基于船舶操纵性的近距离避碰动力支持系统外文翻译资料

 2022-01-04 21:28:02

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基于船舶操纵性的近距离避碰动力支持系统

王鑫，郑江刘，姚彩

大连海事大学航海学院，大连116026

文章信息

关键词：近距离状况、避碰支持系统船舶操纵性

摘要

本文提出了一种基于船舶操纵性的近距离碰撞避碰动力支持系统。采用碰撞避免参数动态计算模型，在船舶操纵时实时计算动态DCPA和TCPA。然后结合船舶操纵运动的数学模型，船舶操纵运动的控制机理和碰撞避免参数的动态计算模型，建立了防撞动力支撑系统。采用这种方法，所提出的系统能够消除在避免碰撞过程中忽视船舶操纵性的不足。此外，通过将近距离情况纳入拟议的防撞动态支持系统，应用模拟实例，包括近距离两艘船的三种遭遇情景， 以证明船舶机动性在避碰过程中的重要性和必要性。说明了拟议系统的优点和有效性。仿真结果表明，所提出的动态支撑系统是一种合理，有效，可行的避碰系统，特别是在近距离情况下。

  1. 引言

近几十年来，由于海上安全和环境保护，海上交通工程中的碰撞事故引起了广泛关注（Eleftheria等，2016).特别是，防撞系统被认为是防止船舶碰撞的可行方法（Tsou等，2010).通过多年的进步，许多海上避碰系统或/和模型取得了许多重大成果（Ahn等，2012;柴 等，2017; Goerlandt和Kujala，2014年;Goerlandt和Montewka， 2015;Goerlandt 等， 2015; 黄， 2002; 李和庞， 2013; 谭和 巴克纳尔， 2013 年;Xue et al。，2011;张等人，2015如自动防撞系统，决策系统等。例如，设计了一个包含专家经验的模糊防撞专家系统来解决碰撞问题（黄，2002); 针对不同的导航环境，提出了风险知情海上碰撞警报系统框架（Goerlandt等，2015)；根据“国际海上避碰规则”（COLREGs），在多船遭遇情况下研究了分布式防撞决策支持公式（张等人，2015)。

尽管如此，上述防撞系统仍然存在不足，即他们无法预测距离最近的距离如果船舶采取某种行动以避免碰撞，则采用接近点（DCPA）和到最近接近点的时间（TCPA），并且如果采取适当范围内的一系列动作，则指示DCPA和TCPA的变化趋势。在实践中，通常在导航员自己的判断下执行对另一艘船或障碍物的防撞操纵。因此，为了帮助导航员判断应采取何种行动和多大行动，应该研究能够指示整体以及实时DCPA和TCPA的防撞支持系统。此外，在近距离遇到船舶的情况仍然是海上避撞的一个重大而棘手的问题。原因在于世界上对“近距离情况”一词没有统一的定量和定性解释，到目前为止，COLREGs中也没有给出确切的定义。1972年国际海事组织（IMO）会议曾考虑过规定其开始适用的距离的可能性，但经过长时间的讨论后，决定无法量化这一距离。在接下来的几十年里，有几篇文献（卡希尔，1982年;Hilgert, 1983年; 国际海事组织（IMO），1981年;Perera 等， 2011; Tam等。， 2009;Tam and Bucknall ， 2010a ， 2010b；张和赵， 1991）对“近距离情况”一词提出了一些不同的解释，并研究了近距离避碰遭遇或危急情况。例如，根据COL-REGs，分别地提出了近距离遭遇船舶的碰撞风险评估方法和最优路径规划算法（Tam and Bucknall, 2010a, 2010a）。

然而，上述研究中缺乏对船舶操纵性的研究，即大多数上述研究忽略了船舶操纵性在避免碰撞过程中的影响。一般来说，船舶的机动性会影响船舶当操纵人处理或受外部环境干扰的能力的响应性能（洪和杨，2012).由于船舶的特点，如大惯性，时间延迟和非线性等运动。船舶机动性是船舶的安全性导航的一个重要而重要的问题，特别是在避免船舶碰撞时。以前的文章（Wang，1991）已经指出了一个近距离的情况适用取决于许多因素，包括船舶机动性。事实上，正如我们所知，船舶的机动性在防止碰撞过程中起着非常重要的作用基于前述描述的近距离情况。

据作者所知，目前还没有关于将船舶机动性应用于基于防撞系统（或模型）的近距离船舶遇到的船舶机动性的报告。因此，在近距离情况下避免碰撞需要进行深入分析，并且应该精确建模。

