基于安全會(huì)遇距離模型的智能船舶航行行為可靠性評(píng)估

朱天鵬，姚玉南，但家梭，沈 軒，楊 帆

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.中國(guó)船級(jí)社 江蘇分社，江蘇 南京 210000)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，船舶智能化水平快速提升，船舶向高效、智能、多用途的方向發(fā)展[1-3]。但由于當(dāng)前技術(shù)的限制，智能船舶的可靠性和安全性仍無(wú)法得到保證，人們對(duì)智能船舶的可靠性和各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性也存有疑慮。

針對(duì)船舶避碰問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。王德龍等[4]針對(duì)船舶的避碰操縱評(píng)估，提出了一種基于船舶操縱模擬器的自動(dòng)化評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶避碰操縱的自動(dòng)評(píng)估。孫峰等[5]將船舶智能避碰策略系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)兩船之間的關(guān)系進(jìn)行定性和定量分析，建立了智能避碰策略測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。Rafal[6]對(duì)船舶分道通航制水域的船舶避碰情況做了深入分析，提出在某些場(chǎng)景下船舶轉(zhuǎn)向并不是最好的避碰行為，必要情況下需采取降速達(dá)到避碰效果。Son N S等[7]針對(duì)無(wú)人駕駛船舶ARAGON的海上避碰系統(tǒng)，在實(shí)際海域進(jìn)行了多障礙物迎面、交叉、追越等復(fù)雜碰撞情況下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

區(qū)別于傳統(tǒng)人工操縱的船舶航行行為可靠性評(píng)估模型[8]，智能船舶航行行為主要受到船舶各系統(tǒng)的共同影響。隨著系統(tǒng)的綜合化、集成化，系統(tǒng)的功能邏輯、架構(gòu)設(shè)計(jì)等越來(lái)越復(fù)雜，是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性、故障時(shí)序相關(guān)、邏輯相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的針對(duì)軟、硬件的可靠性分析方法使得工作量變大，也更加難以全面、準(zhǔn)確地對(duì)智能船舶進(jìn)行可靠性分析和評(píng)估。因此對(duì)處于會(huì)遇場(chǎng)景中的智能船舶航行行為的可靠性進(jìn)行研究是必要的，對(duì)提高會(huì)遇場(chǎng)景中智能船舶的安全性和減少水上交通事故具有重要意義。

1 會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為分析

智能船舶的航行行為主要分為3個(gè)階段——環(huán)境信息感知、狀態(tài)判斷決策和操作響應(yīng)，故智能船舶的航行行為指智能船舶在對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行感知并進(jìn)行分析決策后，利用自身控制系統(tǒng)所做出的一系列航行活動(dòng)。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，為保證安全航行，智能船舶仍需處于人工監(jiān)控的狀態(tài)下，出現(xiàn)船舶不可處理的情況時(shí)，需人工介入對(duì)其進(jìn)行操作并校正，因此，本文所說(shuō)智能船舶指配有船員的、可以實(shí)現(xiàn)自主航行的船舶。

智能船舶在兩船會(huì)遇的航行過(guò)程中，兩船的位置關(guān)系主要通過(guò)航向交叉角(θTCA)和舷角(θRB)來(lái)表示，具體如圖1所示。根據(jù)《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》，由兩船位置所形成的舷角大小，將船舶會(huì)遇場(chǎng)景分為對(duì)遇、交叉會(huì)遇和追越3類(lèi)，船舶會(huì)遇場(chǎng)景劃分如圖2所示。

圖1 兩船會(huì)遇場(chǎng)景中航向交叉角和舷角示意圖

圖2 船舶會(huì)遇場(chǎng)景劃分

1.1 對(duì)遇場(chǎng)景

在對(duì)遇場(chǎng)景中，本船與目標(biāo)船舶所形成舷角應(yīng)滿足θRB≤5°，航向交叉角滿足條件175°≤θTCA≤185°。在對(duì)遇場(chǎng)景中，本船與目標(biāo)船互為讓路船，兩船均應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況，各自采取避讓行為，避免碰撞，應(yīng)各自向右轉(zhuǎn)向進(jìn)行避讓，從另一船的左舷駛過(guò)。

