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基于导航的海上合作避碰：MTCAS方法
摘 要
最近的事故统计数据显示，海上每年严重和非常严重的事故都在不断增加。在不久的将来，变通密度预计会变的更高，而可能会进一步促进交通事故的增长。在为期3年的MTCAS项目中，来自工业界和学术界的合作伙伴通过开发基于电子导航系统的促进主动预测和合作防撞研究，这减少事故做出了贡献。MTCAS是海上交通警报和避碰系统的缩写，它暗示了采用机载避碰系统（ACAS）实施TCAS的基本思想。然而，MTCAS的运营原则是在考虑到环境和交通普遍情况的同时，检测和解决与其他船舶的冲突，帮助船舶航行驾驶台上的官员进行监测，同时包括相关规则和条例，水深测量与船舶交通服务（VTS）。与TCAS不同，MTCAS不会自动干预发出转向指令，而且还支持海员合作寻找安全有效的轨迹，这与TCAS的基本目的完全不同-创新点。本文对TCAS与MTCAS进行了对比研究，并对结果进行了讨论。
关键词：避碰；海事TCAS；船舶交通服务系统；轨迹优化；船舶动力学；弹性位置；导航和定时（PNT）
一、介绍
以现有的事故风险和增加的成本，弥补事故的多种后果和越来越复杂的人类操作员必须
在强大时间压力下进行管理，这需要海上交通警报和防撞系统（MTCAS）。众所周知“大约90%的世界贸易是由航运业进行的”【1】，因此航运可能会影响我们世界经济的规模。
在货运和客运能力方面，新建船舶规模不数断增加的趋势似乎导致了事故风险的严重程度，从当前事故统计数据可以看出与海事事故增加的相关性（见图1）
图1根据劳埃德海事情报组（LMIU）列出的大于500GT船舶严重和总船舶损失的数据
虽然“碰撞”仅是事故统计中七个类别中的一个，但至少来自船体损坏和地面类别的样本（如海滩）可能会被计入事故预防措施中。
图2 严重船舶损失（船舶gt;500GT）
在不久的将来，预计会有更高的交通密度，其中包括进一步的离岸活动，如风电场的安装，可能需要重新考虑现有的路线系统，但也限制了航行空间。在为期3年的MTCAS项目中，来自工业界和学术界的合作伙伴尝试通过开发用于主动，预测和合作防撞的电子导航相关辅助系统来促进减少事故。
缩写MTCAS代表海上交通警报和避碰系统，这意味着采用机载避碰系统（ACAS）的基本思想【2】将TCAS实施到海事领域已经进行了多次【11】，并且已经研究和讨论了侧重于改善船舶航行驾驶台上警报情况的概念方法【17】【18】。
然而，海事TCAS试图通过在考虑到实际和未来交通状况，船舶状况和船舶的情况下检测和解决冲突，协助船舶航行驾驶台上的监督官员（OOW）来扩大TCAS的操作限制。环境以及1972年“国际海止避碰规则”（COLREs），水深测量，船舶交通服务（VTS）覆盖范围和其他要素的相关规则。与TCAS不同，MTCAS的目的不是在发布转身指令方面进行自动干预，而是为了支持海员合作寻找安全有效的轨迹，其战略上的船上实施应避免冲突。此外，与航空中的TCAS一样，海事系统的目的是通过在所有其他措施都失败的情况下触发警告来作为最后一道防线。警告应表明需要立即采取行动，以避免即将发生碰撞的最后一次操作。
本文的其余部分按如下顺序排列：首先简要概述技术系统，属于电路板导航设备，和VTS岸边系统都有一些确定的缺点。在相关工作中，作者概述了学术界目前的方法学领域，克服了项目中提出的缺点。最后，作者介绍了MTCAS的一般方法，并讨论了与TCAS的区别。
二、当前避免碰撞的选择方法，避免碰撞是导航过程的主要任务
在船驾驶台和VTS上，船长，引航员和操作员努力提高海上运输的效率和安全性，因此，使用通常选择的技术（导航）手段，本节简要介绍了这些手段。
自动雷达绘图辅助（ARPA）
ARPA是一种绘图辅助工具，其功能包括检测和跟踪雷达覆盖的附近其他船只。在现代桥梁上，通常配备有组合导航系统（INS），雷达/ARPA信息（通常与自动识别系统AIS一起提供）被集成到电子海图显示和信息系统ECDIS中。
图3 避免碰撞的方法（从左到右）： seachart / ECDIS上的AIS图，16频道上的VHF，具有ARPA功能的雷达
对于避免碰撞雷达提供基本的运功预测，这些预测通常是基于矢量的最接近点的计算，此时到达船只的距离（CPA）以及到达最近点的时间（TCPA），这意味着一个不变的过程和速度方法。
自动识别系统(AIS)
