新的航海技術(shù)對船舶避碰自動化產(chǎn)生的影響

李樹寬

摘 要：針對目前航海領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和主要發(fā)展目標(biāo)——航海自動化，在介紹其構(gòu)成、功能和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對其決定性因素——船舶避碰自動化進行深入分析，提出AIS和海圖信息數(shù)字化兩項新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用對船舶避碰自動化帶來的積極影響，旨在為其它新技術(shù)更好的應(yīng)用提供理論依據(jù)，有效解決避碰自動化方面的問題，促進航海自動化更好發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航海自動化;船舶避碰;避碰自動化;新航海技術(shù)

0 引言

船舶碰撞事故除了會造成人員傷亡與財產(chǎn)損失，還會對海洋環(huán)境造成很大污染。通過對碰撞事故產(chǎn)生原因的調(diào)查，有八成以上的事故是因為人為因素產(chǎn)生的。船員沒有嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則，在思想上沒有形成較高的意識是導(dǎo)致船舶碰撞事故發(fā)生的主要原因之一，船位校核不及時、對航路的安排不合理、判斷錯誤與值班人員擅離職守則是導(dǎo)致船舶擱淺觸礁的主要原因。要想從根本上減少人為因素的影響，可從兩個途徑入手，其一，加強對船員的教育培訓(xùn)和管理，提高船員責(zé)任感與業(yè)務(wù)素質(zhì);其二，提高船舶系統(tǒng)自動化水平，使航海過程實現(xiàn)自動化。在經(jīng)濟快速發(fā)展推動作用下，船員不再長時間從事航海已經(jīng)成為現(xiàn)實。航海是十分艱苦的工作，工作環(huán)境與條件十分復(fù)雜，這使船員有極大的流動性，根據(jù)相關(guān)院校的生源情況，在經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)，生源很少，絕大多數(shù)學(xué)生都不愿意選擇航海專業(yè)，更沒有學(xué)習(xí)愿意把航海作為自己的終身職業(yè)。在這種情況下，難免出現(xiàn)船員的經(jīng)驗不足，對專業(yè)技術(shù)的掌握不夠全面和嫻熟的問題。因此，必須提高船舶系統(tǒng)自動化水平，盡可能減少人員參與，減少船員的實際工作量，并實現(xiàn)避碰自動化目標(biāo)，降低船舶碰撞事故發(fā)生幾率。

1 航海自動化

伴隨自動控制理論和計算機技術(shù)等不斷發(fā)展，目前的船舶自動化已經(jīng)完成了四個階段的發(fā)展，正向著智能化的方向發(fā)展。根據(jù)以往的經(jīng)驗，對船舶系統(tǒng)而言，其自動化主要包含三部分內(nèi)容，即航海、機艙與船體，在這三部分當(dāng)中，航海的自動化是關(guān)鍵所在[1]。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

在功能實現(xiàn)方面，航海自動化包含幾個組成部分：（1）航線編制;（2）航向自動控制;（3）自動定位;（4）自動避碰;（5）綜合航行管理。

航線編制主要任務(wù)在于以運輸任務(wù)及船舶的實際情況為依據(jù)，結(jié)合環(huán)境條件進行航線的編制，選出一條最為經(jīng)濟和安全的航線，將其作為船舶的自動控制重要參考;對航向的自動控制是指通過自動控制使船舶始終沿計劃確定的航線進行航行;自動定位是指對船位進行自動、連續(xù)且實時的定位，并保證定位結(jié)果的準(zhǔn)確性;自動避碰是指防止船舶之間發(fā)生碰撞和擱淺觸礁。對于綜合航行管理，它將各個子系統(tǒng)的實際輸入作為依據(jù)，通過必要的試驗和分析、對比，給出能使船舶始終保持經(jīng)濟與安全航行的決策，同時將傳輸至操船機構(gòu)，對這一決策予以嚴(yán)格實施，利用顯示器，能將航行信息實時顯示出來，為操縱人員的操作提供必要參考[2]。

