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摘要
本研究的重点是综合桥梁系统中的碰撞检测方法和碰撞风险评估，该系统考虑了复杂船舶操纵中的船舶状态不确定性。讨论了集成桥梁系统（IBS）中现代技术解决方案，以改善船舶关闭计数器下的导航安全性，并提出了可以提前检测潜在碰撞情况的船舶导航工具。基于碰撞或近距离碰撞情况下的两艘船遭遇，模拟和评估所提出的基于船舶相对距离的碰撞风险检测和量化方法。此外，通过扩展的卡尔曼滤波器估计相对导航轨迹，相对航向速度矢量和一个船舶相对于另一个船舶的相对方位矢量。然后，使用相应的航向速度和相对方位矢量来检测和量化船舶之间的碰撞风险。因此，所提出的碰撞风险检测和量化方法可以在现代集成桥系统（IBS）中实现，其中可以检测在碰撞情况之前的船舶之间的潜在风险并且这也是电子导航的重要部分。
关键词：碰撞风险检测和量化船舶碰撞避免 电子导航 智能运输系统 集成桥系统
1 绪论
1.1导航技术
船舶位置，速度，加速度和航向分量的估计精度是导航系统预测其未来位置和标题以及提高航行安全性的重要部分。历史上，相对于太阳，月亮，星星和其他环境参考（即地面掩模，河岸等）观察这些导航参数。现代技术有助于在陆地，空中和海上运输系统中实现各种复杂的导航要求（即复杂的机动），其中集成各种导航信息源（即全球和机载）以获得所需的准确性，完整性，可用性和连续性条件这是需要的。值得注意的是，现代技术进步已在各种土地和空气运输系统下广泛实施，以满足近年来复杂的航行要求。
关于这些技术进步，海上运输仍在发展中，并且人类操作员仍然提供相当多的导航功能（即推进控制，发动机控制，导航预测和防撞）。这些不充分的导航功能还可能损害在拥挤的海上航线和复杂的船舶操纵（即港口航行，矿山狩猎，钻井，管道铺设，海上补给，潜水支持，疏浚和动态定位）下各自作业的海洋条件。值得注意的是，一些港口和海上作业（即港口导航，电缆和管道铺设，海上勘探和开采拖船作业，破冰作业和狭窄的内陆航行）需要1米到2.5米的导航精度。尽管这些操作中所需的安全水平通常可通过良好的船舶操纵，航海训练和安全程序的传统方法来实现，但在拥挤的船舶航线和/或变化的海况下的复杂船舶操纵中可能具有各种限制。
1.2。 船舶演习
需要将经验丰富的导航员长期放置在桥上以满足这些船舶的安全和操作要求（即避免潜在的接地，碰撞或近碰撞和天气受损的情况。然而，经验丰富的导航员总是在桥上放置可能不是一个现实的方法，报告的数据显示75-96％的海上事故和伤亡是由各种人为错误引起的。因此，经验丰富的船舶导航员也可能做出错误的决定，导致人员伤亡和船舶结构故障。此外，这些船舶结构故障可能导致各种环境灾难，例如2002年在英吉利海峡的南北航运路线附近的船只Tricolor和Kariba碰撞，1999年的Erika，2002年的Prestige和2012年1月Costa Concordia。适当的导航决策在船舶碰撞和近距离碰撞情况中发挥重要作用，这些决定最终可以转化为船舶路径规划方法的碰撞避免行动。因此，船舶应执行相应的航向和速度变化（即碰撞避免动作），以减少这些近距离遭遇中的碰撞风险。然而，这些行为也可能受到导航员的直觉和他对船舶遭遇情况的感知的影响，其中相应的碰撞风险也可能被错误地量化。通常，在极端导航情况下（即碰撞和近碰撞情况）下的人类行为可能有助于增加相应的碰撞风险。例如人类直觉引导降低船舶/车辆速度以避免碰撞和近碰撞情况，并且这可能不适用于许多船舶遭遇情况，其中船舶的减速也会降低其转向可控性。