AIS是一种基于VHF的系统，用于交换静态，动态和航行相关的数据，例如船舶之间以及船舶与岸基站之间的导航和船舶数据。对于这些，AIS是一种用于交通监控的手段，例如通过已建立的VTS系统。自“国际海上人命安全国际公约”（SOLAS）修正案引入以来，根据国际海事组织提供的时间表，商业船队不断配备这项技术。好处是永久交换数据和使用标准化格式和内容。动态数据包括例如船舶位置（经度，纬度）地面航线（COG）和地面速度（SOG），并且由船舶的机载定位设备或内置的全球导航卫星系统（GNSS）接收机确定。对于这两种情况，不保证通过AIS传输的这些数据的完整性。AIS的非突出缺点是例如可能因用户的关键错误和缺乏安全性而被滥用。
海上移动服务（MMS）
根据国际电信联盟的说法，MMS是“海岸电台和船舶电台之间，或船舶电台之间或相关的机载通信电台之间的移动业务，救生艇站和紧急位置指示无线电信标站【3】。通过语音进行的站间通信存在参与者之间不准确的情况转发的风险，因为英语是许多人的第二语言，语言障碍可能妨碍传达关键信息，
三、相关工作
MTCAS将结合最新的通信和信息技术（ICT），以及当前最先进的船舶水动力行为建模和模拟，轨迹规划，VTS技术和现代定位，导航和定时（PNT）。
船舶动力学建模
船舶的水动力特性和环境条件决定了它的可操作性。这些特征例如受到船体形状，尺寸和螺旋桨/发动机类型以及诸如水/波浪和空气/风的主要环境条件的影响。船舶特性和环境条件都是现代数学模型的一部分，用于机动时水动力特性的数值模拟。这些计算结果可以促进轨迹规划【4】
轨迹规划
船舶导航在使用航路点的（战略）航程规划和在微观层面上使用机动点的战术机动计划之间存在差异，其中需要设置控制。
航行计划通常由船员在出发前结算。在操作层面，负责的OOW通过调整舵或自动驾驶仪来启动转弯来执行操纵，在战术层面，决策是在运营层面实施战略。这是机动性和环境可以在安全性和效率方面的运营绩效的杠杆。
利用进化算法可以找到考虑船舶和环境的行为倾向方法和神经网络轨迹。与路线相反，轨迹描述了船舶随时间的移动。它定义了船舶实际所在位置，例如5分钟。通过上述技术，可以找到单船优化解决方案。为了找到全球最优的轨迹，最近已经开发了协商方法【5】，并将其纳入海事TCAS。
VTS技术
最近在VTS系统原型中实现了对预期行为的偏差的检测。欧洲研究和开发项目EfficienSea及其后继者在海上交通管理的集中概念领域取得了进展。VTS通过MMS唯一可用的时间可能很快就会被超越。随着项目等正在进行的活动COSINUS,VTS-Systems通过数据链路集成到船舶之间的自动路线交换中。这是岸边AIS和雷达接收的补充，它专注于船只的航迹历史中，并丰富了今天通过VHF传达的目的地公告的质量。路线交换和轨迹交换之间的区别有所不同。
弹性定位，导航和定时（PNT）
每当碰撞避免作为生命安全的关键应用应该基于绝对定位，那么问题就出现了，如何在船上实现PNT数据的弹性提供。由于GNSS在电离层干扰，干扰和欺骗方面的脆弱性，因此考虑联合使用其他系统（地面备用系统）和其他车载传感器。在ACCSEAS项目中，评估了e-LORAN, R-Mode或绝对RADAR定位等备份系统。在海止交通工程项目中，DLR开发了一种海上综合PNT系统概念【15】【16】。在这个独特概念的框架中，在船上，基于传感器融合的PNT单元负责提供PNT数据。该PNT单元集成了板载传感器的所有可用位置速度和定时PVT和导航数据，以提供最佳的PNT输出数据。作为一种新可能，PNT单元不仅可以提供PNT输出数据的最佳估计，还可以提供基于精度估计的完整性信息。在项目研究中，将结合船舶动力学，轨迹规划，VTS技术和弹性PNT的进步的潜在方法进行研究。
四、MTCAS方法
在船上，MTCAS将通过在危急情况发展时警告机组人员来协助避免碰撞，并建议对冲突的船舶采取规避措施。与TCAS相比，MTCAS不会自动干预发出转身指令，因此它可以无缝集成到船上的现今（法律规定的）操作中。但与此同时，MTCAS支持海员合作寻找安全有效的轨道，其机载实施（仅由海员）避免了碰撞。
MTCAS将在必要的设备和先进的传感器技术的基础上开发，如相关工作中所勾画的那样。此外，考虑到船上和VTS的人员的责任和互动，将开发和测试其在MTCAS周围的组织过程中的嵌入。MTCAS的发展基于四个核心概念，详述如下：
改善情境意识
