内河船舶航行避碰建模与仿真研究

内河船舶桥区航行避碰建模与仿真研究

摘要：针对内河船舶在桥区航行时易发生事故的情况，因此，开展内河船舶桥区航行避碰建模与仿真研究，对提高船舶通过桥区的安全保障具有重要的现实意义。本文对内河桥区船舶航行进行研究，对障碍物或船只的相对距离和方位进行建模，将所得模型进行仿真实验，对所得数据进行分析判断，选取内河船舶碰撞危险评判指标，并根据指标判定船舶运行安全等级，由自主检测周围环境系统，绘制出船桥避碰轨迹曲线，得出船桥避碰优化准则。

关键词：船舶避碰；仿真；桥区航行；轨迹曲线

1.引言

内河航运作为交通运输的重要形式之一，在我国交通运输体系中有着举足轻重的作用。截至2004年年底，我国内河航道通航里程达12万多公里，内河港口达1300多个，生产性泊位30911个，万吨级及以上泊位154个，拥有内河运输船舶20万艘、3814万载重吨。随着内河航运基础设施建设力度的加大，内河航运的特殊优势将更加明显，将对国民经济和社会的发展作出更大贡献。[1]然而由于交通事业迅速发展，船舶在数量、吨位、体积和航速上逐年增长，船舶撞桥等事故发生的频率也越来越高，船桥碰撞事故如果发生，会严重威胁人命、财产安全，给人类社会活动和自然环境等造成严重影响，直接降低水运、公路和铁路等运输方式的安全性，轻者损伤船舶及桥梁，影响使用寿命，重者造成桥梁倒塌，船舶沉没，导致重大的人员伤亡和财产损失。国内外有关报道和资料表明，船舶与桥梁发生碰撞的事故在世界各地不断发生，由此造成的人员伤亡、财产损失以及自然环境破坏非常严重，远远超过了我们的想象，一些船撞桥特大事故经常发生，造成巨大的人命和财产损失，而大量的间接损失更是难以计算。[2]因此，开展内河船舶桥区航行避碰建模与仿真研究，对提高船舶通过桥区的安全保障具有重要的现实意义。

本项目将针对内河船舶航行及内河航道的特点，全面分析影响内河船舶与桥梁碰撞危险的各种因素，选取内河船舶碰撞危险评判指标，提出避碰决策优化准则及其实现方法，减少船舶在桥区造成的船舶碰撞事故，为安全、畅通、快捷的内河航运提供良好的技术保障。、

2. 技术路线

2.1国内外发展动态分析

为了实现船舶在桥区航行的安全性,航运技术发展到目前,主要采取两个方面措施,一方面是依赖于船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service,VTS),另一方面是船与船操作时依赖于船舶避碰规则。而雷达一直作为这两个方面主要的观测设备,用来监测和识别船舶。作为普通雷达的发展，自动雷达标绘仪(Automatic Radar Plotting Aids，ARPA) 早已作为现代大型船舶上用于避碰的主要仪器得到普遍使用，对减少船舶碰撞发挥了重要作用。[3][4]国内的集美大学经过多年的研究，提出了应用框架式专家系统原理模仿避碰专家的思维，并通过运用数理分析导出的各类算法，使避碰专家系统实现在线学习、形成动态知识库，同时为提出最佳避碰方案提供依据，从而为研究避碰的科学性、经济性问题提供了行之有效的方法。国内的大连海事大学、哈尔滨工程大学、武汉理工大学等科研院所也正在进行有关智能避碰系统的研究工作。国外的研究有英国利物浦工业大学的开阔水域中多船碰撞知识库系统的设计。日本东京商船大学的“海上导航专家系统”中的避碰子系统都有一定的代表性。各种研究的基本思路都是要建立知识库(存储由雷达设备或其他设备检测的相遇船动态数据、避碰规则、船长经验、专家分析、本船与来船的操纵性、运动状态等数据），根据分析

