混有智能船舶水域的航行风险评价软件框架设计

发布时间：2021-07-31

　　摘 要: 针对智能船舶营运过程中安全监管缺乏的问题，提出航行风险评价软件的框架设计，用于混有智能船舶水域的海事安全监管。该软件由仿真环境构建、混合交通流仿真、风险评价输出 3 个功能模块组成。仿真环境构建模块用于设置仿真场景的相关参数; 混合交通流仿真模块用于模拟交通流的行为特征; 风险评价输出模块主要是对区域内船舶的航行风险进行评价。该软件是对智能船舶航行风险评价的积极探索，其评价结果可为海事部门的安全监管工作提供参考。

　　关键词: 水路运输; 风险评价; 交通流仿真; 软件框架; 智能船舶

　　智能船舶因其在提升船舶安全性、实现节能减排和减少人力成本等方面的前景受到广泛关注[1]。2018 年，罗尔斯罗伊斯公司和芬兰国有渡轮运营商 Finferries 实现了世界上第一艘载有 80 名乘客的全自动航行渡船; 2019 年，日本宣布完成了全球首次“有人自动航行船舶”的自主航行系统海上试验( Iris Leader 号) ; 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心继 2018 年在南京板桥汽渡率先实现了船舶辅助驾驶后，于 2019 年在代尔夫特理工大学实现了 8 500 km 的远程船模驾控测试。

　　随着智能船舶技术的不断发展，智能船舶有望在中长期内投入营运[2]，然而智能船舶的航行安全问题是当前的技术难点，也是国际上研究的热点。RAMOS 等[3]使用层次任务分析( hierarchical task analysis，HTA) 和 IDAC 模型相结合的方法，分析自主船舶驾控中可能出现的人为失误，从而完善自主航行系统的设计，以确保航行安全。 UTNE 等[4]提出了一种智能船舶在线风险建模的框架，利用系统理论过程分析( systems theoretic process analysis，STPA) 方法识别并分析航行风险，以提高智能船舶的决策能力和智能化程度。 HEIKKILA 等[5]基于目标结构表示法( goal structuring notation，GSN) 提出了一种安全鉴定方法，并将智能船舶整合到现有的海事监管框架中，以降低智能船舶的航行风险。

　　以上研究表明，当前智能船舶安全研究主要集中在船舶安全设计，缺少船舶交通流风险方面的研究。鉴于目前智能船舶仍未投入使用，难以开展实船实验，有必要开发交通流仿真软件获取仿真数据，并在此基础上开展面向水域的航行风险研究[6]，为智能船舶航行安全的后续研究提供数据和理论支撑。

　　1 船舶航行风险评价软件的相关研究

　　船舶航行风险评价软件的研究主要集中在交通流仿真方法[7]，目前已有相关风险评价软件，在界面和功能设计方面具有良好的借鉴意义。

　　1. 1 现有船舶航行相关风险评价软件

　　( 1) 芬兰湾船舶航行风险评价软件。GOERLANDT 等[8]设计了船舶碰撞风险评价软件，提出了船舶碰撞事故仿真模型，通过分析 AIS 数据，提取芬兰海湾的交通流特征，利用蒙特卡罗方法实现交通流仿真，从而评估芬兰湾船舶航行的安全状况。

　　( 2) 新加坡海峡交通流仿真软件。KANG等[9]开发了海上交通流仿真软件，通过设置航线、船舶类型和船舶尺寸等参数，对交通流进行仿真，并分析新加坡海峡在不同通航环境下的交通流特征。

　　( 3 ) 旧 金 山 湾 渡 轮 航 行 风 险 评 价 软 件。 DORP 等[10]创建了水上交通流仿真软件，根据最接近点参数建立船舶碰撞概率模型，记录并分析特定时刻仿真水域内船舶的状态数据，并将船舶碰撞次数实时显示在电子海图上，从而评价旧金山湾渡轮的运行状况。

　　1. 2 现有软件优缺点分析

　　现有软件主要依靠自主编程实现仿真，软件优点如表 1 所示，但同时也存在如下问题: ①仿真对象固定。现有软件仿真对象均为常规船舶，不具备智能船舶仿真能力，无法满足对混有智能船舶水域航行风险进行评价的需求。②研究场景单一。现有软件研究场景主要为海上开阔水域，缺乏对内河水域场景的研究，且无法根据使用者自身需求设定场景，工程应用的推广难度大。③无法开展预设场景研究。现有软件多是重现历史数据，不能仿真预设参数的交通流，无法开展对混有智能船舶水域交通流的仿真研究。

