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碰撞事故频发,各国都有高科技

日期: 2020-02-14 01:19 浏览次数 : 94

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6月17日凌晨,美国海军“菲茨杰拉德”号导弹驱逐舰与菲律宾货轮在日本海相撞成为了全球热议的新闻。作为海上“老司机”的美国海军,其最先进的驱逐舰竟然发生这样低级的失误,实在令人唏嘘。在没有道路分界线和交通指示灯的茫茫大海上,特别是在夜间或恶劣天气航行时,如何避免舰船相撞,看上去似乎是一道难题。 事实上,在海上避碰规则日臻完善和导航技术高度发达的今天,如果不是故意撞击,即便是在恶劣的海况下,也是可以做到不发生碰撞事故的。海上避碰除了要遵守《国际海上避碰规则》、加强值更管理和应急训练外,还要依靠舰艇上配备的各种导航装备。接下来我们就细数一下现代海军舰艇上那些担当导航与避碰大任的高技术装备。 舰艇标配—— 陀螺罗经

1 引 言 海船避碰专家系统,对于降低碰撞事故具有重要的实用价值,也是实现完全自导的智能化船舶的重要组成部分。近年来,国内外海运界学者对其进行了不少理论研究,但与实用化尚有一定距离。专家系统的性能取决于知识库的质量,而知识库的质量又取决于所获取的领域知识的质量及可操作性。因此,明晰领域知识的来源,对碰撞危险的判断、决策过程予以量值化并明确其流程是建构实用化的海船避碰专家系统的必要步骤。 2 领域知识的来源 海船避碰行动的过程为:观察——判断——决策。《1972年国际海上避碰规则》[1]第五条“了望”对观察作了规定:“每一船舶应经常用视觉、听觉以及适合当时环境和情况下一切有效的手段保持正规的了望,以便对局面和碰撞危险作出充分的估计。” 观察的项目至少应包括:航区水域、能见度、通航密度、本船操纵性能、风浪流情况、航速、吃水和可用水深的关系,雷达等助航设备可能的误差、来船的距离、方位、航向及动态,等等. 通过观察所收集的信息,与专家系统知识库中的领域知识进行比较、推理,以确定碰撞危险程度、会遇局面的构成、本船的权利和义务、应采取的避让措施,并查核避让行动的有效性及避让结果,即为判断与决策过程。下面列出海船避碰专家系统领域知识的来源。 2.1 《1972年国际海上避碰规则》 《海规》是协调海上船舶避碰的技术指导和法律规范,其中可作为领域知识的内容有:伓员苋迷鹑蔚墓娑ǎ*?对避让行动的规定;?对避让信号的规定。这些规定,也是专家系统知识库的建构的基础和约束条件,但在具体操作的量化上,尚需其他方面专家知识的补充。 2.2 专家意见 专家意见往往是良好的船艺和船员通常做法或当时特殊情况所可能要求的戒备的总结归纳,或基于《海规》、几何关系,操纵特性等方面考虑的数量推导,是《海规》在具体操作和量化方面的重要补充。比较典型的专家意见有:A.N.科克罗夫特和J.N.F.拉梅杰合著的《海上避碰规则指南》[2];藤井首创并由Goodwin拓广至开阔水域的船舶领域、Davis的动界[3];Colley的RDRR;还有本文提及的我国学者的意见。 2.3 驾驶员实践经验 大连海运学院船艺教研室1985年通过向我国海员散发“海上避碰实况调查表”获得了202次避碰实况数据[3],吴兆麟和王逢辰通过统计获取的互见中能见度不良时,让路船采取避碰行动的四个特征量:伈扇”芘鲂卸绷酱嗬隓;?采取避碰行动时,目标船会遇最近距离DCPA;?转向避碰行动的幅度AC;?两船实际通过距离D。 2.4 自动避碰数学模型 任茂东、钱玉林、杨盐生、周显著、赵劲松等在《中国航海》、《大连海运学院学报》发表了各自的研究结果,即自动避碰数学模型的研讨及海上避碰规则指南。 