兩船距離與轉(zhuǎn)向避讓難度關(guān)系量化研究

劉 佳，柳成林，王艷杰

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京100088)

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兩船距離與轉(zhuǎn)向避讓難度關(guān)系量化研究

劉 佳，柳成林，王艷杰

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京100088)

轉(zhuǎn)向避讓是航海上最為常用也最有效的解除碰撞危險(xiǎn)方法，但轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)的幅度和難度會(huì)受到避讓行動(dòng)采取時(shí)機(jī)的極大影響。從船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，提出了轉(zhuǎn)向難度、最小轉(zhuǎn)向角度等概念并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步推理出本船施舵時(shí)兩船距離與最小轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向難度的關(guān)系，定量解釋了隨著兩船間距離的不斷減小，轉(zhuǎn)向難度急劇增大、最小轉(zhuǎn)向角急劇增大的原因，并通過著名學(xué)者S.Lenart的實(shí)例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

交通運(yùn)輸工程；兩船距離；轉(zhuǎn)向避讓難度；最小轉(zhuǎn)向角

航海上避免船舶碰撞通常采用轉(zhuǎn)向避讓、變速避讓及二者相結(jié)合的方法，考慮到船舶主機(jī)性能及換車響應(yīng)時(shí)間對(duì)船舶避碰的影響，在開闊水域，單憑轉(zhuǎn)向往往是避免碰撞最為常用也最為有效的方式[1]。兩船的會(huì)遇是一個(gè)從遠(yuǎn)到近、從沒有碰撞危險(xiǎn)到危險(xiǎn)逐漸增加的過程，當(dāng)判定兩船存在碰撞危險(xiǎn)且本船為《1972年國際海上避碰規(guī)則》中指明的讓路船時(shí)，本船負(fù)有采取避碰行動(dòng)以“使它船安全通過”的責(zé)任，且明確指出該避碰行動(dòng)應(yīng)是“及早的”，但并未對(duì)“及早”的原因給出一個(gè)定量的解釋[2]。在參考著名學(xué)者S.Lenart最近會(huì)遇距離一定情況下，船舶航向和速度相互關(guān)系算法的基礎(chǔ)上引入轉(zhuǎn)向難度和最小轉(zhuǎn)向角的概念，并推理出最終的計(jì)算結(jié)果，該計(jì)算結(jié)果對(duì)提高對(duì)碰撞危險(xiǎn)的理解和轉(zhuǎn)向避讓措施的采取有一定的指導(dǎo)作用。

1 建模假設(shè)和定義

研究和推理過程中，本船和目標(biāo)船均被假設(shè)為一個(gè)理想化的質(zhì)點(diǎn)，本船僅采取轉(zhuǎn)向避讓且無時(shí)間延時(shí)，該轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)對(duì)船舶速度無任何影響。

最小轉(zhuǎn)向角Δφ：當(dāng)目標(biāo)船與本船形成碰撞危險(xiǎn)后，本船通過轉(zhuǎn)向能使與目標(biāo)船在安全的距離上駛過的最小轉(zhuǎn)向角度[3]。

不可轉(zhuǎn)向角度θ：采取轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)時(shí)，本船航向所不能轉(zhuǎn)到的航向值的累積。不可轉(zhuǎn)向角度越大，船舶可航行的航向越少；相反，則越大。

轉(zhuǎn)向難度f(d)：反映了本船可以采取轉(zhuǎn)向避碰行為的難易程度，與采取行動(dòng)時(shí)兩船的距離有關(guān)，其值為不可轉(zhuǎn)向角度與圓周360°的比值。其值越大，說明阻擋角度越大，轉(zhuǎn)向越困難；相反，轉(zhuǎn)向越容易。

2 建模與方程推理

2.1 安全避讓措施計(jì)算

以本船中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以正北方向?yàn)閥軸，以正東方向?yàn)閤軸建立平面直角坐標(biāo)系[4-6]。本船速度為Vo，航向?yàn)棣?，目?biāo)船速度為Vt，目標(biāo)船相對(duì)速度為Vr，它們之間存在式(1)、式(2)所示關(guān)系：

