo fs h i pe n c o u n t e r i n gs i t u a t i o n s2 1 4 避让责任两船相遇构成碰撞危险时或者无法确定在安全通过距离上通过时，相遇的两船就要采取相应的避让行动，以达到消除存在的碰撞危险
50、或确保两船在安全通过海上交通安全中船舶避碰决策技术研究距离上驶过的目的。由于船舶种类繁多，操纵性能各异，会遇态势不一，因而要确保避让行动有条理地进行，事先必须明确规定会遇两船间的避让责任。碰撞时在两船之间发生的，为避免碰撞，双方都应负有一定的责任，为了明确避让责任，规则对避让责任进行了阐述，将避让责任划分为以下三种情况：第一，要求一船不应妨碍另船的安全通过；第二，一船应给另一船让路，另一船应保持速度和航向不变；第三，要求两船均应采取避让行动，两船负有同等的避让责任和义务。规则划分船舶间的避让责任主要根据两条原则，即船舶间的会遇几何关系和船舶间避让操纵能力的优劣。第一个原则就是根据船舶间的会遇态