3 磁撞危险的判断及避让时机 为了避免碰撞的发生,藤井建立了单一通航道中的船舶领域模型,该模型为对称于被保护船的一个椭圆。Goodwin将此理论的应用范围拓延至开阔水域,并将模型改建为依左、右舷灯及尾灯照射范围区分的三个扇区,考虑到《海规》对避让责任的规定,三个扇区的外边界与本船的距离有所不同, 比如,在Goodwin 建立的北海南部船舶领域模型中,它们的取值分别为0.7海里、0.8海里和0.45海里。 实质上,船舶领域是该船周围的有效水域。该船驾驶员将他船保持在该区域之外,是船舶保持航行安全所需水域。船舶领域可看作在避让时,保证两船安全驶过的最小距离在船舶360度方位上的分布。船舶领域边界与该船的距离随方位变化,其尺度约为船长的数倍。 船舶领域是驾驶员为了避免碰撞而希望保持的有效区域,但碰撞危险存在的范围远大于该领域。为了避免船舶领域被其他物标侵入,必须在更远的距离上提前采取避让行动,这一距离称为动界。Davis等人在调查统计的基础上提出了动界模型,该模型是一个半径为2.7海里的圆。将假想的船置于动界圆心使真船向左下方偏离,真船与假船距离为1.7海里,方向从假想船船首向顺时针方向起算199度处。 同样考虑保持船舶领域不受其他物标侵入,但不从距离而是从时间因素出发,Colley提出了RDRR模型。RDRR指目标沿相对运动线距本船领域边界的距离与其接近速度之比,单位为分钟。RDRR实质为如会遇两船保向保速,则他船到达本船船舶领域边界所需时间。在开阔水域且互见的情况下,一些学者推荐碰撞危险存在的RDRR为20分钟。 此外,国内外学者还进行了采用模糊集合或可拓集合论确定海船碰撞危险及避让相对开始距离或时刻的探讨,但迄今尚未达到成熟实用的程度。 以上专家依据可供知识库建构时判断碰撞危险及避让时机的参考。 当前航海实践中,对碰撞危险的判断,通常是根据DCPA和TCPA是否小于置定的期望值,若小于期望则认为有碰撞危险。考虑到现阶段大多数海船的航行速度,为简化避让模型,可以考虑将时间因素转化合并为距离因素。 王逢辰根据《海规》条文,特别是号灯可见距离的规定,提出了互见中两船以不变的罗经方位相互驶近时,按所处的相对位置和允许的或规定的行动,将船舶会遇分成四个阶段。[4]。 3.1 自由行动阶段 在远距离,碰撞危险存在之前,两船可以自由采取行动。两船距离以6海里为界。 3.2 致有构成碰撞危险阶段 当两船接近到有碰撞可能性时开始,《海规》规定让路船应及早采取大幅度行动,以便两船能在安全距离上驶过,直航船此时必须保向保速。两船距离,一般可以在3到6海里左右。 3.3 紧迫局面阶段 当两船接近到单凭让路船的行动已经不能达到在安全距离上驶过时,紧迫局面已经形成。这一阶段两船距离一般可以认为从小于3海里开始到1海里左右。 3.4 紧迫危险阶段 由于接近中的两船,在开始形成紧迫局面以后,没有及时按《海规》采取行动以避免紧迫局面,而导致碰撞即将发生,即出现紧迫危险。这时双方都应采取最有效避免碰撞的行动,包括背离规则的规定,以达到避免碰撞或减轻碰撞损失。此时两船距离大约是本船船长的几倍。 笔者认为,王逢辰的这个划分是比较合理的,经比较和分析,第(2)阶段和第(4)阶段分别与动界和船舶领域相对应,因此,如采用动界和船舶领域的数量模型对各阶段开始时不同方位上两船距离进行细化,可作为知识库中碰撞危险及避让时机判断的领域知识。 4 局面的构成及避让决策流程 《海规》对船舶在互见中的行动规则和船舶在能见度不良时的行动规则分别作了规定。因此,应根据观察信息对能见度状况作出判断。