摘要：随着船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和会遇率的增大，船舶的碰撞事故时有发生，这就对避碰问题的研究提出了更高的要求。通过对紧迫危险及紧迫危险区域的深入研究，提出了紧迫危险距离的量化模型及紧迫危险下的避碰决策，并通过几何作图分析和模拟操纵仿真试验加以验证。

关键词：水路运输；紧迫危险；避碰决策；量化模型

近年来，随着船舶的大型化、高速化以及通航水域船舶密度增加和会遇率的增大，船舶的碰撞事故时有发生，这就对避碰问题的研究提出了更高的要求。1996国际海上避碰会议提出，船舶自动避碰是今后十年乃至二十年航海技术的主攻方向之一，是目前国内外航海科技界研究的前沿课题，也是当今能否实现船舶驾驶自动化的研究热点。我们经过十多年来对船舶智能避碰决策方法的研究，分别在宽水域船舶避碰决策与受限水域避浅、避礁决策等方面取得较大的进展，形成了船舶拟人智能避碰决策(Personifying Intelligent Decision-making for Vessel collision Avoidance，PIDVCA)理论。针对船舶碰撞经常发生在紧迫危险情况下的处理不当而引起的事实，基于PIDVCA的理论基础，结合同行对船员的问卷调查，通过几何作图分析，着重对两船之间紧迫危险及紧迫危险区域界值量化模型以及紧迫危险下的智能避碰决策方法进行了深入的研究，形成了紧迫危险下的智能避碰决策的模型和方法。

1紧迫危险

1.1紧迫危险的含义

国内外专家对紧迫危险的含义主要有下列4种解释：

1)两船相对位置已临近到必然发生碰撞的境地，即使双方共同采取措施，也有可能发生碰撞的危险局面；

2)紧迫局面形成时，如果相遇的两船未能及时采取行动或者所采取的措施未产生有助于避让的行动，从而形成碰撞迫在眉睫的局面；

3)两艘船舶接近到双方都采取最有效的避碰行动，但并未出现在安全距离上驶过的局面；

4)两船逼近到单凭一船的避让行动已不能避免碰撞的局面。

我国航海界普遍认为，“紧迫局面”是指当两船接近到单凭一船的行动已不能导致在安全距离上驶过的局面；同时认为“紧迫危险”是指当两船接近到单凭一船的行动已不能避免碰撞的局面。

因为紧迫危险的含义是在紧迫局面形成之后，无论由于何种原因两船逼近到单凭一船的避让行动不能避免碰撞的局面。这时两船都应采取最有助于避碰的行动，包括背离《规则》行动。这样才有可能避免碰撞或减少损失。

关于紧迫危险局面的定量分析方面；船舶间安全会遇距离SDA(Safe Distance Of Approaching)、紧迫局面距离DE(Distance of Emergency)、碰撞危险区域的半径即安全会遇距离最小值SDAmin确定，就能进一步确立紧迫危险局面的距离最小值DEmin。

1.2紧迫危险在PIDVCA理论的界定

笔者认同文献[11]对船舶会遇4个阶段的划分，如图1所示。文献[4]设计了安全会遇距离SDA、安全会遇距离最小值SDAmin的量化模型，并以此为依据界定了紧迫局面距离DE(即图1中的界2)及其最小值DEmin(即图1中的界1，即两船陷入危险局面时，依照《规则》的避让方法，凭本船满舵改向90°或Crmax(相对运动线过艏最大变化的最大改向角)能确保两船分别在SDA和SDAmin上通过对应的距离。PIDVCA理论界定了碰撞危险区域的半径为SDAmin，即转向避让碰撞距离，参照“1.1”关于紧迫危险含义的描述，我们把上述的紧迫局面距离的最小值界定为两船陷入紧迫危险局面的距离，即称DEmin为紧迫危险距离。对此值在数量上的解释就是本船转向避让的临界距离DLMA(Distance of Last-Minute Action of tarning)来决定，它可以看作是不论何种原因形成紧迫局面，并即将发生紧迫危险的时刻本船采取转向避让90°或Crmax的行动时机，船舶间的距离等于一船实施满舵旋回避碰行动，另一船直航的条件下两船能避免碰撞(即两船间的DCPA≥SDAmin)发生时的距离，如图2所示。这一距离与两船舶间的会遇格局、相对速度、船舶的操纵性能及船舶的尺度有关。上述的紧迫局面距离DE就是本船改向避让90°或Crmax使两船在SDA以外通过的最晚施舵距离，PIDVCA理论将本船初始最佳避让航向角对应的施舵距离定为界3。