　　2 软件设计总体设计及实现

　　为解决上述问题，软件需包含仿真环境构建、混合交通流仿真、风险评价输出 3 个模块，软件总体设计框图如图 1 所示。

　　2. 1 仿真环境构建模块

　　采用 Qt 界面和 YimaEnc 电子海图引擎技术，基于电子江图数据，对水域进行功能分区，构建仿真水域环境，该模块可根据用户需求自定义。考虑到内河水域交通流密度大、碍航建筑物多等特点，软件引入 Zone 区域概念。Zone 区域分为 3 类: 码头/港口、船舶聚集锚地、航线必经地。每个 Zone 区域，根据船舶实际活动范围，确定为一个封闭的几何图形。软件通过添加 Zone 区域，提升仿真水域复合度，提高仿真环境可信度。仿真环境构建示例如图 2 所示。

　　2. 2 混合交通流仿真模块

　　混合交通流仿真模块是软件进行航行风险评价的关键支撑。该模块通过建立不同的船舶行为模型，仿真智能船舶和常规船舶; 根据交通流数据，生成交通流事件，实现混有智能船舶水域的交通流仿真。

　　2. 2. 1 船舶仿真

　　根据《智能船舶规范》( 2020) [11]中对智能船舶的定义，软件仿真的智能船舶与常规船舶的差异体现为更短的安全距离、更快的反应速度和更严格地遵守避碰规则。软件通过纵向和横向两个维度的控制，实现船舶仿真。在船舶纵向控制方面，软件建立自由航行模型。针对上述差异性，笔者建立不同的追越模型分别模拟两类船舶的横向运动。

　　( 1) 自由航行模型。自由航行是指船舶按照拟定的航向和航速航行，不受外部交通环境影响，即船舶的纵向运动。船舶处于自由航行模式时，船速在最大值左侧小幅波动

　　2. 3 风险评价输出模块

　　风险评价输出模块主要是获取仿真中船舶在航数据，利用区域船舶航行风险评价模型[14]提出的 3 个船舶碰撞风险指标: 速度离散指数、加减速程度、船舶领域重叠数，对各 Zone 区域进行船舶碰撞风险的实时评价。 ( 1) 速度分析。考虑到区域内船舶对地速度的极值较低，选用速度离散指数作为风险指标。

　　首先，确定评价区域的范围，即 Zone 区域边界坐标，软件可从仿真环境构建模块获取; 其次，明确特定时刻 T 通过该区域的所有船舶，利用式( 6) 计算船舶 i 在该区域的平均速度; 最后，逐个计算该区域内所有船舶的平均速度，并求出速度离散指数。

　　2. 4 软件应用实例

　　( 1) 试验简介。试验选取长江南京段为研究场景，研究河段坐标为 ( 118. 44° E，32. 06° N) ( 118. 56° E，32. 10° N) 。在 Qt5. 12 环境下利用 C++ 语言实现上述算法，导入 S57 格式的电子江图数据，并将水域进行功能分区，构建仿真环境; 设置交通流数据，其中智能船舶在仿真船舶中的占比为 30% ，生成混合交通流; 设置仿真开始时间为上午 10: 30，结束时间为下午 2: 30。选取下午 2: 00 时刻船舶在航数据进行区域航行风险评价分析，该时刻软件运行界面如图 3 所示。

　　根据前文提出的方法，分别计算各 Zone 区域的速度离散指数、加减速程度、船舶领域重叠数，如表 3 所示。对于码头区域，各项指标均为 0，因此未在表中列出。

　　( 2) 试验结果分析。由长江海事局历史数据得知，区域 2 因连接主航道和分支航路且航道相对狭窄，是航行事故多发地。由表 3 可知，区域 2 的速度离散指数和加减速程度分别为 5. 54 和 0. 57。因此，选择速度离散指数为 5、加减速程度值为 0. 5、船舶领域重叠数大于 0，作为本次长江南京段仿真的风险阈值。那么，区域 1、区域 2 和区域 8 具有高船舶碰撞风险、区域 7 具有低船舶碰撞风险，区域内应采取降低船舶航速、限制交通流量等安全措施，其他区域较安全。试验结果分析如图 4 所示。

　　3 结论

　　笔者对航行风险评价软件的构建及其各功能模块进行了分析和论述。首先，通过建立仿真环境模型，将水域进行功能分区; 其次，建立不同的船舶行为模型，仿真混有智能船舶的交通流，研究不同船舶组成占比下仿真水域内船舶航行情况; 最后，以长江南京段为场景开展试验，设定智能船舶占比为 30% ，分析得到各区域船舶航行风险等级。该软件是对未来内河水域海事风险评价的积极探索，可为海事部门的安全监管工作提供参考。——论文作者：朱航标1，2 ，吴 青1 ，杨满江3 ，王良武3 ，吴 兵2，4

　　相关期刊推荐：《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》(双月刊)创刊于1979年，是由武汉理工大学主办的自然科学学术期刊，重点刊登电子与电工、通信与信息、计算机、控制与自动化以及经济、管理科学与工程、物流工程等学科的最新研究成果，同时刊登机械工程、车辆与交通工程、能源与动力工程、资源与环境工程、土木工程与建筑、船舶与海洋工程以及力学、数学、物理学等基础学科的研究与工程应用论文。