基于VC的船舶操纵安全自动评估系统的开发

刘洋，李铁山，沈海青，郭晨

基于VC的船舶操纵安全自动评估系统的开发

刘洋a，李铁山a，沈海青b，郭晨b

针对目前利用大型的船舶操纵模拟器对船员进行评估考核存在的普及率低、评估结果主观性大、评估员工作量大的缺点，采用计算机模拟仿真技术，利用三自由度的MMG船舶运动数学模型，开发能提供与海上实际情况相似的一种船舶操纵安全自动评估系统，介绍系统的构架、功能、评估原理的设计。航行操纵测试实例表明该系统效果评估良好。

Visual C++；船舶操纵；安全；自动评估

海船船员理论知识考试目前已经实现无纸化，实操评估仍然是基于大型的船舶操纵模拟器获得操船相关数据，由评估员手动进行评估，这在一定程度上增加了主观因素对评估结果的不利影响，而且增加了评估人员的工作量。相关的自动评估系统研究[6-7]都缺少对船舶航行操纵方面进行自动评估的功能；而已有的实操自动评估系统[7]没有考虑不同种类船舶及不同港口之间操纵的难易程度，一部分内容没有实现真正意义上的自动评估,且应用的普及率较低。为此，考虑利用Visual C++面向对象程序设计语言进行编程，开发运行在PC上的船舶操纵安全自动评估系统。

1 船舶运动数学模型的建立

采用三自由度运动(即纵荡运动、横荡运动和艏摇运动)的MMG(ship maneuvering mathematical model group)模型[8]对船舶进行建模。

1.1 船舶平面运动方程

MMG仅考虑船舶在静水面的水平操纵运动，建立平面运动方程式如下。

(1)

式中：m为船体质量；mx，my为船舶纵向和横向的附加质量；Izz，Jzz为船舶的艏摇和附加惯性矩；ur，vr为船舶对水纵向和横向速度；X，Y为作用于船体上的纵向和横向外力；N为作用于船体上的绕垂直轴的外力矩；下标h，p，r，e为船体、螺旋桨、舵和外界环境。

1.2 风力模型

风力对船舶的作用力计算模型如下。

(2)

式中：ρa为空气密度；Af，As为船舶水线以上的正投影和侧投影面积；UR为相对风速；Loa为船舶总长；Cwx(αR)，Cwy(αR)和Cwn(αR)为纵向、横向的风压力系数及绕z轴的风压力矩系数，可由Isherwood公式求出。

1.3 流力模型

仅考虑均匀流，以及水流存在而产生“附加作用力”对船舶运动的影响，流的作用力用相对速度法进行水动力计算，计算模型如下[9]。

(3)

式中：Xc，Yc为流作用于船体上的纵向和横向外力；Nc为流作用于船体上的绕垂直轴的外力矩；Uc，φc为流速和流向；φ为船舶航向。

2 评估系统的设计与实现

2.1 评估系统构架

目标是设计一种可以提高考核的水平和质量，减少评估员的工作量以及避免主观因素对评估结果的影响的船舶操纵安全自动评估系统；能够实现进行不同的船型、不同吨级及不同主尺度船舶的通航安全评估考核。

为实现上述目的，以及便于系统的二次开发、维护和管理，本系统采用功能模块化设计。基于VC的船舶操纵安全自动评估系统，包括主框架、航线设计模块、船舶运动数学模型模块、船舶动态参数获取模块、评分模块和历史记录与回放模块，主框架采用Visual C++的MFC单文档程序，用于实现用户交互界面的显示，其他各模块采用动态链接库接口技术进行封装设计，实现与主框架的互通互联，系统各模块组成见图1。

2.2 评估系统功能

1)海图功能。可以加载全球S-57[10]标准的电子海图数据,采用S-52[11]标准显示和绘制海图，可以加载指定位置的海图文件；滑动鼠标滚轮以任意比例尺缩小放大海图进行浏览；提供基本、标准、全部3种数据显示方式；提供白天、傍晚、黑夜3种背景颜色方案。