碰撞距离(Dcollid)包括转向避让碰撞距离和变速避让碰撞距离。根据国际海上避碰规则第八条第三款：如有足够的水域，单用转向可能是避免紧迫局面的最有效的行动的原则，这里讨论的是转向避让碰撞距离，它和船舶的操纵性能有关，受船舶尺度、目标船的速度、会遇交角和DCPA的影响。

2紧迫危险界值的量化

通常情况下，航海从业人员认为在海上两船接近到6nmile，若两船的DCPA接近0时，认为碰撞危险正在形成；若两船不采取任何行动而继续接近到3nmile，认为紧迫局面正在形成；若继续接近到1nmile，则认为紧迫危险正在形成。其判断的依据来源于“规则”对于船舶灯光的光力射程来确定的。若是在能见度不良时，相应的距离可以改变为8nmile、4nmile、2nmile。这种距离的简单量化存在以下问题：未能考虑目标船的速度及其与本船会遇的相互关系、船舶的尺度和操纵性能以及本船按照《规则》采取行动的难易程度，与当前的船舶大型化、高速化不相适应。

2.1紧迫危险界值的量化方法

在紧迫局面已经形成，而紧迫危险到来之前的避让行动，如果双方能够取得协商而相互采取最有效的行动当然是上策，然而，碰撞往往发生在无暇顾及协商，因此，PIDVCA理论是假定对方直航的情况下，以本船按照《规则》采取最有效的避让行动为前提进行研究。

如图2表示本船全速满舵转向90°后目标船与本船的相对运动几何图，图中C0和V0分别为本船的航向和航速；Vt和Vr分别为目标船的真速度和相对运动速度；R.M.L和N.R.M.L分别为本船改向前后目标船的相对运动矢量线。显然，只要求出R.M.L和N.R.M.L两条相对运动线的交点，就可获得本船改向后的转向点b(xb，yb)，根据船舶操纵性能及两船的运动关系分析，基于转向点坐标可以估算最晚施舵点a(xa，ya)，根据平面两点式方程，便可求出DEmin。

2.2紧迫危险界值的量化模型

PIDVCA理论根据船舶相对运动几何分析建立了求解目标船运动要素及其本船改向后的预测运动要素模型，因此，分别列出R.M.L和N.R.M.L两条直线方程(1)和(2)，即

解上述方程组得两条直线的交点b(xb，yb)：

如图2所示的会遇态势，设本船全速满舵转向90°来船产生的相对位移为SS，它在X轴和Y轴的分量分别为xs和ys：

式(5)、式(6)中，Tn为本船全速满舵转向90°的时间，Dc为旋回初径，Fd为旋回进距，Vt和Ct分别为目标船的真航速和真航向。显然，SS为：

因此，施舵点坐标a(xa，ya)：

于是，紧迫危险距离DEmin为：

按照式(3)～式(10)，以船长为350m(假设目标船来自雷达回波，因此，安全起见取较大的船长)、船速为15kn的目标船与本船右舷交叉会遇为例的计算结果如表1所示，其值除万吨级以下和超大型船舶外，基本分布在1～2nmile之间，相当于紧迫局面下避碰行为问卷调查统计设计的内边界，亦即上述的紧迫局面的下界(界1)。

表1 DE和DEmin的计算结果

显然，如果把公式(1)～式(4)中的SDAmin由SDA替代，则对应的式(10)求得的结果便是紧迫局面距离DE，亦即上述的紧迫局面的上界(界2)，相当于紧迫局面下避碰行为问卷调查统计设计的外边界。如果目标船取自AIS或雷达与AIS的融合结果，则计算结果会更符合实际，表中的界值也会相应略减小。模拟结果可知，量化模型能随本船操纵性及目标船的大小以及与本船与本船的交会关系有关，满足避碰的实时性与适应性的要求。