此外，相应的导航约束和路由方案可以进一步强制船只执行近距离操纵，其中相应的碰撞风险进一步增加。应该注意的是，即使在经验丰富的导航员的情况下，不充分的可控性，即船舶中的航向改变动作不足也可能导致碰撞或接近碰撞的情况。通过船与船之间的相互作用力和力矩，以及由于船之间的紧密接近导致的导航和通信仪器故障，可以进一步增加这些船遇到的相应碰撞风险。这种情况经常被归类为“陷阱现象”，在被封闭的水域中近距离导航，这导致了几起报告的海上事故，例如2005年海德公园的船只，在圣劳伦斯河（加拿大运输安全委员会）的疏浚渠道，1988年加尔维斯顿湾的费加罗和卡马格事故船只，以及1996年G. Ordzhonikidze和Lt.Argosy在圣劳伦斯河。因此，应保持适当的船速，以便在近距离遇到的情况下保持足够的船舶可控性，以提高航行安全性。应该注意的是，船舶导航员也可以采取其他措施来改善船舶在某些情况下的可控性。即，在传统的船舶航行中，备用发动机功率应该可用于改进船舶在“前进”情况下的可控性（即，应用全舵并利用短而大的发动机功率）以立即克服船舶转向故障。然而，这些情况（即船舶转向故障）应该非常谨慎地处理，而船只从深水到浅水，或反之亦然。通常，通过在船遇到情况之前执行一组预定义的导航规则和规则作为导航员的碰撞避免动作，可以减轻碰撞风险。在这种情况下，导航器应该适当地量化碰撞风险有足够的时间来做出最合适的决定（即船舶航向和速度变化）以避免相应的船舶碰撞/近碰撞情况。这种碰撞风险量化过程应独立于船舶遭遇情况的个人感知（即个人经验），其中应导出船舶之间避免碰撞的一般导航规则和规则。此外，还应在相关船舶之间分配量化的碰撞风险信息，以提高他们对船舶遭遇情况的认识。应该注意的是，在这些情况下，仅人为推理的改进可能无法达到所需的导航安全水平。因此，本研究提出了一种基于距离的风险检测和量化方法，用于潜在的船舶碰撞情况和复杂的船舶操纵，这是该研究的主要贡献。
2.电子导航
2.1。全球视野
需要一个全球视野来开发一个国际协作通信网络，通过整合各种导航信息源（即全球和船上）来改善海上运输的安全性。然而，这种协作网络不能从其基础构建，因为各种导航平台已经在航运业中实施。因此，应该采用现有的导航平台来实现这种协作网络的愿景，其中包括船舶和岸基当局之间的交通信息，这可以提高航行安全性并提高航运的运营效率。
这一全球视野被国际海事组织（IMO）和国际灯塔管理局协会（IALA）称为“电子导航”。本框架提出了现有导航技术与智能决策支持能力的实现之间的整合，以及海上运输中人为主观因素的局限性。应该注意的是，电子导航被分类为用户驱动的概念，而不是现阶段的系统驱动概念，由IALA制定：
通过电子手段统一收集，整合，交换，展示和分析船上和岸上的海洋信息，以加强泊位到泊位导航和相关服务，以确保海上安全和保护以及保护海洋环境。
这可以被视为一个战略愿景，由全球政策框架组成，该框架由IMO航行安全（NAV）和无线电通信与搜索救援（COMSAR）小组委员会建立。此外，最初还委托挪威沿海行政当局协调各种相关方案。此外，许多独立研究小组还致力于电子导航的许多相关主题，以开发和实施现有和未来的导航技术（即船上，岸上和其他通信元素）。然而，这种电子导航愿景将重新评估，以消除发展冲突，并恢复船舶导航技术进步中错失的机会。该过程中的第一个主要挑战（即电子导航）是通过考虑核心导航系统和传感器以适当的格式集成可用的导航技术。第二个主要挑战是发明可以支持的新技术电子导航的愿景。