2)航线设计功能。提供2种航线设计的方法。①在海图上手动绘制航线，通过设置航路点并把各航路点逐次连接起来完成航线设计；②通过把航线数据以坐标点的形式存放在文本文件中，并放在指定文件下加载得到航线。可以设计单向航道或双向航道，2种航线设计完成后，都可以通过鼠标在海图上实时增加、修改、删除航路点来修改完善航线；都可以在航线设计面板添加航线名称、航向起止港名称等信息；都可以在航线设计面板右侧航路点列表查看航路点的位置，相对距离等信息；可以存储多条航线供操作人员选择。

3)设置功能。①环境设置，实时设置评估时的外部扰动，包括风向、风速、流向及流速；②本船设置，可以通过查看船型(杂货船、集装箱船、散货船及油船)、船舶吨级及船舶设计尺度来选择本次仿真所用的船模；设置船舶初始位置、航速和航向；③操舵设置，可以选择手操舵和自动操舵；④仿真比例时间设置，默认时间和现实时间是一样的比例，设为超现实仿真加快评估进程以节约时间；⑤航迹设置，可以实时设置航迹的显示方式，船型显示还是航迹线显示；可以设置航迹显示的时间间隔；可以设置船型的填充颜色。

4)显示功能。船舶的实际长度和宽度以不同的比例尺在海图上显示船型；航迹显示包括船型、船舶航迹线两种显示方式，可以实时设置船舶航迹显示的时间间隔以及船型的填充颜色；在海图上实时显示船舶的运动状态，在信息显示面板动态地以数据形式显示本船的位置、航速、航向、偏航距、船舶距航道左边界距离、距右边界距离以及本船超出航道的次数等信息。

5)记录和回放功能。仿真结束后会提示是否保存仿真航迹数据，包括船舶动态信息、操舵记录、航迹信息等。用户可以加载历史记录查看船舶历史航迹，并在海图上以曲线形式显示船舶历史航迹，以数据的形式加载历史航行相关数据，一定程度上增加了船员考核的透明度，提高公平、公正性，同时也便于用户回顾历史，发现并改正不足。

6)自动评分功能。依据操船距航道边界的距离进行评估，用户可以综合考虑航道、船型、船舶吨级、船舶尺度、航速及风流等因素，通过菜单项按照自己的需求设置评分规则参数值，包括最大超界值、最多超界次数、距航道边界紧迫值、距航道边界危险值及距航道边界警告值。仿真结束后自动显示相关数据，包括超界次数，超出边界紧迫值、危险值以及警告值的次数，最大超界距离等并与预先设置好的评分参数值进行比较后得出本次仿真的评估结果，单向航道不允许船舶超出航道边界，评估结果包括优秀、良好、及格及不及格4个等级；双向航道允许船舶超出内边界，评估结果包括优秀、良好、中等、及格和不及格5个等级。仿真结束后自动输出评估结果，不仅减少了考官主观因素对评估结果的影响，而且减少了考官的工作量。

7)附加功能。有电子方位线和活动距标圈工具，可以在海图上测量方位和距离。

2.3 评估系统的设计原理

评估系统采用Visual Studio 2010平台进行编程开发，操作运行在Windows操作系统上，依据评估系统的功能及构架设计，最终实现船舶操纵安全自动评估的功能。默认的用户主界面见图2。

