ｒ Ｖｏ１．１９Ｎｏ．３ ｓｅｐ．１９９８ 上海海运学院学报 Ｊｏｕｒｍｄ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 船舶自动跟踪航行系统与驾驶自动化的探讨 马 列 （上海海遣学盹育海航避叠田上海２００１３５） ＼Ｊ 、７ 提要对日本的船舶自动跟踪航行系统的原理、系统的组成夏Ｉ作过程进 行１介绍，阐明１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，提出刺甩计算机程序控制将自动跟踪航行来统与自适应连接在－－，ｉｓ， 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。 行系统，驾驶自动化 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ｔ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ｔ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ｔ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，自动改变航向最后茸动驶向目的地．在茸动 采蕾日囊ｔ１９９７－１１－１９ 上海海运学院学报 １９９８． 跟踪航行期问，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．腰和完成自动跟踪航行（如图１所示）。 匿１鱼动航行疆固 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。为使船舶返回刘预定航向上，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。 麓兢由 固２自动堆肆兢行最持航向厚夏田（１） 固３ 自动罪踪航行最特航向厚夏囤（２） ｎＩ， Ｖ个 １ 修正角ａ＝ｓｉｎ ｛号一Ｋ￡ ｝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： 为船速；Ⅳ为外力引起船舶偏移的速度；ｘＴＥ为航向 线偏移距离； 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、航向偏差多步有关，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。 马列：船舶自动跟踪航行来兢与驾驶自动化的探讨 ８３ 而当有一个外力时，船舶通过单独调整航向 偏差的相应惨正角仍然不能使船舶返回到所设定 堕．——…——…—— Ｂ ｇ的初始航向上，必须再如一个对瘦的外力系数。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｛蕾ｊ系统就会根据 （多 ＜ 麓由幸向 航海者所设定的、希望船舶所在的不同偏航区域 瞳４ 自动驻制保持正砖龉位示意瑁 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Ｉｎ ｍｉｌｅ范围之内时，修正角仅包括对应的外力因素。 口：ｓｉｎ－１（ ） Ｂ区：当船舶在大于Ｉｎ ｍｉｌｅ／｜，－Ｔ ２ｎ ｍｉｌｅ范围之内时，修正角包括航向偏差和对应的外 力因素。 ｉｎ－＇（ 一五 Ｘ ＴＥ．， 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。 自动跟踪航行期闻，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 ｃ 一、 ……… 者航路点已接近。该报警的目的是为避 Ｂ ＼ Ｄ ｋ 免在航路点附近有其它船舶而改变航向 ＾ 匀、 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 Ｄ— ２Ｏｎｍｉｋ 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 嗣５束境自动馥室抗向示意目 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ＷＰ：的航向而不 是至ＷＰ 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 上海海运学院学报 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 由数据键扳、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。利甩世垒 堡 ！曼ｌ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 １开始自动鼹路髓行 当一切初始设定工作就绪（如航线、航路点、所要求的偏航范匿、要不要外力修正以及开 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 ｛Ｉ证航向 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 一ｓｏ嚏．， 十ｓｏ· 果两者之间偏差大于６Ｏ ，那么即使当你企图开始自动跟踪航 白－功航扦开培船位 行，自动跟踪航行系统也将不予执行，并且报警。如图６所示。 圈６来境白动报警示意凰 ２保向和自动转向 ４．２．１保向 Ｃ ： ＝ 一 围７儡航ｆ音报ｆ 囤８儡航报量 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 厂 警，显示“偏差大”·井闪烁，蜂鸣器响·警告已进入Ｂ区 如接一下ｌｃ（； Ｉ键，响声停止；如第 二次按此键，即巳对航向偏差确认，船舶将重新返回到Ａ区（如位３）。 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 航由改壹开瞥墁 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ｌｃ（ Ｉ 键一次，响声停止，如第二次接此键，即对接近 报警确认，但字符仍显示。