应该注意到，电子导航的概念仍处于部署阶段，也可能受到未来技术进步的影响。因此，电子导航概念最终可以在航行中重新定义“导航员的全部责任”。这一概念下的好处可以详细说明：增加导航安全性，协作船舶交通情况意识，改进交通监控设施和降低运输成本。建议将电子导航试点项目作为海洋电子公路（2013），以改善海上运输的航行安全和保障。这包括船上和岸上传感器和系统，用于在马六甲和新加坡之间的船舶航线上传达导航信息，促进印度尼西亚，马来西亚和新加坡各州海洋和沿海环境保护的可持续发展。此外，电子导航概念还通过各种正在进行的项目进一步说明：“Ef fi cienSea”和“MonaLisa”。电子导航的一个重要部分包括将船舶导航信息转换为决策支持功能，因此在这些项目中也考虑了信息表示和情况评估功能。
2.2。集成桥系统
综合桥梁系统（IBS）可被视为电子导航的主要焦点，其中船舶导航中的相应信息源（即全球和船上）应适当地集成。然而，电子导航中提出的措施最终可以在相对于航海者决策的碰撞和近碰撞情况下的各种复杂船舶操纵下进行评估。因此，应该提供最好的机载导航工具，以影响导航员对这些高风险情况的认识，从而提高海上运输的安全性，同时应引入现有IBS的进一步改进。因此，本节介绍了本IBS技术的概述。一般而言，IBS由两个独立的网络组成：导航和自动化系统，满足分类学会的要求和这些独立的网络
可以提高各种故障情况下的系统生存能力。导航系统可以包括雷达，康宁和ECDIS（电子海图显示和信息系统），自动驾驶系统和其他相关传感器。自动化系统可以包括用于与各种发动机室操作相关的发动机和推进控制系统的动力管理结构。舱底和压载控制，HVAC以及报警和监控系统的附加单元也可以是自动化系统的一部分。船舶雷达和ECDIS系统已被广泛用于检测IBS中船舶之间的碰撞风险（即碰撞和近碰撞情况）。常规雷达系统由ARPA（自动雷达绘图辅助）功能提供便利，该功能在电子海图显示中提供附近船只的范围和方位值的准确信息，并具有额外的目标跟踪设施。现代康宁展示包括船舶位置，航向，速度，方向舵，螺旋桨，推进器，生态探测器，风和路线信息以及导航灯的状态，以提高海上运输的安全性。应该注意的是，ECDIS用电子图表取代传统的纸质地图，这些图表由复杂的数字显示组成，为导航员提供全面的环境信息（即岸上信息，船舶信息和水文信息）。这些电子海图旨在满足国际海事组织（IMO），国际电工委员会（IEC）和国际水文组织（IHO）定义的导航要求。雷达和ECDIS系统通过自动识别系统（AIS）和远程识别和跟踪（LRIT）系统得以实现，两个系统都能够传输船舶识别和导航信息（即位置，航向，转弯率等）。 在船舶和岸上海事当局之间。此外，这些AIS和LRIT信息通常由船舶交通监控和信息系统（VTMIS）共享，也可用于检测船舶之间潜在的碰撞情况。因此，IBS还应与VTMIS和交通分离计划（TS等）合作，以提高海上运输的航行安全性，可以电子导航的另一个重要步骤。 TSS建立在各种各样的拥挤的水方式减少了相当多的碰撞/近碰撞情况。 VTMIS被建议作为高密度海上交通区域的有效本地船舶监测机制，船舶被告知船舶交通，碰撞风险，航行困难和气象及环境危害，以管理港口或水道内的船舶航线。但是，这些外部安全系统（即VTMIS和TSS）受到各种当地和国际海事规则和法规的严格监管。尽管如此，这些导航设备（即GPS，AIS，LRIT，VTMIS和TSS）部分地帮助船只在近距离接触中评估碰撞风险，但是在IBS下尚未广泛开发适当的碰撞检测设施。