Vo+Vr=Vt

(1)

(2)

式中：Vox，Voy分別為本船速度矢量在x軸和y軸方向上的分量；Vtx，Vty分別為目標(biāo)船的速度矢量在x軸和y軸方向的分量；Vrx，Vry分別為相對(duì)速度矢量在x軸和y軸的速度分量。

假設(shè)(X,Y)為目標(biāo)船在坐標(biāo)系上的位置坐標(biāo)，(X0，Y0)為目標(biāo)船的初始位置，有式(3)所示關(guān)系：

(3)

假設(shè)D(t)為本船和目標(biāo)船之間的距離，則有

(4)

對(duì)D(t)求導(dǎo)，運(yùn)算可得

(5)

Dmin即為本船與目標(biāo)船的最近會(huì)遇距離(DCPA或CPA)，為了保證本船和目標(biāo)船能夠在安全的距離Ds上駛過，需使得Dmin≥Ds。

對(duì)式(4)進(jìn)行平方

Dmin2(Vrx+Vry)2=(XVry-YVrx)2

(6)

整理得

Vrx=AVry

(7)

其中

(8)

由式(1)、式(2)、式(7)可得，

整理得：

Voy=AVox-B

(9)

B=AVtx-Vty

(10)

將速度關(guān)系轉(zhuǎn)化為距離關(guān)系，式(10)兩邊同乘以一個(gè)時(shí)間單位Δt：

y=Ax-BΔt

(11)

影響碰撞危險(xiǎn)的兩個(gè)重要因素是最小會(huì)遇距離DCPA和會(huì)遇時(shí)間TCPA。TCPA<0時(shí)，本船和目標(biāo)船漸行漸遠(yuǎn)，沒有碰撞危險(xiǎn)；只有DCPA0的情況才會(huì)存在碰撞危險(xiǎn)。

如圖1，式(11)所對(duì)應(yīng)的直線為兩船DCPA=Ds時(shí)，本船航向與航速之間的關(guān)系，兩直線交點(diǎn)的左側(cè)為TCPA<0時(shí)的情況，對(duì)本船航行安全無影響，是可以接受的安全范圍；交點(diǎn)右側(cè)為TCPA>0的情況，陰影部分區(qū)域?yàn)楸敬荒鼙ＷC目標(biāo)船以安全距離駛過的區(qū)域，只要本船的速度矢量的終端不落在該陰影區(qū)域，則可以保證兩船以大于Ds的最小會(huì)遇距離相互駛過。

圖1 θ與Δφ示意

2.2 轉(zhuǎn)向難度計(jì)算

本船采取轉(zhuǎn)向避讓行動(dòng)，可駛的速度矢量的末端為以本船中心為原點(diǎn)，以VoΔt為半徑的一個(gè)圓，該圓與上述直線所圍成的陰影部分相交，相交弧長(zhǎng)部分為本船速度矢量所不能駛向的航向，即前面所定義的不可轉(zhuǎn)向角度θ。對(duì)圖1進(jìn)行分析，圓的方程為：

x2+y2=(VoΔt)2

(12)

聯(lián)立方程(11)、方程(12)，解得：

(13)

式(8)中A存在兩個(gè)值，故B也存在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)值，式(13)會(huì)有4個(gè)解，為(xi,yi) (i=1,2,3,4)，分別為式(11)所對(duì)應(yīng)的兩條直線與方程(12)所對(duì)應(yīng)的圓的4個(gè)交點(diǎn)，其中兩個(gè)交點(diǎn)在TCPA<0所在的區(qū)間內(nèi)，對(duì)航行安全無影響，另外兩個(gè)交點(diǎn)在TCPA>0的區(qū)間范圍內(nèi)，其兩點(diǎn)間的圓弧正是文中所述的不可轉(zhuǎn)向角度所對(duì)應(yīng)的范圍，依據(jù)弧長(zhǎng)的計(jì)算公式(14)：

(14)