MTCAS的一项重要贡献是通过提高关键交通状况的态势感知来提高安全性和效率。MTCAS的出发点是路线交换技术，是在COSINUS项目中开发的，旨在增强船上和岸上的协调态势感知能力。MTCAS将此技术集成用于冲突检测和规避。为了获得所需的操作精度，该技术将通过改进的完整性监控和船舶动力学交换得到扩展。可以交换轨迹和三级数据，而不仅仅是路线交换。三级数据可以是关于危险区域的信息，最新的当地规则和操作（例如疏浚活动），当前的测深和一般天气数据，这些数据被整合到危急情况的检测和逃避中。
上下文敏感的预测
考虑到当前的交通状况，并且还考虑船舶动态，MTCAS将提供船舶移动和短期交通进展的预测。这包括例如意图预测水道拓扑，水深测量，船舶目的地，规则和VTS信息，目的还在于减少误报。目前系统使用常规计算来触发警报，而MTCAS将通过考虑如上所述并在图4中描绘的附加信息来尝试改进那些算法。
图4
从技术上讲，这些信息将由机动预测和快速时间模拟FTS用于预测自己和其他船只的轨迹。因此，FTS考虑船舶及其环境的各种物理力和性质。其中一些用图5描述。交通和机动预测（每艘船上的）的分散计算被交换（船到岸离岸）并且通常协调和调整。因此，随着时间的推移，情况的局部概述被丰富直到形成完整的交通状况概述。
图5
n-轨迹优化
上下文敏感预测和改进的态势感知信息也被用作计算规避动作的输入。MTCAS将促进分散方法，每艘船计算自己和其他船只的机动能力，通过数据链路交换轨迹并协商安全有效的全局最优值。将计算并考虑未装备船舶的轨迹，MTCAS遵守监管规则，例如COLREG和当地规则。MTCAS监控与协商轨迹的一致性，并向船舶工作人员传达重要人分歧。在责任问题上：MTCAS为海员提供所有船舶的自动计算回避轨迹。但最终每个海员必须同意或拒绝回避建议。
图6给出了n轨迹优化的原理草图。
图6配备MTCAS和非装备船只（包括VTS）的n-轨迹的粗略草图。描绘了速度矢量（黑色）和优化的轨迹（绿色）。
图中描绘的情况显示了从东方来的船舶的港口略有改变。这样的操作将至少部分地补偿来自西方并转向右舷的船只的实质路线变化。
但是，不会向用户推荐违反COLREG的操作，但可能只是在考虑经济标准的情况下，通过复杂算法提供解决方案的详细研究的一部分。
分散的战略协调演习自动协商
MTCAS的目标是在船上和岸上进行分散式冲突检测，并在危急情况下安全有效地解决冲突。船舶的船长共同就一系列无冲突轨迹达成一致。因此，从技术上讲，MTCAS结合了博弈论和分布式决策的方法。博弈论基于冲突方的数学模型，它们作为智能和理性的决策者合作【7】。这是为了实现联合协议，也是通过有限的通信带宽，每个谈判参与者可以拥有私人知识，但在所有参与者中找到全球规避优化，必须接受或拒绝。在战略层面上，MTCAS将保证实时发现无冲突轨迹，并且船员始终可以了解冲突解决过程并将其纳入冲突解决过程。在机组人员拒绝一组建议在轨迹时，MTCAS努力建议包含用户输入的替代方案。在项目中，MTCAS的安全性将通过定性和定量的手段得到证实，以确保获得海上安全。
MTCAS-避免碰撞的最后防线
上述海止TCAS的功能和要素超出了当今使用机载防撞系统的范围。
航空防撞系统的原理和基本思想是为导航员提供两种类型的警报。
图7 ACAS的原理尺寸（改编自【21】）
一方面，所谓的“交通咨询”（TA）报告何时检测到所谓的入侵者并且在“警告区域”内。另一方面有如果在“警告区域”内检测到入侵者，系统触发“解决方案咨询”（RA）警报的最高紧急程度。
原则上可以触发两种类型的RA，即矫正RA或预防RA。校正RA需要传导离开飞行路径的机动，而预防性RA警报则建议维持当前的飞行路径。如果两个飞机中的飞行员都遵循给定的建议，则飞机以最小垂直间距300英尺通过，并且相应地避免检测到的碰撞。显然，只有当整体飞行管理的措施出于任何原因失败并且遇到两架飞机时，才会发生为些警报，这两架飞机预计会违反飞机周围明确界定的总体认可和接受的分离区域（更详细的技术说明））描述可以在【11】【17】中找到，讨论将在下一节中提供。
将航空原理应用于海洋领域包含许多挑战。首先，虽然海事领域有一个精心规划航行的系统，但没有协调船舶航行计划，要求对其他船只进行任何预先检查计划航线和时间表，并导致任何类型的航段许可。一方面，显然尚未被认为是将这种系统引入航运的迫切需要，因为通过解决每次船舶发生之前的冲突，可以确保航行安全。
即使在接近港口时船舶航线合并时交通流量变得更加密集的区域，并且
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资料编号：[450]
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