因此，这一要求在电子导航框架下得到了强调，并被说明为克服了海上运输中的碰撞风险。相信碰撞风险检测和量化（即碰撞碰撞风险）方法可以在电子导航的实施阶段发挥重要作用，并将进一步提高海上运输的导航安全性。因此，这些方法可以用于评估近距离遭遇情况之前的船舶之间的碰撞风险，并且可以通过改善情况意识将信息作为潜在船舶碰撞（即NAVDEC系统）的自动解决方案呈现在IBS中。同样，本研究建议评估船舶近距离碰撞情况下的碰撞风险，并通过自动决策支持设施支持电子导航的全球视野，并在IBS下进行适当的信息陈述和情况评估。
3.碰撞风险
3.1。最近的研究
电子导航战略的一个重要部分包括减少船舶航行错误，这也可能降低船舶之间的相应碰撞风险，最终防止航运事故和各自的海洋污染。因此，应开发适当的数学概念，以检测近距离遭遇船舶的相应风险。用于检测船舶碰撞风险的数学模型在最近的文献中被分为两大类：最近点法（CPA）和预测危险区域（PAD）法。 CPA包括计算两艘船之间的最短距离，并评估一艘船（即船舶域）相对于另一艘船的碰撞风险。然而，这种碰撞风险评估方法在某些船舶导航情况下会降低，因为它无法考虑船舶之间的大小，航向和速度变化。 PAD方法包括将一个船只的可能轨迹建模为倒锥形，将其他船只可能轨迹建模为倒置圆柱体。两个物体的交叉区域被分类为各个船舶的预测危险区域，并且船舶之间的有限尺寸，航向和速度变化可以集成到该方法中。然而，在两种方法中通常都假设恒定的船速和航向条件，因此导航条件的瞬时变化（即导航参数变化）不能结合到这些方法中。此外，通过采用有限的导航条件，例如在确定状态和参数行为（即恒定的船速和航向条件）下沿直线路线移动的船舶，简化了这些方法。尽管这些假设可适用于其他运输系统，但海上运输通常可能涉及各种非直线机动，而船舶转向不足属性以及由于海况变化引起的随机状态和参数行为。此外，在最近的文献中还提出了用于检测船只间碰撞风险的各种统计分析。在这些方法中，船舶碰撞情况通过若干概率分布与先前船舶碰撞的统计数据进行分类。然而，先前的船舶碰撞数据可能为未来的船舶碰撞/近碰撞情况创造一个不合理的基础，因为近年来船舶结构，操作程序，导航和通信技术有了显着的改进。
3.2。导航挑战
在船舶近距离遭遇情况下，船舶导航员面临各种导航挑战，其中应当适当地评估相应的碰撞风险。一般而言，船舶导航员通过观察附近其他船只的相对方位来监测碰撞/近碰撞情况;船舶的相对轴承不变通常会导致碰撞/近碰撞情况。然而，这种测量（即相对方位）会降低某些导航情况下船舶之间碰撞风险评估的准确性，因为复杂的船舶操纵会给相对方位计算带来额外的挑战。即，当两个船舶处于转弯循环型机动时，一个船舶相对于另一个船舶的相对航行轨迹可以是复杂的船舶航线，并且在该相对方位计算下该行为可能不可见。此外，碰撞风险评估还可能因附近也可能在附近的船只而变得复杂。
因此，本研究提出通过考虑提出的碰撞检测和量化方法下的以下条件来克服这些导航挑战，这也可以在IBS下实施。首先，AIS和GPS信号（即船只位置）与已知的传感器噪声和/或系统误差相关联，因此通过适当的估计算法可以进一步提高各个船只的位置精度。其次，船舶在变化的海况下操纵，其中相应的船舶状态与随机行为（即系统噪声）相关联。第三，通过实时监测过程观察船只中的过程和速度值的变化。应该注意的是，这些条件是所提出的碰撞检测和量化方法的一部分，并且在近距离碰撞情况下创建逼真的船舶导航条件。
3.3。碰撞风险评估
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