船舶自动跟踪航行系统与驾驶自动化的探讨_马列

Vo l.19No.3Sep.1998上海海运学院学报Journal ofSha nghai M aritim e Univ ersity船舶自动跟踪航行系统与驾驶自动化的探讨马　列(上海海运学院育海航运公司　上海　200135)提　要　对日本的船舶自动跟踪航行系统的原理、系统的组成及工作过程进行了介绍,阐明了自动跟踪航行系统在航海中应用的意义,并结合笔者在航海实践中的体会,提出利用计算机程序控制将自动跟踪航行系统与自适应连接在一起,形成一套船舶自动驾驶的设想,以达到除紧急避让局面外,海上航行全部实现自动驾驶的目的。

关键词　船舶,自动跟踪航行系统,驾驶自动化中图分类号　U675.79科学技术的飞速发展,使得船舶自动化的研究和实现成为可能。

在逐步实现装卸自动化、系船、港内操纵自动化以及轮机自动化的同时,船舶驾驶自动化也取得了一定的进展,实现船舶自动化的时代越来越近。

1　问题的提出船舶在海上航行,虽然自动舵具有保持既定航向的功能,但它不具有保持船位的功能。

作为一个航海者,必须经常测定船位,一旦发现偏离航线就立即在自动舵上进行修正,设定新的航向,以使船舶返回到计划航向上来。

然而,如果利用电子计算机,我们就能免除这部分人工操作,充分发挥自动舵的一些最佳特性和功能。

譬如,将船舶计划航向在电脑中设定后,电脑就能连续不断地进行船位计算,如果船位偏航,它还能自动设定新航向,并通过与跟踪系统、自动操舵等系统的组合,就能在接近一个航路点时自动报警,提示航海者转向点到了,只要航海者按一下确认键,航向就会自动改变,并根据预设航路点,一直驶向目的地,这就是自动跟踪航行系统。

2　工作原理自动跟踪航行的工作原理是通过预设航向,自动改变航向最后自动驶向目的地。

在自动 来稿日期:1997-11-19跟踪航行期间,自动舵和原来一样,使用同样的航向操作控制,而所不同的是再无需人去不断修正、设定新的航向指令。

自动跟踪航行系统能连续计算航向、船位,并且指挥操舵仪工作。

在没有干扰的情况下,顺利完成自动跟踪航行(如图1所示)。

图1　自动航行框图自动跟踪航行保持航向的原理如图2和图3。

在自动跟踪航行期间,如果船舶保持在预定的航向上航行,这时的船艏航向与航迹向是相同的。

但若由于外力原因引起航向偏差,例如潮流影响,那么船艏航向与航迹向就不一致了。

为使船舶返回到预定航向上,控制系统自动设定了一个修正角,通过航向修正,就能使船舶始终保持在预定航向(即计划航向)上航行。

图2　自动跟踪航行保持航向原理图(1) 图3　自动跟踪航行保持航向原理图(2)修正角T =sin -1W V -K L X TE V它由电子计算机根据当时的速度、航向偏差、外力测定值自动连续计算,不断修正。

式中:V 为船速;W 为外力引起船舶偏移的速度;X TE 为航向线偏移距离;K L 为时间反馈系数,即是以确定的速度而返回到初始航向线的系数。

可以看出,修正角的大小,不但与外力大小、航向偏差多少有关,而且也与当时的船速有关。

外力大,航向偏差就大,必然要使用大的修正角;随后通过大的修正,航向偏差越来越小,又使修正角减小。

这些连锁变化都由电子计算机进行处理。

在没有外力时,航向修正角与航向偏差是相对应的。

82 上海海运学院学报 1998.图4　自动控制保持正确船位示意图而当有一个外力时,船舶通过单独调整航向偏差的相应修正角仍然不能使船舶返回到所设定的初始航向上,必须再加一个对应的外力系数。