1.2 交叉會(huì)遇場(chǎng)景

當(dāng)本船與目標(biāo)船所形成舷角滿足5.0°≤θRB<112.5°或247.5°≤θRB<355.0°時(shí)，構(gòu)成交叉會(huì)遇局面。當(dāng)目標(biāo)船與本船形成舷角滿足條件5.0°≤θRB<67.5°時(shí)，本船為讓路船，目標(biāo)船為直航船，本船應(yīng)向右轉(zhuǎn)向進(jìn)行避讓。當(dāng)目標(biāo)船與本船形成舷角滿足條件67.5°≤θRB<112.5°時(shí)，本船為讓路船，當(dāng)目標(biāo)船與本船船速比r≤0.95時(shí)，應(yīng)左轉(zhuǎn)避讓，當(dāng)目標(biāo)船與本船速度比r>0.95時(shí)，應(yīng)右轉(zhuǎn)避讓[9]。當(dāng)目標(biāo)船與本船形成舷角滿足247.5°≤θRB<355.0°時(shí)，本船為直航船，保向保速航行，只有在即將形成緊迫局面，并且目標(biāo)船仍未采取任何避讓行動(dòng)時(shí)，本船應(yīng)右轉(zhuǎn)避讓。

1.3 追越場(chǎng)景

當(dāng)本船與目標(biāo)船所形成舷角滿足112.5°≤θRB<247.5°時(shí)，構(gòu)成追越局面。當(dāng)目標(biāo)船位于本船的相對(duì)方位112.5°≤θRB<247.5°內(nèi)且航速高于本船時(shí)，構(gòu)成目標(biāo)船追越本船會(huì)遇場(chǎng)景，此時(shí)，本船應(yīng)保速保向航行，只有在本船判斷可能發(fā)生碰撞時(shí)，本船才要根據(jù)當(dāng)時(shí)情況，采取相應(yīng)的右(左)轉(zhuǎn)避讓行動(dòng)；當(dāng)本船位于目標(biāo)船的相對(duì)方位112.5°≤θRB<247.5°內(nèi)且航速高于目標(biāo)船時(shí)，構(gòu)成本船追越目標(biāo)船場(chǎng)景，此時(shí)，本船應(yīng)左轉(zhuǎn)并加速越過(guò)目標(biāo)船。

2 會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為故障分析

2.1 安全會(huì)遇距離模型

英國(guó)學(xué)者E.M.Goodwin提出了船舶領(lǐng)域與本船目標(biāo)船所形成的舷角之間的關(guān)系，但由于Goodwin所提出的船舶領(lǐng)域偏大，研究者將其進(jìn)行了修訂，使之更加合理、更加符合實(shí)際，修訂后的公式如下：

dSDA=

(1)

式中，dSDA為安全會(huì)遇距離，n mile；α為目標(biāo)船方位，(°)。

2.2 會(huì)遇場(chǎng)景中智能船舶航行行為故障判定

確定智能船舶在會(huì)遇場(chǎng)景中的具體航行行為故障，是進(jìn)行會(huì)遇場(chǎng)景中智能船舶航行行為可靠性評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。基于《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》中對(duì)船舶避碰行為的要求，得出智能船舶在會(huì)遇場(chǎng)景中的航行行為故障及其航行參數(shù)類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 會(huì)遇場(chǎng)景中的航行行為故障及其航行參數(shù)類(lèi)型

3 航行行為可靠性評(píng)估模型

3.1 可靠性評(píng)估指標(biāo)

智能船舶作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，由感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)等組成，可靠性影響因素較多，考慮現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展以及評(píng)估方法的簡(jiǎn)便性和有效性，制定智能船舶航行行為可靠性評(píng)估指標(biāo)，如表2所示。其中，“校正”不僅指對(duì)船舶軟、硬件的維修，還包括在智能船舶出現(xiàn)行為故障后，為保證船舶安全，船舶駕駛員需介入、接管并進(jìn)行船舶操縱。

表2 智能船舶航行行為可靠性評(píng)估指標(biāo)