對(duì)應(yīng)圓弧角度為：

(15)

θ即為本船的不可轉(zhuǎn)向角度，本船航向可轉(zhuǎn)向的角度范圍為360～θ；根據(jù)定義，本船的轉(zhuǎn)向難度由式(16)得出：

(16)

f(d)越大，表示本船的可轉(zhuǎn)向范圍越小，轉(zhuǎn)向難度越大；f(d)越小，表示本船的可轉(zhuǎn)向范圍越大，轉(zhuǎn)向難度越小。

2.3 最小轉(zhuǎn)向角度計(jì)算

依據(jù)式(13)，求取在TCPA>0一側(cè)的兩個(gè)坐標(biāo)值(x1,y1)和(x3,y3),依據(jù)避碰規(guī)則，兩船互見中，不論是對(duì)遇局面還是交叉相遇局面，本船作為讓路船都應(yīng)該按照規(guī)則要求向右轉(zhuǎn)向，則本船速度矢量終點(diǎn)右側(cè)的那個(gè)坐標(biāo)即為本船向右轉(zhuǎn)向所應(yīng)轉(zhuǎn)到的位置點(diǎn)，其角度為新航向值，故最小轉(zhuǎn)向角度Δφ可由式(17)求出[7-8]：

(17)

3 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

以S.Lenart的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。目標(biāo)船相對(duì)本船的初始位置為(5nmile,5nmile)，本船和目標(biāo)船的速度情況如表1。

表1 本船和目標(biāo)船速度矢量

隨著兩船距離的不斷接近，不可轉(zhuǎn)向角度、最小轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向難度的計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 θ，Δφ和f(d)的值

(續(xù)表2)

距離D/nmile不可轉(zhuǎn)向角度θ/(°)最小轉(zhuǎn)向角Δφ/(°)轉(zhuǎn)向難度f(d)3．038．9453122．662570．1081812．547．1598328．183700．1310002．060．0044237．241500．1666791．583．6267955．008270．2322971．491．1760960．927890．2532671．3100．5771368．429340．2793891．2112．893678．439950．3135931．1130．7696793．251320．3632491．0180．00000135．000000．500000

4 結(jié) 語

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在兩船相距較遠(yuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)向難度和最小轉(zhuǎn)向角增長(zhǎng)緩慢，基本呈線性增長(zhǎng)狀態(tài)；當(dāng)兩船距離接近到安全會(huì)遇距離的2倍以內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)向難度和最小轉(zhuǎn)向角呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。航海中錯(cuò)過了較早的轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)或發(fā)現(xiàn)目標(biāo)太晚都會(huì)導(dǎo)致急迫局面的發(fā)生，且實(shí)際的航海過程中，由于舵的響應(yīng)時(shí)間以及轉(zhuǎn)向所帶來的速降等原因，讓路船應(yīng)該更加“及早的”避讓來船，確保兩船在安全的距離上駛過。

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Quantitative Relationship of the Distance between Ships and Difficulty to Avoid Collision by Altering Course

Liu Jia, Liu Chenglin, Wang Yanjie

(China Waterborne Transport Research Institute, Beijing 100088, China)

Altering course is the most common and effective method of collision avoidance, but the extent and effectiveness of altering course is significantly influenced by the time choice of avoidance. Starting from the ships’ maneuvering mathematics model, the difficulty to avoid collision by altering course and minimum alter angle were proposed and the corresponding mathematics model was established. Furthermore, the relationship between the distance between ships and the difficulty to avoid collision by altering course was deduced. The quantitative explanation why the difficulty of altering course and the minimum alter angle increased sharply with the decrease of the distance between ships was given. And the proposed point view is verified with the case study of famous scholar S.Lenart.

traffic and transportation engineering; distance between ships; difficulty to avoid collision by altering course; minimum alter angle

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.27

2013-06-01；

2014-08-11

劉 佳(1983—)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士，主要從事水運(yùn)科學(xué)規(guī)劃方面的研究。E-mail: liujia@wti.ac.cn。

U675.96

A

1674-0696(2015)04-140-03