李丽娜 陈国权 索永峰 李国定 高建杰 王兴华
（集美大学）

　　1.概述
　　1.1 建设背景
　　江苏省镇扬汽渡地处长江江苏段的中上游交通枢纽位置（如图1所示），其一端（北）位于扬州市邗江区，一端（南）位于镇江市润州区，两端直线距离1.6公里，24小时通航，渡船正常情况下8分钟即可完成过江，白天约6分钟左右一班，夜间则增长到8-12分钟。渡船航行路线基本与长江主航道成“十”字形交叉，且该水域上游1公里处，即为长江中的冲积洲世业洲，将镇扬汽渡上游水道隔离为三叉河口航道，支汊在左，主汊在右，横越长江的渡轮与顺道航行的机动船交会频繁，属于事故多发的复杂水域。如果发生碰撞，极易造成水上重特大安全事故，为落实安全主体责任和海事水上安全监管带来了严峻考验。为了保证途经该水域船舶的安全航行，基本配置了船舶交管服务（VTS），为管辖水域的船舶安全航行起到较好的监管作用。但现有配备的VTS具有一定的局限性，船舶的碰撞危险预警功能常处于关闭状态，主要原因有以下三个方面：
　　一、我国沿海、港口及航道水域船舶交通流密度大、船舶类型众多、通航环境复杂；
　　二、现有VTS对船舶间的碰撞危险判断仍沿用传统雷达ARPA功能的预警机制，船舶密度大的情况下误报警频繁，干扰分散监管人员注意力，增加工作强度；
　　三、现有VTS对船舶碰撞危险判断需依赖人工进行，监管人员通过VHF提醒船舶驾驶员，工作效率低、压力大。

图1 江苏镇扬汽渡地理位置

　　1.2 系统建设目标
　　通过建立基于船岸协同的渡轮航行智能避碰预警系统，为岸基监管人员和渡轮驾驶员提供实时潜在碰撞风险及危险等级预警，提高渡轮在船舶交通流密度较大的狭窄水域航行安全，辅助渡轮驾驶员采取避让措施或岸基指挥人员对汽渡轮的航行安全监管，确保汽渡轮的航行安全。
　　2.系统设计
　　2.1 系统架构
　　渡轮航行智能避碰预警系统（系统架构如图2）采用双岸基雷达系统对船舶尺度进行自动识别，利用AIS/RADAR数据融合技术实时精准获取江面移动目标的动态信息，通过甚高频（VHF）、视频监控系统（CCTV）以及WIFI通信网络实现船岸信息的实时交互，运用专家经验知识及船舶避碰几何分析原理实现汽渡轮航行避碰智能预警。岸基端系统（如图3）为岸基监管人员提供在航汽渡轮的实时潜在碰撞风险及危险等级预警，并将预警信息发送到汽渡轮船载端（如图4）配以文字、声光和语音的形式为驾驶员提供预警。