3.2 可靠性評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法

1)平均無(wú)故障航行時(shí)間TMTBF，即智能船舶在2次航行行為故障之間的平均運(yùn)行時(shí)間：

TMTBF=T/r，

(2)

式中，T為所記錄的智能船舶的航行時(shí)長(zhǎng)；r為智能船舶在智能航行狀態(tài)下出現(xiàn)避碰航行行為故障的總次數(shù)。

2)平均無(wú)故障航行里程MMMBF,即智能船舶在兩次避碰航行行為故障之間的平均航行里程。已知所記錄的智能船舶航行里程數(shù)為M，則：

MMMBF=M/r。

(3)

3)可靠度R?？煽慷萊為智能船舶在2次避碰航行行為故障之間的航行無(wú)故障概率。智能船舶是一復(fù)雜的可維修系統(tǒng)，系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，智能船舶都不能維持其正常功能，可以將其視為串聯(lián)系統(tǒng)，其故障時(shí)間分布趨于指數(shù)分布，可靠度函數(shù)表示為以下2種形式：

R(x)=exp[-x/MMMBF]，

(4)

R(t)=exp[-t/TMTBF]，

(5)

式中，x為故障間隔航行里程數(shù)的隨機(jī)變量；t為故障間隔航行時(shí)間的隨機(jī)變量。

4)故障率λ。λ為智能船舶在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，故障次數(shù)與智能船舶壽命單位總數(shù)之比。當(dāng)故障時(shí)間分布為指數(shù)分布時(shí)，可以表示為平均無(wú)故障航行時(shí)間或里程的倒數(shù)，即為λ=1/TMTBF或λ=1/MMMBF。

5)平均校正時(shí)間TMTTR，即智能船舶n次校正的平均校正時(shí)間，表示為：

TMTTR=Ts/n，

(6)

式中，Ts為智能船舶的校正總時(shí)長(zhǎng)；n為校正的次數(shù)。

6)校正率μ。μ為智能船舶在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在任一規(guī)定的校正級(jí)別上被校正的次數(shù)與在此級(jí)別上校正總時(shí)間之比。當(dāng)校正時(shí)間分布為指數(shù)分布時(shí)，可以表示為平均校正時(shí)間的倒數(shù)，即μ=1/TMTTR。

7)有效度A。A為智能船舶在規(guī)定條件下航行時(shí)，在任何時(shí)間點(diǎn)維持其正常航行功能的概率。表示為：

(7)

當(dāng)故障時(shí)間分布和校正時(shí)間分布均為指數(shù)分布時(shí)：

(8)

4 仿真模擬試驗(yàn)

4.1 仿真模擬平臺(tái)與試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證所構(gòu)建可靠性評(píng)估模型的合理性，本文利用開(kāi)發(fā)型船舶駕駛模擬器，模擬智能船舶在會(huì)遇場(chǎng)景中的航行過(guò)程。在兩船會(huì)遇場(chǎng)景中，假定航行自然環(huán)境為：無(wú)風(fēng)、水流為靜止?fàn)顟B(tài)、水域開(kāi)闊、能見(jiàn)度良好。會(huì)遇場(chǎng)景中兩船具體航行參數(shù)如表3所示，其中v表示船舶航速。

表3 會(huì)遇場(chǎng)景中兩船具體航行參數(shù)設(shè)置

基于表3所設(shè)場(chǎng)景航行參數(shù)，共16種航行場(chǎng)景，在模擬器中隨機(jī)構(gòu)建會(huì)遇場(chǎng)景，除本船做避讓行為外，其他航行情況下本船航行速度始終保持在10 kn。場(chǎng)景設(shè)置完成后，將自動(dòng)規(guī)劃航行軌跡，并進(jìn)行模擬航行。

4.2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)船舶駕駛模擬器，模擬智能船舶在會(huì)遇場(chǎng)景中的避碰行為，共進(jìn)行3次模擬，模擬航行里程達(dá)480 n mile，總時(shí)間為44.5 h。對(duì)所得模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最終得出會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為仿真模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為仿真模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 可靠性評(píng)估結(jié)果