在上述观测的推动下，为了研究船舶机动性在近距离碰撞避撞过程中的影响，本文提出了一种基于船舶操纵性的近距离碰撞避碰动力支持系统。结合船舶操纵运动的数学模型，船舶操纵运动的控制机理和碰撞 避免参数的动态计算模型，建立了避碰动力支持系统。采用这种方法，所提出的系统能够消除在避免碰撞过程中忽视船舶操纵性的不足。此外，通过将近距离情况纳入拟议的防撞动态支持系统，应用模拟实例，包括近距离两艘船的三种遭遇情景，以证明船舶机动性在避碰过程中的重要 性和必要性。说明了拟议系统的优点和有效性。仿真结果表明，所提出的动态支撑系统是一种合理，有效，可行的避碰系统，特别是在近距离情况下。

本文的其余部分安排如下。第二部分简要地描述近距离情况的概念。第三部分简要介绍了碰撞避免动态支持系统。第四部分通过两艘船的三种遭遇场景模拟结果对近距离情况进行了详细介绍和分析。论文最后以第五部分结尾。

  1. 近距离的情况

2.1防撞程序的四个阶段

看到彼此的两艘船正在接近而没有改变罗盘方位时，因此当存在碰撞危险时，其中一艘需要由COLREG挡开。一般而言，每艘船的许可或要求行动可能分为四个阶段（Cockcroft和Lameijer，2011年):

(1) 在远距离，在存在碰撞风险之前，两艘船都可以自由采取任何行动。

(2) 当碰撞风险首先开始应用时，允许船舶需要采取早期和实质性的 行动以实现安全的通过距离，而另一艘船必须保持其航向和速度。

(3) 当很明显，公路船没有采取符合规则的适当行动时，备用船要求提供规则中规定的哨子信号，并允许其采取行动以避免单独 进行机动碰撞，但是动力驱动的船舶不得改变航向，以避免另一 艘动力驱动的船舶从她自己的左舷驶过。让步船免除了她的责任。

(4) 如果仅通过单独的运输船无法避免碰撞，则备用船舶必须采取此类措施以及最佳辅助以避免碰撞。

各个阶段开始适用的距离会有很大差异。对于在公海上涉及两艘动力驱动船舶的交叉情况，建议第二阶段的外部界限可能是5-8英里的量级，第三阶段的外部界限可能是2-3左右英里。

2.2近距离情况的概念

“近距离情况”一词首先在COLREGs国家规则8的（c）段中提出（国际海事组织 (海事组织), 2001年）：“如果有足够的海上空间，单独改变当然可能是最有效的措施，以避免近距离情况，只要它是及时制造，是实质性的，并不会导致另一个近距离的情况”。此外，第19条（d）和（e）段也提到了近距离的情况。然而，世界上对“近距离情况”一词没有统一的定量和定性解释，到目前为止，COLREGs中也没有给出确切的定义。

例如，在1982年，“近距离”的暂定定义表示为船舶周围的区域，如果接近的船舶成为主要船只，则单独接近船舶的行动无法避免与接近船舶 发生碰撞，突然和意外的课程变化（卡希尔，1982年)。1983年，德意志民主共和国航海和海事局将这一定义确定为“当两艘船只在能见度受限的情况下发生碰撞危险时，两艘船从两艘船上行驶的距离都会因撞车而停止”（希尔盖特，1983年)。此外，法官Sheen先生指出，“碰撞规则的结构旨在确保在可能的情况下，船舶不会到达有可能发生碰撞的近距离情况， 并且必须在没有时间的情况下作出决定为了正确的思考”。此外，“当两艘船如此靠近以至于单独一艘船所采取的行动不能导致避免碰撞时”的定义被提出为“近距离情况”（张和赵，1991年).

然而，由于各种原因，上述定义（或概念）是不精确的。特别是文献（王， 1991）指出，近距离情况是两艘遭遇船只之间的距离，当两艘船只如此靠近以至于单独一艘船所采取的行动不能导致在距离碰撞的安全距离处通过时无法避免一艘船最有效的行动。这个定义（或概念）已被大多数专家所接受，并在本文中使用。

“近距离情况”一词首先在COLREGs国家规则8的（c）段中提出（国际海事组织 (海事组织), 2001年）：“如果有足够的海上空间，单独改变当然可能是最有效的措施，以避免近距离情况，只要它是及时制造，是实质性的，并不会导致另一个近距离的情况”。此外，第19条（d）和（e）段也提到了近距离的情况。然而，世界上对“近距离情况”一词没有统一的定量和定性解释，到目前为止，COLREGs中也没有给出确切的定义。

例如，在1982年，“近距离”的暂定定义表示为船舶周围的区域，如果接近的船舶成为主要船只，则单独接近船舶的行动无法避免与接近船舶发生碰撞，突然和意外的课程变化（卡希尔，1982年)。1983年，德意志民主共和国航海和海事局将这一定义确定为“当两艘船只在能见度受限的情况下发生碰撞危险时，两艘船从两艘船上行驶的距离都会因撞车而停止”（希尔盖特，1983年).此外，法官Sheen先生指出，“碰撞规则的结构旨在确保在可能的情况下，船舶不会到达有可能发生碰撞的近距离情况，并且必须在没有时间的情况下作出决定为了正确的思考“。此外，“当两艘船如此靠近以至于单独一艘船所采取的行动不能导致避免碰撞时”的定义被提出为“近距离情况”（张和赵，1991年)。