评估系统设计流程见图3。

3 评估系统测试实例

3.1 评估经过及结果

首先启动系统，然后新建一条新的测试航线，本次航线共设4个航路点，从“1#～4#”，航线总航程共12.8 n mile，安全偏航距0.1 n mile。测试从图上左下角开始航行到图上右上角。测试选取系统中已经建立的船模——大连海事大学“育龙”轮为被控对象，“育龙”轮船长126 m，船宽20.8 m，吃水8.0 m。设置初始航向80°，初始航速14 kn。操舵方式选择手动操舵。船舶初始位置与给定航线的偏航距离差ΔS=30 m，船舶初始航向与给定航线走向偏差角度Δψ=5°，海况设置为风向北偏东45°，风速3 m/s，均匀流1 m/s, 流向北偏东50°。仿真时间比例设为正常时间的20倍。航迹设置为线性显示，显示时间间隔为1 s、船型的填充颜色为红色。评分设置为最大超界值100 m、最多超界次数3次、距航道边界紧迫值10 m、距航道边界危险值20 m、距航道边界警告值30 m。被评估人员通过操纵操船面板上的舵控制船舶航行，船舶航迹的完整测试结果见图4。其中航道边界线遵循“左红右绿”的特点，航道中间的黑色线为本次操船的历史航迹。为了显示本次设计的航道全貌，航迹线显示不够清晰，所以在航迹图上增加2幅局部放大图，使能够清楚的查看图中的细节。当船舶航行到本次航道的最后一个航路点4#，单击操船面板上的“结束” 按钮，同时保存本次航行的历史航迹，然后自动输出本次航行操纵的评估结果。评估结果见图5，航行相关数据见图6。

3.2 评估结果分析

由评估结果可知，在本次航行操纵评估中，船舶超出边界次数、最大超出距离、超出距边界紧迫值次数、超出距边界危险值次数、超出距边界警告值次数都为零，所以本次评估结果为优秀。由图4观察船舶航迹可知，由于船舶初始位置与计划航线有一定的偏差，但是船舶经过一段时间操舵调整后实现沿计划航线航行，可见本次操船的船员具有一定的操船水平。随后在航行经过第2、3个转向点时分别出现了较大的航迹偏差，但通过转向点后，船舶经过一段时间调整继续很好地沿计划航线航行。在转向点出现较大波动的原因是本次操船人员没有把握好转向时机，没有考虑本船的操纵性能以及提前计算船舶航行至下一航段的施舵点。所以本次被评估人员总体上具有一定的操舵水平和对风流的适应能力，但在理解转向和船舶操纵性方面有一定的欠缺。综上可见，本系统操作便捷、显示美观，能在电子海图上无级缩放电子画图来观察航行结果，实时显示测试的数据，实时改变航迹显示方式，从而直观地展现了测试过程及结果，有利于通过数据及图像对船员的操舵技巧进行评价。自动输出评估结果，更减少主观因素对评估结果的不利影响，无论是从主观还是客观上，系统都能很好地提供数据支持。

4 结论

多次测试表明，开发的船舶操纵安全自动评估系统评估结果具有一定的客观性和准确性，降低了评估员主观因素对评估结果的不利影响，减少了评估员的工作量，提高了评估的效率和质量，同时顺应模拟器向小型化发展的趋势，提高了评估的普及率。限于能力和时间，系统存在一定的不足，如仅考虑均匀流对船舶航行的作用力，而现实航行中的流力都是不均匀的；提供的船舶运动数学模型覆盖面不够全面，不能满足对所有船型进行自动评估的要求；评分规则缺少一定的系统性，这些缺点与不足是系统今后改进的方向。

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[11] IHO S-52 SPECIFICATIONS FOR CHART CONTENTAND DISPLAY ASPECTS OF ECDIS Edition 5.0[S].the International Hydrographic Bureau,1996.

(大连海事大学 a.航海学院;b.信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

Development of Automatic Evaluation System for Ship Manoeuvering Safety Based on VC

LIU Yanga, LI Tie-shana, SHEN Hai-qingb, GUO Chenb

(a.Navigation College; b.College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To overcome the disadvantages of assessing mariners by large ship handing simulator, such as low penetration, projective result and heavy workload of evaluator, an automatic evaluation system for ship manoeuvering safety was developed, which could simulate the actual situation of sea approximately. The computational emulation technology and MMG mathematic model of ship motions with three degrees of freedom were adopted. The structures, functions and evaluating principles of the system were introduced. In the end, an instance of manoeuvering test was given to verify the effectiveness of the proposed system.

Visual C++; ship manoeuvering; safety; automatic evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.044

2016-06-21

国家自然科学基金(51179019,61374114)、辽宁省教育厅重点实验室基础项目(LZ2015006)、中央高校基本科研业务费项目(3132016313)

刘洋(1991—),男，硕士生研究方向:船舶运动控制

U675.79

A

1671-7953(2017)01-0181-05

修回日期：2016-07-14