5.1 可靠性指標(biāo)對(duì)比

基于表4中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到智能船舶會(huì)遇場(chǎng)景智能航行行為各可靠性指標(biāo)值，如表5所示，會(huì)遇場(chǎng)景智能航行行為可靠度見(jiàn)圖3。

表5 會(huì)遇場(chǎng)景智能航行行為各可靠性指標(biāo)值

圖3 會(huì)遇場(chǎng)景智能航行行為可靠度

由表5及圖3可知，在480 n mile的模擬航行過(guò)程當(dāng)中，交叉會(huì)遇航行場(chǎng)景中智能船舶航行行為可靠度始終低于對(duì)遇和追越航行場(chǎng)景的行為可靠度；在3種會(huì)遇場(chǎng)景中，智能船舶航行行為可靠度從高到低依次為對(duì)遇、追越和交叉會(huì)遇。

5.2 評(píng)估結(jié)果分析

通過(guò)上述會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為可靠性評(píng)估結(jié)果分析，得出交叉會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為可靠性低于對(duì)遇和追越場(chǎng)景智能船舶航行行為可靠性的結(jié)論。航行場(chǎng)景越復(fù)雜，智能船舶航行行為可靠性越低，符合實(shí)際，表明所提出的可靠性評(píng)估指標(biāo)能夠反映智能船舶在會(huì)遇場(chǎng)景中的航行可靠性水平，所建立的基于安全會(huì)遇距離模型的會(huì)遇場(chǎng)景智能船舶航行行為可靠性評(píng)估方法能夠有效、快速地對(duì)智能船舶航行行為進(jìn)行可靠性評(píng)估。但由于數(shù)據(jù)是由船舶駕駛模擬器模擬仿真得到，較于實(shí)際船舶航行場(chǎng)景，其評(píng)估結(jié)果過(guò)于理想化。

首先，模擬器仿真環(huán)境下，由于會(huì)遇場(chǎng)景是人為設(shè)置的，較于實(shí)際海上航行，其會(huì)遇場(chǎng)景密度大，航程較短，所得評(píng)估結(jié)果與實(shí)際有所偏差。在實(shí)際航行環(huán)境中，不考慮船舶設(shè)備維修等因素的條件下，智能船舶無(wú)故障航行里程和航行時(shí)間更高。

其次，在船舶駕駛模擬器仿真環(huán)境下，智能船舶避碰行為只受駕駛模擬器避碰算法的影響，由圖3知?？煽慷惹€下降的影響只受避碰算法的影響，而智能船舶在實(shí)際航行過(guò)程當(dāng)中，其航行行為可靠度不僅受算法的影響，還受船舶航行環(huán)境以及智能船舶自身設(shè)備的影響，如能見(jiàn)度不良導(dǎo)致避讓時(shí)機(jī)縮短、主機(jī)輸出功率不足導(dǎo)致無(wú)法快速響應(yīng)、舵系統(tǒng)故障導(dǎo)致船舶轉(zhuǎn)向出現(xiàn)偏差等，都將導(dǎo)致智能船舶航行行為可靠性的降低，因此實(shí)際航行過(guò)程中智能船舶航行行為可靠度曲線相較于仿真所得曲線，其斜率更高，下降更明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)智能船舶可靠性評(píng)估方法相關(guān)研究較少、智能船舶航行系統(tǒng)復(fù)雜、進(jìn)行可靠性評(píng)估工作量大的問(wèn)題，提出基于安全會(huì)遇距離模型的智能船舶航行行為可靠性評(píng)估方法。基于對(duì)船舶會(huì)遇場(chǎng)景的分析，構(gòu)建可靠性評(píng)估指標(biāo)，建立評(píng)估模型，利用開(kāi)發(fā)型船舶駕駛模擬器，驗(yàn)證所建立模型的可行性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，表明該可靠性評(píng)估方法能夠有效、快速地對(duì)智能船舶航行行為進(jìn)行可靠性評(píng)估，能夠?yàn)橹悄艽暗目煽啃苑治鎏峁┲С?，具有很?qiáng)的工程實(shí)用性，同時(shí)通過(guò)分析其不足，提出未來(lái)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)的措施和研究方向。