所以,在这种情况下,自动跟踪航行期间的航向与航迹向是不一致的。

根据上述原理,当船位出现偏差时,就不必人为地不断改变航向,而计算机控制系统就会根据航海者所设定的、希望船舶所在的不同偏航区域而自动确立不同的控制方法,始终保持船舶的正确航向和最小的航向偏差。

如图4所示。

A 区:当船舶位于设定航向1n mile 范围之内时,修正角仅包括对应的外力因素。

T =sin -1(W V)B 区:当船舶在大于1n mile 小于2n mile 范围之内时,修正角包括航向偏差和对应的外力因素。

T =sin -1(W V -K L X TE V)该系统控制可一直连续到使船舶保持在预设航向的1/2n mile 范围之内。

C 区:当船舶所在区域大于预设航向的2n mlie 时,便将重新设定一个新航向到下一个航路点。

图5　系统自动改变航向示意图自动跟踪航行期间,系统将不断计算到下一个航路点的时间、距离和航向等,当接近航路点时,便以警报提示航海者航路点已接近。

该报警的目的是为避免在航路点附近有其它船舶而改变航向时可能产生的危险。

但在警报未被确认之前,航向是不改变的。

如果报警未被确认而过了航路点,船舶将继续沿着初始航向自动航行,“异常报警”依然持续进行。

如果航海者已对接近航路点的报警予以确认,自动跟踪航行系统就自动改变航向。

如图5所示。

当船舶在距离下一航路点小于20n mile,而航向偏差大于2n mile 时,将不设定下一个航路点的新航向,而是设定下下一个航路点的新航向。

如图5中C 区船至W P 2的航向而不是至W P 1的航向。

3　系统组成该系统由电源、导航板、操作板3部分组成。

电源:采用对应于自动舵的独立电源。

导航板:采用计算机中心处理器、16位进制8086微机、8087信息处理器,具有随机存83No.3 马　列:船舶自动跟踪航行系统与驾驶自动化的探讨 取、存储及切断电源时船位和航向等信息资料保留的功能。

导航板的作用主要是将来自各方面的船位信息进行运算、程序控制。

操作板:由数据键板、组合字符显示器、调光器、灯试验开关等组成。

该系统每次可设定10条航线,每条航线可设定20个航路点。

利用N AV DATE 等功能键可显示10种信息资料。

有关船位、航向、航速、抵各航路点的时间、距离、导航方法、偏航情况、外力修正等可随时查阅显示。

同时还具有各种声光报警、字符提示,并可对各种初始设定工作根据不同气象、不同海况及航海上的不同要求进行必要的修正,以使自动跟踪航行系统工作处在最佳状态。

4　工况简介4.1　开始自动跟踪航行当一切初始设定工作就绪(如航线、航路点、所要求的偏航范围、要不要外力修正以及开图6　系统自动报警示意图始自动跟踪航行时的船位……),就可启动自动跟踪航行系统,船舶马上会改变航向驶向设定的第一个航路点。

如果当时航向和航路点之间的航向相差较大,那么在自动跟踪航行开始后,船舶会立即大幅转向直驶航路点。

此时附近如有其它船舶则非常危险。

所以在转向时船舶应在第一航路点航向的大概方向上。

如果两者之间偏差大于60°,那么即使当你企图开始自动跟踪航行,自动跟踪航行系统也将不予执行,并且报警。

如图6所示。

4.2　保向和自动转向4.2.1　保向图7　偏航警告报警 图8　偏航报警在图7中,当船舶在A 区位1时,开始偏离船向;当进入B 区位2时,航向偏离开始报警,显示“偏差大”,并闪烁,蜂鸣器响,警告已进入B 区。

如按一下　BS CON F键,响声停止;如第二次按此键,即已对航向偏差确认,船舶将重新返回到A 区(如位3)。

图9　各种自动航行线在图8中,如果潮流很强,船舶有可能进入C 区,此时由于偏差过大,偏航报警开始,指示已进入C 区,自动跟踪航行就应予以取消。

4.2.2　转向当接近一个航路点时(如位1),航路点进入报警开始,显示屏闪烁,蜂鸣器响,按　BS CON F键一次,响声停止,如第二次按此键,即对接近报警确认,但字符仍显示。