《海规》第三条对能见度不良作了定义,但无量化的规定。根据海上习惯,当能见度小于5海里时,即应备车航行;当能见度2海里时,应按《海规》第三十五条的规定鸣放雾号。实际执行中,即使有轻雾,两船可能在大于2海里的距离上互见,此时应执行互见中的行动规则。 4.1 能见度不良时的避让行动 雷达是能见度不良时的主要助航设备,当应用雷达避碰时,对于一般船舶推荐选用12海里距离标尺。一般认为(12~8)海里为判定碰撞危险阶段;(8~6)海里为避让行动阶段;(6~4)海里为查核阶段;4海里以内为即将形成紧迫局面阶段。一般认为,能见度不良时会让安全标准是DCPA不少于2海里。 能见度不良时的避让措施包括减速和转向。《海规》第十九条5款规定:“除已断定不存在碰撞危险外,每一船舶当听到他船的雾号显似在本船正横以前,或者与正横以前的他船不能避免紧迫局面时,应将航速减到能维持其航向的最小速度。必要时,应把船安全停住,??" 科克罗夫特[2]认为,在需要转向避让时,为使他船用雷达容易观察到,转向幅度至少应达到30度,若航速不变,最好在60度以上。有关规则[1]规定:转向时应尽可能避免:伋员蛔吩酱猓哉崆暗拇安扇∠蜃笞颍*?对正横或正横后的船舶采取朝着它转向。 科克罗特还推荐,当雷达探测到不同方位来船时,本船航向改变的避碰操纵图。 4.2 船舶在互见中的避让行动 4.2.1 根据船舶种类确定的避让责任 互见中,除了《海规》在狭水道、分道通航制水域、追越的条款中另有规定,本船与他船构成会遇局面时,首先应依照船舶种类确定避让责任。《海规》第十八条根据各类船舶操纵性能优劣、避让能力的大小,确定了船舶间的责任和业务,其排列顺序为,水上飞机、机动船、帆船、从事捕鱼的船舶、限于吃水的船舶、操纵能力受到限制的船舶和失去控制的船舶。排在前面的船舶种类,义务大些,权利小点,排在后面的相对权利大些,义务小点。 4.2.2 一般情况下会遇局面的构成及避让 《海规》第十三条、第十四条、第十五条根据会遇中两船的相对方位和航向及碰撞可能性分别定义了追越、对遇和交叉相遇三种局面,下面分别讨论本船在不同局面中的避让责任及避让决策。 1)对遇局面:本船与他船避让责任相同,《海规》规定两船各应向右转向,为符合《海规》对避让行动“早、大、宽”的要求,开始转向时,两船距离应处于上述[4]第(2)阶段,转向幅度应不少于10度。 2)交叉相遇局面:如有他船在本船左舷,本船为被让路船,本船应保向、保速。如有他船在本船右舷,本船为让路船。一些学者将此局面分为小角度交叉和大角度交叉两种情况。 小角度交叉时,本船处于他船舷角6度(Q(30度显示操纵号灯。大角度交叉时,本船处于他船舷角30度(Q(112.5度的方位。此时,相对速度小,两船接近慢,相持时间较长。本船可根据观察信息,视两船横距大小或航行环境,从以下三种避让措施中选择最优者:伒绷酱峋嘟闲。胰糜欣眩蟛嗨蚩砝刹扇〈蠓认蜃笞颍栽龃蠛峋啵匾笨勺笞蝗Γ弥焙酱韧ü⒚挪僮萆藕停ɑ颍┫允静僮莺诺啤*?若右让或左让均有困难,可采取减速或停车,让直航船从本船前方驶过。?当两船横距较大,可采取大幅度向右转向避让,从直航船尾驶过,并鸣放操纵声号和显示操纵号灯。 3) 追越局面:若本船为被迫越船,则本船为被让路船,本船应保向保速。若本船为追越船,则本船为让路船。当与前船距离达到上述[4]第(2)阶段,应用声号征得前船同意后开始追越行动。超越前船过程中,本船首尾线最好与被追越船首尾线呈发散角度,至少应成平行线。为防止发生船吸,两船的横距应保持一安全值,甄德福认为,此时安全通过距离至少为被追越船船长的4倍,直至驶过让清为止。 以上局面中,如本船为被规定保向、保速的被让路船,当发现让路船没有按《海