相遇船和本船的态势以及本船运动状态，查询知识库并得到避碰方案，或由推理机将相关数据信息有机的综合成专家系统，经学习、推理自动给出避碰方案并予以实施。[5]综上所述，船舶防撞系统取得了很大发展，但船桥碰撞防护与船舶防撞有所不同，内河桥区船舶交通流模型的建立尚存在不足，体现如下：雷达和ARPA这种手段的特点是提供的信息较少，不能自动识别船舶，不能告知船名、国籍与操船意图，与其他船舶交互性信息较少。随着技术的进步，雷达的性能得到了一定的提高，但始终难以克服其自身的局限性。常常受到气象、海况及地形的影响。往往越是需要雷达、ARPA发挥作用的狭窄水道，船舶密度大的水域以及遭遇恶劣气象环境时，雷达、ARPA却越不能充分发挥作用。

2.2 总体系统建立

确定模型建立后，进而分析船舶过桥时各个参数，选取内河船舶碰撞危险评判指标，同时绘制桥区船舶避碰曲线，建立仿真平台，提出避碰决策优化准则及其实现方法。图1为总技术路线图。

图1 项目研究总体技术路线图

3.桥区航行避碰模型建立

3.1桥区动态空间避碰轨迹的研究

（1）桥区通航河段内船舶交通通过能力影响因素分析

通过系统分析法分析船舶交通通过能力影响因素，利用遗传算法、退火算法对船舶与固定障碍物、船舶与移动船舶避碰路径优化问题进行仿真实验。

（2）动态空间避碰模型的建立

动态避碰模型由连接起点与目标点连线上等间距的垂线将整个避碰空间划分为N等份，路径点由每一垂线上的点组成，通过控制每个点对整个路径适度度函数的影响来优化路径。

如图2所示，避碰空间中存在有三个障碍物，将避碰空间按图示的方式进行划分，不再是等间距的对避碰空间进行划分，而是根据障碍物的位置来确定具体路径点的位置，也即通过障碍物所在位置来作垂线，路径点由垂线上的点组成。整个避碰空间被划分为不等间距若干子空间，且所有障碍物信息都被包含在避碰空间模型中，计算量要大幅度降低，计算速度会更快，有利于实现避碰对实时性的要求。

3.2桥区内避碰模型建立

图3为一典型内河桥区水域航道，建立如图4所示的平面坐标系XOY ，O 为船舶起点位置，目标点G 是本船预定要到达的点，避碰路径就是从起点至目标点的路径，航道边界为约束范围。通过雷达及ARPA 等船用设备获取障碍物或来船位置，在桥梁左右水域引入避碰空间关键路径信息点，建立动态船舶避碰空间模型。

图2避碰空间模型

图3 典型内河桥区水域

X

Y

4.桥区通航河段仿真研究

在本文中涉及的实验主要有桥区通航河段组织规则以及交通条件影响分析仿真实验以及桥区船舶避碰仿真实验，拟采用AREAN11.0版软件作为仿真工具，AREAN 结合了高层仿真器的易用性和仿真语言的灵活性，可以与C 通用程序语言相集成，AREAN 具有以下功能特点：（1）可视化柔性建模，（2）定制与集成，（3）与其他开发工具的兼容和接口。

仿真实验过程如图5所示。在试验中采用正交试验设计方法，对实验过程进行优化。

图4 桥区动态避碰空间模型

图5 仿真实验过程

5.结论

本文主要研究内河桥区通航河段船舶交通流特性、船舶交通组织仿真以及船舶避碰算法等。内河桥区通航河段船舶交通流特性与道路交通流研究具有一定的相似性。而道路交通流是当前道路交通工程领域热点，有着大量的研究成果，可指导本项目研究。同时，数字仿真手段已成为算法设计的重要验证手段，大量的数字仿真软件能够有效评估各种算法的运行结果，为缩短算法开发和验证提供了技术支持。

本文通过对桥区航行避碰模型建立，以系统采集船舶过桥时各项数据为基础，选取内河船舶碰撞危险评判指标，并对其进行仿真，通过仿真对船舶过桥时作出危险评判，同时绘制出桥区动态空间避碰曲线，通过优化技术，确定桥区通航河段最佳传播速度与船间距，以期提高船舶航行桥区的安全与效率。

参考文献

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