图2渡轮航行避碰智能预警系统架构图

图3岸基终端系统显示界面

图4船载终端系统显示界面

　　（1）岸基终端（监控终端）
　　岸基终端包含电子海图交通显示平台，信息管理平台，CCTV监控系统。电子海图交通显示平台、信息管理平台集成融合了岸基雷达站（南北岸各安装一台岸基雷达）和岸基AIS站采集的信息，并对船只播发预警信息。岸基监控终端系统命名被为“渡轮航行监控（Ferry Navigation Monitor—FNM)系统”，其中，FNM系统包括以下软件模块：基础软件平台、Web电子海图服务引擎、数据采集模块、信息融合模块、监控智能预警模块、监控智能决策支持模块、电子海图基础模块、无线WI-FI数据网络通信模块等。此外，CCTV监控系统可实时存储和显示渡口及江面视频画面，并提供查询、回放功能。
　　（2）船载终端
　　船载终端主要包括电子海图交通数据显示平台（嵌入式ECS系统）、CCTV监控系统。电子海图交通数据显示平台可进行汽渡轮信息的综合集成、显示以及船舶碰撞危险智能预警信息的本地自动生成以及接收监控中心的船舶碰撞危险智能预警信息指令，同时向监控中心自动播发本船的相关航行信息。
　　该终端配置了数据采集模块、智能预警接收与显示模块、视频监控模块、MESH通信模块、历史数据存储与回放模块。
　　2.2 系统主要功能
　　（1）碰撞预测：可实时显示他船与渡轮相对距离及会遇点的距离，根据双方的航行动态矢量变化，预测他船与渡轮会遇的时间和具体位置及相对距离；
　　（2）目标标识：渡运水域警戒区（码头连线水上下各1500米）、及其内岸基、码头标识，渡轮特殊标识；他船标识（含AIS信息）及不含AIS信息的船舶的大小、轮廓、速度的标识（具有目标丢失跟踪功能），以上以雷达数据为主，AIS反馈的为辅。
　　（3）智能预警：基于构建的碰撞危险阈值模型实时计算得到的临界安全会遇距离阈值SDA_L(MINDCPA)和自动或人工设置的不同危险等级的TCPA报警阈值，根据模型解算的目标船与汽渡轮的DCPA和TCPA进行潜在危险及危险度评判，当存在潜在碰撞危险时，系统自动预警并进行界面显示，以TCPA为两船真实量长度，矢量末端为船型中心显示危险区域或以汽渡轮真矢量末端为中心显示以临界碰撞距离为半径的碰撞区域，必要时辅以音频信号提醒驾驶员，根据矢量及危险区域的颜色判断不同的危险等级。同时通过通信网络即时传输到对应的汽渡轮终端，根据危险程度等级进行相应的声光和语音报警提示。
　　（4）雷达界面显示：原始状态与江图状态兼容，可进行手动转换。
　　（5）终端界面显示：船端各子系统可接受岸基系统播发的信息，各子系统也可进行单一操作（由岸基集中处理后一一对应传输）。
　　3.关键技术
　　3.1 渡轮航行智能避碰预警模型
　　（1）模型研究依据
　　1）模型考虑船舶尺度、船舶运动参数（航向/航速）及汽渡轮操纵性参数；
　　2）目标船与汽渡轮的交会关系（碰角及目标船过船首或过船尾）；
　　3）驾驶员避让方法（通常做法）及两船保向保速情况下安全通过时船舶边缘之间的最小富余量；--问卷调查结果分析及参考船讯网观测数据。
　　4）汽渡轮航行环境影响。
　　5）内河航行法律法规及航行规则；
　　（2）模型研究方法
　　基于拟人智能设计理念，运用专家经验知识，结合真运动与相对运动几何解析理论建模。预警模型总体沿用船舶拟人智能避碰决策算法（PIDVCA）的基础模型及危险度评估方法，主要区别在于渡轮碰撞危险度阈值模型的安全会遇距离（SDA）、改向方向及幅度（AC）、变速方向及幅度、改向旋回进距、橫距以及避让操纵延时这些要素取值不同。
　　1）潜在碰撞危险阈值量化方法
　　关于潜在碰撞危险阈值即安全会遇距离距离SDA的最小值SDAmin及其改向避让操船富余量采用真运动几何解析建模，碰撞危险度阈值采用相对运动几何解析建模。
　　2）两船避让安全通过时边缘之间富余量确定方法
　　关于驾驶员对两船避让安全通过时边缘之间富余量的合理取值，采用咨询经验丰富的汽渡轮驾驶员以及问卷调查汽渡轮驾驶员的方式，通过分析问卷采集目标船在不同航速范围内驾驶员对汽渡轮会遇不同类型目标船（指大船或小船或危险品船）过船首或船尾时安全通过两船边缘保持距离的感受值。
　　3）典型会遇态势下驾驶员避让习惯行为获取方法
　　关于驾驶员通常避让方法指符合《规则》精神及靠泊操船安全性的避让习惯做法，一方面通过咨询经验丰富的汽渡轮驾驶员以及问卷调查汽渡轮驾驶员的方式，获取驾驶员在一般危险、紧迫局面及临界紧迫危险不同危险等级下的习惯避让行为，例如改向、变速或改向加变速以及改向避让的幅度；另一方面借助船讯网，通过大量观测驾驶员分别在不同区域以及不同会遇局面下的避让习惯操船方法。
　　4）不同危险等级预警参考依据
　　在附录2问卷调查结果基础上，进一步了解有经验的船长，结合汽渡轮操纵特性及相对运动几何分析，形成不同危险等级预警参考依据：
　　A．一般危险：采用双车小角度（15°）改向15°；
　　B．紧迫局面：双车中速（30°）改向30°；
　　C．临界紧迫危险：双车大幅度（90°）改向及应急减速或加速（右舷交叉右改向和左舷交叉左改向+应急减速；右舷交叉左改向和左舷交叉右改向+应急加速）
　　上述操船方法的时机作为不同危险等级预警参考依据。
　　（3）潜在碰撞危险判断及危险度评估相关概念及方法
　　1）相关概念
　　如图5所示，在获取驾驶员习惯操船方法及两船通过时对安全会遇时的感受距离基础上，围绕《规则》提出的安全会遇距离（SDA）基本概念，结合解析几何理论分析，定义了潜在碰撞危险判定及衡量避让安全度的三个重要概念，如表1所示：