然而，由于各种原因，上述定义（或概念）是不精确的。特别是文献（王， 1991）指出，近距离情况是两艘遭遇船只之间的距离，当两艘船只如此靠近以至于单独一艘船所采取的行动不能导致在距离碰撞的安全距离处通过时无法避免一艘船最有效的行动。这个定义（或概念）已被大多数专家所接受，并在本文中使用。

近距离情况首次应用的距离尚未以英里为单位，并且不太可能，因为它取决于许多因素（Cockcroft和Lameijer，2011年)。在能见度有限的情况下，在公海中，通常认为近距离情况开始应用在横梁前方任何方向至少2 n英里的距离，因为这是大型哨声的典型听觉范围。在静止条件下运输（见COLREG附件III（1）（c））。较小的距离，可能大约1英里，可能会被彼此看到的船只所接受。

此外，根据规则8的（c）段，改变航向通常比速度改变更有效，因为它可以快速生效，并且在视觉上和在另一艘船上的雷达上都很容易观察到。因此，单独改变足够的海上空间当然可能是避免近距离情况发生的最有效的行动，必须在适当的时间内进行改建，并且不应导致另一个 近距离的情况。鉴于上述观察，本文主要采取的避免碰撞的行动是改变。

3．防撞动态支持系统

3.1船舶机动运动的数学模型

舵角的数学模型delta;船上的航向角phi;表示如下（Yang and Ren,2003）:

其中K是转向质量指数，T是转向质量时间常数。被称为“螺旋测试”的实验表明H（phi;）可以是

其中alpha;，beta;是实值常数。此外，船舶的方向舵执行器动力学表达如下：

其中Te 是舵机的时间常数，Ke 是转向质量指数，delta;e 是舵机的有序角。

船舶操纵速度的数学模型可表示为（Yoshimura和Nomoto，1978):

其中V是船的速度，n是螺旋桨转，ann，anv是推力系数，avv，arr 和adelta;delta;是阻尼系数，表示为：

其中L是船的长度，d是船的吃水深度，D是直径船舶的螺旋桨，Ar是船舵区域，lp是船舶枢轴点与重心之间的距离，cm等于船体c的阻塞系数b，C1和C2是无量纲有效推力的参数，m0，m0x和m0y是船舶质量m的无量纲，纵向附加质量mx和横向附加质量my。

这里，m0，m0x，m0y，X0vv和X0delta;delta;表示如下：

其中rho;是水的密度，Rt是船舶在稳定直行时的总阻力，Ureo是稳定直行时的有效方向舵流入速度，falpha;(lambda;)是舵正常力梯度对开阔水域的攻角。

3.2 船舶操纵运动的控制机制

在基于PID控制器的控制系统中，舵偏转角delta;e由基于航向角误差的PID控制律控制e =phi;r-phi;，其中phi;r是所需的航向角，由下式表示（Le 等。， 2004):

其中Kp，Kd 和Ki 是PID控制器的设计参数，可以通过以下公式估算（Yang等，1999):

其中kn lt;kw 是设计参数，kw 是舵机的频率。

3.3碰撞避免参数的动态计算模型

一般而言，两艘会议船之间的DCPA和TCPA用于确定是否存在碰撞风险和/或评估两艘船的碰撞风险等级。船舶避碰的动态数学模型如下（杨，1995):

图1中显示了空间固定坐标系XOY，其中X，Y轴分别指向地球的东部和北部。在坐标系XOY中，本船的速度和航向角为Vo 和phi;o，点O为本船的中舰。类似地，Vt，phi;t和T表示目标船的速度，航向角和中间点。其中alpha;，beta;是实值常数。此外，船舶的方向舵执行器动力学表达如下：alpha;是目标船T的相对支承角相对于本船O.R被定义为本船O与目标船T之间的相对距离。因此，相对速度Vr和相对航向角phi;r通过几何图形获得。同时，垂直线OA的距离是本船和目标船之间的DCPA，并且相对速度Vr除以线TA的距离是TCPA。假设本船中船的初始位置位于原点O（0,0），本船与目标船之间的初始相对距离与目标船相对于本船的初始相对方位为R（0和alpha;0分别。然后目标船的初始正面是

其中phi;0 是本船的初始航向。在t之后的时间改变当然，本船的积极性

其中V和ϕ是瞬时速度和本船航向的瞬时速度由方程式计算。（1），（4）和（7）。此外，从目标船到自己船舶的相对位移表示如下。

图1.空间固定坐标系XOY。

因此，本船与目标船之间的相对距离R（t）为

而相对方位alpha;（t）是

其中

类似地，沿X轴和Y轴的相对速度Vr（t）的分量表示如下

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