然后当船舶通过航向改变开始线时(位2A),便自动改驶到下一个航路点2的预置航向(即航路点1到航路点2的84 上海海运学院学报 1998.计划航向)。

当船舶位于下一航路点计划航向的边上时,如位2B 船,那么它的航向改变开始线就是到达线。

而当船舶位于其航路点航向的其它边时,如C 船,则它的航向改变开始线是在到达线前(速度×0.5min)海里处。

(如虚到达线)如果在预设航向附近有一些船,而你感到航行有危险时,应及时转换到除自动航行以外的其他操纵方式(如手动、应急等)。

一旦转换为其他模式,便自动退出自动跟踪航行。

图10　未确认通过4.2.3　不确认通过当接近点已报警而没有被确认,或虽然被确认,但船舶已经通过了到达线(即未能及时确认),这样自动跟踪航行也不能工作,并予报警,船舶依然维持原航向前进,如图10。

于是显示“未确认通过”,并闪烁,蜂鸣器响,按一次　BS CON F 键,响声停止;第二次按此键表示确认信息,应转换到其他操纵模式。

同上所述,只要一旦转换到其他操纵方式时,就退出自动跟踪航行。

4.3　避碰操纵及返回自动跟踪航行(1)为了避让船舶之目的,应尽快将自动操纵方式改为手动操纵方式,并改变航向进行避让。

(2)当要返回到自动跟踪航行时,只要再按一次　N AV START键,输入所需航行的航线号和航路号,等开关键板上READY 灯亮时,将操纵方式转换到自动跟踪航行方式,便又重新开始自动跟踪航行。

图11　返回自动航行(1)(3)在任何避让操纵期间,如果正碰上你通过或即将通过某一航路点的情况时,一定在你要返回自动跟踪航行前,务必确定好其航路点究竟在哪里,倘若你已通过了预设的航路点,而现在又要返回到自动跟踪航行方式,那么,你船将会出现危险的U 型旋回。

为了避免这种情况发生,自动跟踪航行系统将发出“不能工作”的报警,并不予执行。

如图图12　返回自动航行(2)11,因为已过了航路点2,应设定下一航路点3的号码,便会正常返回自动跟踪航行。

(4)返回自动跟踪航行后,其航向是直接到下一个航路点的航向,而不是如同手动改向前的航向,它是从重新执行自动跟踪航行时的船位点到下一个航路点的直线航向。

如图12。

85No.3 马　列:船舶自动跟踪航行系统与驾驶自动化的探讨 86 上海海运学院学报 1998.5　系统评价综合自动跟踪航行系统,远比手动操纵航行具有更多的优点,它在自动舵操纵航行的基础上又向前迈进了一大步。

它更具有安全、节能、自动化等特点,深受广大海员的喜爱。

安全:船位误差小,精度高,随时可查阅各种航行信息,并能准确、及时地进行声光报警,字屏提示等。

节能:自动校正航向,偏差小,缩短航程,定位可靠,转向及时。

自动化:自动化程度高,无需人为不断修正航向、调整风流压差,可根据航海者意愿设定偏航区域、修正角极限范围。

计算机操作代替了人工烦杂的计算、控制,可以使航海者有更多的时间和精力投入到加强了望中去。

但它仍有一些不足之处,例如,它只能自动跟踪航行,而不会自动避让操纵。

所以,在船舶较为密集的地区,则应严格遵守避碰规则的要求,加强了望,做到早让、宽让,确保安全。

6　驾驶自动化的探讨所谓驾驶自动化,其核心是:航线自动化、导航自动化、避让自动化。

只有努力实现驾驶自动化,才能真正全面地实现船舶自动化。