表1 船舶碰撞危险评判阈值名称及其含义

　　根据汽渡轮驾驶员在不同危险等级下的操船行为，基于潜在碰撞危险判定阈值，形成了4个划分不同危险等级的碰撞危险度阈值（如表2所示）。

表2 船舶碰撞危险度评判阈值名称及其含义

图5 潜在碰撞危险及改向避让危险度判定阈值图解

　　2）潜在碰撞危险判断方法
　　目标船与汽渡轮存在潜在碰撞危险的基本判断模型：

　　3）碰撞危险度评估方法

表3 碰撞危险度评判依据及危险等级

　　3.2 目标尺度识别技术
　　未安装AIS设备的目标船大多数属于300吨以下的小渔船或小游艇，这类船舶航向多变，且尺度较小。同时，也存在个别3万吨左右的运沙船或AIS关闭的大、中型船舶。若逐一获取标准尺度较为困难。因此，需要借助雷达回波识别未安装/未开启AIS设备的目标船尺度。具体识别方法如下：
　　（1）尺度识别的前提：以AIS中船舶尺度信息为主，雷达回波估算为辅。
　　（2）尺度识别的目标：
　　1）实现AIS信息中船舶尺度的真伪辨别；
　　2）实现基于雷达回波识别对未安装/未开启AIS的目标船的尺度估算；
　　（3）船舶尺度识别的方法
　　基于雷达回波面积估算目标船尺度，即研究基于雷达回波识别未安装/未开启AIS的目标船尺度。根据岸基雷达位置固定、性能较好、回波特性具有一定规律，且对进入区域的目标船雷达扫到的角度具有相似性的特点，采用基于雷达回波面积识别（估算）目标船尺度参数的新方法。即通过观测雷达回波特性及规律，与AIS提供的目标尺度比对方式，研究基于雷达回波面积识别（估算）目标船尺度的新方法。
　　如6所示，岸基雷达检测出运动船舶在某时间点的航向，结合该时间点回波长度LR，综合考虑船体材质对雷达回波的影响等因素，即可测算出船舶实际长度L。取若干时间点测量值并进行反复测算，直至结果趋于平稳（效果图如图6所示）。

图6基于雷达回波的目标船尺度估算算法示意图及估算效果图

　　4.预警可靠性分析
　　准确的船舶碰撞危险预警是船舶安全航行的重要保障，更是船舶进行有效避让的前提。预警的准确性主要依托两个方面，一是科学合理的碰撞危险评判模型二是精确可靠的传感器数据。要建立科学合理的碰撞危险评判模型必须要考虑前端传感器数据的精度不高可能带来的误判。
　　因汽渡轮所航水域存在部分小型船舶未安装或开启AIS，故系统获取目标船动静态信息的数据主要来源于雷达，AIS数据为辅。然而，雷达存在距离误差、相对方位误差和相对航向误差导致预警发生误判。为了验证系统所用雷达是否满足预警模型的要求（误判率≤5%），项目组对雷达误差的影响进行了论证，将理论分析与仿真试验相结合，通过分析雷达目标参数计算与危险判断的原理，建立雷达误差的传递公式，运用概率理论，计算雷达误差导致预警危险发生误判的概率，进而论证雷达误差是否能够满足危险预警模型的要求。
　　通过基于图3所示模型开发的汽渡轮航行避碰智能预警系统，可以获取汽渡轮航行实时碰撞危险报警信息。系统判定船舶存在碰撞危险时，矢量线及末端船型闪烁报警，这时可以获取两艘船的经纬度、航向、航速、船舶尺度等信息，并将信息输入渡轮航行避碰智能预警仿真测试平台进行案例再现，并获得到碰撞危险报警的相对方位、相对航向、DCPA和SDA等目标参数信息。如果两船的航向发生5°或航速发生2 kn以上变化，则认为有避让行动，反之，船舶则未有避让行动，以此来判断是否存在危险。
　　经过连续观测获取100条的预警信息，并通过智能操控仿真平台获取其相对矢量数据，限于篇幅仅列出10条预警信息，如表4所示。根据统计数据，100次记录中出现虚警和漏警各4次，统计结果的预警准确性为96%，平均误判概率为3.5%，计算结果与统计结果较为吻合，并且达到了平均误判概率低于5%的要求，其精度能够满足汽渡轮航行避碰智能预警系统的需求。

表4  10条危险报警的目标参数信息