3紧迫危险下的避碰决策方法

主要讨论两船陷入紧迫危险下，目标船未能采取积极有效的行动，即目标船直航情况下，借助几何验证，并综合参考紧迫局面下避碰行为问卷调查统计结果，本船应采取的最有效的避碰决策。

3.1两船对遇

两船对遇情况的避碰决策方法分两种情况讨论。

1)两船右对右对遇

如图3(A)所示，N.R.M.L1和N.R.M.L2分别是本船采取全速满舵右让和左让90°后的目标船与本船之间新相对运动线，显然，立即全速满舵左让90°(N.R.M.L2)是最有效的避让方法，符合船员的习惯做法。

2)两船正对或左对左

如图3(B)所示，N.R.M.L′以及N.R.M.L分别是本船采取满舵右让90°以及转向又加速后目标船与本船之间新的相对运动线。图中显示对于V0<Vt的左对左情况以及V0≥Vt的正对情况，本船采取全速满舵右让90°是最有效的避让方法；对于V0<Vt的正对情况，如果本船尚未达到全速状态，则采取加到全速且满舵右让90°是有效的避让方法；当然，对于V0<Vt的正对情况，如果本船已达到全速状态，立即全速满舵右让90°仍然是最有效的避让方法。

总之，无论哪种对遇情况，只要航行水域不受限，从图3可知，仅凭单方减速停车只能延迟达最近会遇点的时间，而未能扩大两船的安全会遇距离，以达到避免碰撞危险的目的，因此，在无法让对方协调行动的情况下，应避免减速停车的避让行动。

3.2右前方交叉情况

如图4所示，对于右前方小角度交叉情况，N.R.M.L1、N.R.M.L2和N.R.M.L3分别是本船采取满舵右让、左让90°或减速后新的相对运动线。显然，本船立即满舵左让90°(N.R.M.L2)是最有效的避让方法，如果本船改向过程发现目标船有不协调的行动，则继续向左旋回一周；如果本船尚未达到全速状态，如图4的BA3(V′0)，则本船采取加到全速且满舵左让90°(BA2)是最有效的避让方法；同理，应避免减速停车的避让行动。

而对于右舷正交叉情况，如图5所示，N.R.M.L1、N.R.M.L2、N.R.M.L3和N.R.M.L4分别是本船采取满舵右让、左让AC、减速或左让90°后新的相对运动线。显然，本船全速状态下立即满舵左让AC(N.R.M.L2)是最有效的避让方法；如果本船尚未达到全速状态，如图5所示的BA′(V′0)，则本船采取满舵左让90°(BA4)是最有效的避让方法；虽然减速停车是也是有效的，且与V0<Vt情况下左让90°效果相当，但只要水域允许还是提倡舵让为最有效的避让行动。

3.3左前方交叉情况

同“3.2”的分析方法，对于左前方小角度交叉情况，最有效的避让方法是满舵左让90°，如果本船改向过程发现目标船有不协调的行动，则继续向左旋回一周；如果本船尚未达到全速状态，则采取向右改向Crm或90°且加速至全速也是有效的避让方法；同理，应避免减速停车的避让行动。

而对于左舷正交叉情况，本船立即采取满舵右让90°是最有效的避让方法，如果改向过程发现目标船有不协调的行动，则继续向右旋回一周；如果本船尚未达到全速状态，则本船采取加到全速且满舵右让90°是最有效的避让方法。

3.4被追越情况

被他船从左舷或正后方追越情况，本船立即满舵右让90°是最有效的避让方法；被他船从右舷追越情况，本船满舵左让90°是最有效的避让方法。

3.5左右正横附近情况

左右正横附近情况与“3.4”情况雷同，即对左正横附近和右正横附近目标船，本船分别应采取满舵右让和左让90°的避让方法。

4结语

根据我们十多年来在船舶自动避碰领域的研究成果，通过对紧迫危险及紧迫危险区域的深入研究，基于PIDVCA的理论基础提出了紧迫危险距离的量化模型及紧迫危险下的智能避碰决策，通过几何作图分析和模拟仿真计算结果，验证了智能避碰决策模型方法及相关界值的合理性和适应性，基本符合船员的习惯。从几何作图的理论分析，同时发现了船员问卷调查中个别态势的决策方法尚存不合理之处。

作者：熊振南，李丽娜，周伟  来源：中国航海