1.2 研究現(xiàn)狀

航海自動化起源于航海技術(shù)的自動化;上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)并使用了數(shù)據(jù)駕駛臺，到八十年代中期，伴隨智能化船舶理論研究日益深入，出現(xiàn)了集成駕駛臺，由ATLAS研發(fā)的NACOS55-2是此類駕駛臺的代表產(chǎn)品，它利用咨詢終端與計劃對航行計劃進行輸入（也可完成航線設(shè)計），然后采用TRACKPILOT以羅經(jīng)及計程儀層獲取的參數(shù)為依據(jù)，對船舶進行自動駕駛，使其始終沿規(guī)劃好的航線進行航行;如果船舶航行時會遇到來船，則系統(tǒng)能以船運動要素為依據(jù)，實施危險判斷與報警，幫助駕駛員采取有效避碰措施[3];如果船舶的航行嚴(yán)重偏離航線或與障礙物之間的距離越來越近，則系統(tǒng)能以預(yù)定閾值為依據(jù)發(fā)出報警，提醒操作人員隨時注意并采取有效措施;另外，在航行過程中產(chǎn)生的所有航行信息都能通過顯示器獲取，或在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中進行檢索查詢。通過上述分析可知，在向系統(tǒng)中輸入航線之后，在相對較寬的水域條件下，采用NACOS55-2能良好的進行自動航行，而在會受到水域限制和有來船的情況下，采用NACOS55-2可以發(fā)出報警，此時操作人員只需要提出決策和進行必要的操作。由此可見，在航線確定后，對航海自動化有較大影響的因素是避碰系統(tǒng)能否實現(xiàn)自動化。

2 避碰自動化

為區(qū)分船舶之間的碰撞與船舶擱淺觸礁，一般將避免船舶之間發(fā)生碰撞的系統(tǒng)稱作避碰系統(tǒng)，將避免船舶擱淺觸礁的系統(tǒng)稱作避礁系統(tǒng)，但這是不可分割的整體，必須對這兩個問題進行統(tǒng)籌兼顧才能保證船舶始終安全航行，所以嚴(yán)格意義上的避碰是同時避免船舶之間發(fā)生碰撞與擱淺觸礁[4]。

2.1 現(xiàn)狀分析

船舶的自動避碰涉及到很多內(nèi)容，如對水上和水下相關(guān)信息進行自動采集和處理、根據(jù)避碰信息處理結(jié)果生成決策，并對生成的決策進行自動實施。由于該系統(tǒng)是整個自動化系統(tǒng)重要組成部分，所以決策的實施可以采用操船系統(tǒng)進行[5]。

近幾年研究的重點為在寬度較大水域條件下的碰壁信息采集處理和決策生成，其中，對于信息采集與處理，主要是對避碰信息進行量化，包括運動要素與安全判據(jù)，以此對碰撞的危險度進行評價;而在決策生成方面，可使用很多方法，如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家智能與多種方法的相互結(jié)合。根據(jù)相關(guān)研究成果，人為因素是導(dǎo)致碰撞和擱淺觸礁的首要原因，據(jù)此，若每一名操作人員都能嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則，并盡職盡責(zé)，則能有效避免事故發(fā)生。單純依靠人力無法從根本上解決這方面問題，而根據(jù)相關(guān)研究成果，采用將專家智能技術(shù)作為核心的研究方法，能很好的解決這一實際問題。目前，通過對專家系統(tǒng)和人工智能的應(yīng)用，已經(jīng)有效解決了開闊水域條件下船舶自動避碰方面的問題[6]。

2.2 存在問題

從上述分析可知，盡管寬水域條件下的自動避讓已經(jīng)得到了解決，但在性能上還需要進行完善;受限水域條件下的自動避碰還沒有得到深入和廣泛的分析，其主要原因為對信息源進行的探測和探測結(jié)果可靠性方面的問題還沒有得到有效解決。信息獲取長時間以來都采用導(dǎo)航雷達進行，但船用導(dǎo)航雷達自身具有很大的局限性，無法保證信息獲取可靠性高，成為影響自動化發(fā)展的主要瓶頸。針對這方面問題，在八十年代提出了水中雷達技術(shù)，借助這項技術(shù)能確定航行過程中船舶與水下障礙物之間的距離，然后以要求的安全水深為依據(jù)進行危險的判斷和報警。但它的探測距離很小，只有1000m左右，所以在當(dāng)前并未得到廣泛應(yīng)用。

3 航海新技術(shù)

為有效保證航行安全，近幾年，相繼提出了一系列新技術(shù)，如GPS、ECDIS、GMDSS等，以上技術(shù)被航海領(lǐng)域的專業(yè)人士稱作九十年代的航海三大件。在此之后又提出了AIS與VDR，極大的推動了自動避碰的研究和發(fā)展。

3.1 AIS

通過研究可知，船舶之間和船與岸之間的信息交互對航行安全保障有重要作用，同時也認(rèn)識到了現(xiàn)有通信導(dǎo)航存在的不足，在這種情況下，AIS應(yīng)運而生。AIS（Automatic Identification System，船舶自動識別系統(tǒng)），AIS不僅信息量巨大，而且可繞開障礙進行信息傳輸，受天氣因素的影響較小，然而，由于AIS能提供很多額外的信息，所以值班人員會面臨到信息過載的問題，對避碰有重要影響的信息，目標(biāo)相對運動卻需要雷達來獲取;另外，AIS還可能從產(chǎn)生出錯誤的信息，不僅隨機產(chǎn)生，而且還沒有檢錯方式，需要依靠人員的經(jīng)驗來判斷和分析。AIS的合理應(yīng)用能有效保證海上船舶與生命的安全，并能提高航行效率，實現(xiàn)對海洋環(huán)境的有效保護，其功能主要包括幾點：（1）對船只進行識別;（2）協(xié)助追蹤目標(biāo);（3）簡化信息交流;（4）提供輔助信息，防止碰撞的發(fā)生[7]。