然后当船舶通过航向 改变开始线肘（位２Ａ），便自动改驶封下一个航 路点２的藕置航向（即航路点１到航路点２的 圈９各竹自动航行蠼 Ｎｏ．３ 马列：船舶自动跟踪航行束兢与驾驶自动化的探讨 ８５ 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×０．５ ａｒｉｎ）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。 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ｌ０。 于是显示“未确认通过”，并闪烁．蜂鸣器响． 凰１０木确认通过 最航向 按一次ｌｃ ｌ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ｌｓ ｌ键，辖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。 （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 秉自访航抒 追 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 围１１追目自动航行（１） 将发出“不能工作”的报警．并不予执行 如图 ｌ１．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ｌ２。 瞳１２追回自动兢扦（２） 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太步。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 修正角极限范国。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。驾驶自动化的实现是一个系统工程，它涉及到方 方面面 众多学科和领域。但是，根据目前船舶现代化的状况以及国际国内造船业的水平，特 别是电子工业、微软科学的飞速发展，船舶驾驶自动化的实现巳为期不远了。 例如：航线自动化，现在已经出现了电子海图，只是有待于进一步的开发、完善、推广、普 及。导航自动化，ＧＰＳ ＡＲＰＡ雷达，以及各种先进的测深、测速、定位仪器已经在发挥其巨 大的作用，不少较为现代的船舶上已经实现了自动导航。而避让自动化，在现有技术的基础 上，加上电脑、电子技术的开发利用，避让自动化决不是不能实现的。现在，人类已经发明了 无人驾驶的自动避让汽车，自动避让船舶也必将从无到有，从小到大，从少到多。驾驶自动化 的实现．将对提高船舶安全，减少碰撞和污染，改善船员工作条件，提高劳动生产效率起到更 加重要的作用。 如下设想是在自动跟踪航行系统的基础上，通过进一步探讨，充分利用电子技术和计算 技术，为系统增加一些必要的功能，通过主微机控制，以达到进行自动避让、自动驾驶的目 的。具体构思框图如图ｌ３。 主要说明 （１）回波信息：使用雷达导航装置，要求不但具有ＡＲＰＡ避让功能，还必须具有驾驶速 度的控制功能以及跟踪驾驶功能。 （２）电子海图：利用电子海图，自动检查本船船位和安全程度，显示航线、转向点、抵达 情况，显示每个所需目标的详细图案以及海图、航区、禁航区 船位等，并可对其进行必要的 修正。 （３）自动避让系统：应具有航向、航速、距离、方位、ＣＰＡ ＴＣＰＡ的数据，并备有各种避 让方案数据库，即变速、变向、变速变向、停车等方案，还能对接收到的各种外来信息及数据 对照。避碰规则 、“通常航法 等进行分析处理，计算并控橱子系统工作。 （４）船舶黑匣子：能２４ｈ刷新记录船舶主要工况，如雷达、罗经、主机、舵角、日期、时闻、 船体应力、呼叫通讯、命令、警报及其它。 （５）主微控制：可进行各种功能的协调、控橱、综合处理，并在多功能显示屏上作直观显 示． Ｎｏ．３ 马列：船舶自动跟踪航行亲蜕与驾驶自动化的探讨 ８７ 圈１３船舶白动驾驶挂图 ‘ｔ任墙斡廖Ｊ｝新） 参考文献 １日末ＴＯＫＩＭＥＣ ＩＮＣ．ＴＰ－Ｏ ＴＲＡＣＫＩＮＧ ＭＯＤＵＬＥ有关文越 ２琏圆ＡＴＬＡＳ ＮＡＣＯＳ虹音导航 蝇有关文衄 Ｓｈｉｐ’Ｓ Ａｕｔｏ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ－Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｍａ Ｌｉｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ Ｊａｐａｎｅｓｅ·－ｍａｄｅ ａｕｔｏ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ·－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ． Ｂａｓｉｎｇ ｈｉｍｓｅｌｆ ｏｎ ｈｉｓ ｏｗｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｉｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｔｈａｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｏ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｅ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．ｅｘｃｅｐｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｍｅ￣ｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｓｈｉｐｓ，ａｕｔｏ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