根據(jù)以上特點可知，AIS的優(yōu)點能解決雷達具有的局限性，但因為存在很多缺點而且并非每個船舶或漂浮物都具備安裝AIS的條件，所以AIS并不能完全替代雷達，僅僅可以作為一種獲取動態(tài)信息的傳感器，通過對其所提供的的各項信息的利用，能為導(dǎo)航雷達提供輔助信息支持，保證信息可靠性與科學(xué)性。另外，AIS還能向其它船舶發(fā)送本船所采取的避讓措施，也就是在生成避讓決策以后，利用AIS將必然參數(shù)實時發(fā)送出去，使同樣安裝有AIS的其它船舶明確本船意圖，以此實現(xiàn)協(xié)調(diào)配合，保證避讓順利進行，避免事故的發(fā)生[8]。

通過上述分析可知，船舶自動避碰對AIS的應(yīng)用能發(fā)揮出兩項作用：（1）保證信息可靠性與科學(xué)性;（2）為避碰意圖傳輸提供必要的通信工具。

3.2 海圖信息數(shù)字化

通過相關(guān)專家和學(xué)者的多年努力，寬水域條件下的自動避碰問題已經(jīng)得到解決，取得了相應(yīng)的初步成果，為整個自動系統(tǒng)的應(yīng)用及研究打下了良好基礎(chǔ)，而受限水域條件下的自動避讓卻沒有得到解決。要想解決這一問題，需從兩個方面入手：（1）獲取足夠的靜態(tài)信息;（2）對靜態(tài)和動態(tài)信息進行有機結(jié)合。

在靜態(tài)信息獲取方面，八十年代提出了可采用探測聲吶技術(shù)對水下危險物進行探測，雖然可行，但有效探測距離較小，無法承擔(dān)實際探測任務(wù)。到了九十年代之后，海圖信息數(shù)字化得到快速發(fā)展，實現(xiàn)了對聲吶探測與電子海圖的充分結(jié)合，成為靜態(tài)信息提供重要方式;把避讓決策的功能模塊嵌入至ECDIS當(dāng)中，由ECDIS對動態(tài)信息實際交換與處理進行分析研究，這是解決以上第二方面問題的有效途徑。通過以上分析可以看出，在自動避碰方面，ECDIS的應(yīng)用能為系統(tǒng)提供充足、可靠且有效的靜態(tài)信息，并能為動靜信息之間的結(jié)合提供可靠的媒介。

4 結(jié)語

綜上所述，航行安全要求不斷提高推動了自動化研究實際發(fā)展，但盡管如此，航海自動化方面的問題還沒有得到完全且有效的解決。避碰自動化是限制航海自動化發(fā)展的主要客觀因素，但通過對各項新技術(shù)的應(yīng)用能為自動避碰創(chuàng)造良好條件，同時帶來全新突破。為保證航行安全性和海洋清潔性，在新時期做好航海自動化是必然趨勢，而想要實現(xiàn)航海自動化的前提是做好避讓自動化的研究，利用新技術(shù)來解決各方面問題。

參考文獻

[1] 徐海剛，裴玉鋒，劉沖.光纖陀螺慣導(dǎo)在航海領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].導(dǎo)航定位與授時，2018（2）：44-45.

[2] 張?zhí)靿?探討新航海技術(shù)對船舶避碰自動化的影響[J].船舶物資與市場，2019（5）：22-23.

[3] 周韜，李曉強.基于e-航海的船舶智能航行[J].船舶工程，2019（12）：55-56.

[4] 潘洪學(xué).AIS與現(xiàn)代航海技術(shù)的關(guān)系及對未來航海的影響[J].珠江水運，2019（17）：33-34.

[5] 李錦剛.青島港全自動化碼頭航海保障服務(wù)探析[J].天津航海，2018（2）：33-34.

[6] 楊雙雙，吳傳生，劉釗.基于非凸低秩稀疏約束的船舶交通流量預(yù)測[J].計算機應(yīng)用研究，2018（1）：49-53.

[7] 李偉峰，王磊.船舶機械設(shè)備的常見故障及狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)研究[J].自動化與儀器儀表，2018（6）：25-26.

[8] 王康.船舶通信終端遠(yuǎn)程導(dǎo)航監(jiān)控技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018（6）：127-129.