据不完全统计,自2000年以来,美国海军共发生碰撞、搁浅等严重事故25起,今年年初至今仅驻日美军就发生了3起。这次美国海军舰艇和菲律宾货轮相撞事件给人很多警示。

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人为因素是祸根

罗经是海军舰艇上普遍装备的、用于保证航行和作战的重要导航设备,也是历史较为久远的导航设备之一。罗经是由罗盘发展演变而来的。由于罗经原理简单、使用方便且可靠性高,无论是水面舰艇还是潜艇,都配备有这种导航设备。 罗经一般分为两类,一类是陀螺罗经,也称电罗经,另一类是标准罗经,也称磁罗经。与磁罗经相比,陀螺罗经结构较为精密,不受铁磁干扰,指向精度高、使用方便,因此海军舰艇上经常使用的罗经为陀螺罗经,如美国海军海狼级攻击型核潜艇就配备有2套高性能静电陀螺罗经。但使用陀螺罗经的前提是必须有电,当舰艇供电系统发生故障时,雷达导航等其他用电的导航设备也会失效,此时须启用磁罗经应急。 陀螺罗经导航原理是根据陀螺仪的定轴性和旋进性,利用地球自转和重力实现导航功能。由于陀螺罗经的主要功能是用于航线校正,不能显示迫近舰艇的信息,因此单靠罗经导航并不能防止碰撞事故,还需要辅助以雷达导航、声呐导航等主动型探测与导航装备。 无形之手—— 导航雷达 导航雷达属于主动型导航设备,在实现自身定位的同时,可以及时发现航线附近的危险接近物,因此是现代舰艇主要的海上避碰装备。舰艇导航雷达通过天线发射一定频率的电磁波来探测本舰周围的海面情况,以测定目标方位、距离,实现避碰、定位和进行导航。雷达导航主要用于引导舰艇出入港口、通过狭窄水道、沿岸航行和海上避碰,也可用于监视或寻找锚位、海上救援搜索和气象预报。 发达国家海军舰艇上的导航雷达通常与对海搜索雷达融为一体,以提高综合性探测和预警能力。导航雷达探测与预警的主要指标是最大和最小探测距离,最小探测距离越小,雷达盲区也越小,对小型快速迫近船只的预警能力越强。如美国海军尼米兹级核动力航母上配备的AN/SPS-67型对海搜索雷达,最大探测距离为104千米,通过增加窄脉冲方式后,最小探测距离可达到370米,大大减少了探测盲区,实现了对近距离小型舰艇的有效探测和分辨。 大多数国家海军舰艇和民用船只上,还装备了一种名为“自动雷达标绘仪”的避碰设备,亦称避碰雷达。自动雷达标绘仪是航海雷达与计算机技术相结合的产物,具有目标捕捉、跟踪、显示、报警、舰船试操纵等功能。该设备能同时对多个目标进行跟踪和处理,实时显示本船与被跟踪目标的距离、方位与航速等信息。对有碰撞危险的来船,值班人员可在自动雷达标绘仪上进行模拟避让操纵,以提前预测避让效果。目前,自动雷达标绘仪已经成为各国海军舰艇的必备装备。 导航雷达在海上避碰中扮演的角色虽然重要,但受雷达电磁波直线传播特性影响,雷达对目标的探测存在阴影区。另外,受雷达天线高度与垂直波束宽度的限制,以及雷达发射脉冲宽度与收发开关恢复时间的限制,雷达观测还存在盲区。特别是对近距离目标、遮挡物后的目标探测能力有限,对于反射信号较弱的目标在发现方面亦存在欠缺。因此,自动雷达标绘仪对目标的跟踪还存在目标丢失与误跟踪现象,在海上航行时也不能完全依赖雷达导航设备。

茫茫大海,烟波浩渺,为何舰船碰撞事故频繁发生?其实这是有规律可循的:在沿海水域及港口附近或遇到能见度不良的天气时,舰船往往容易发生碰撞。在考虑舰船碰撞事故原因和预防措施时,常常需要综合分析“人、船、环境、管理”系统中的各种因素,绝大多数碰撞事故是由于违反海上避碰规则等人为因素所导致的。据统计,80%的海事事故与人为因素有关,而与人为因素有关的舰船碰撞事故的比率更是高达96%。

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通常来讲,导致舰船碰撞事故的人为因素主要有四个方面:一是观察瞭望疏忽。未保持连续的、不间断的观察状态,未采取系统的、全方位的瞭望方法,以至于未及早发现来船,未及时核对本船航向,导致碰撞事故发生。二是舰船速度过高。在能见度不良的情况下,因本船速度过高,不能作出恰当的预判,导致无法采取有效的避让行动。三是助航设备使用不正确。未进行远近距离挡交替扫描,致使目标发现过晚来不及避让,或发现目标后未进行系统的观测,仅凭荧光屏上的回波主观臆断,采取与客观情况相违背的避让行动。比如,潜艇在水下靠被动声呐侦测,若对方噪音小或海洋背景噪音太大,就会造成危险局面。四是避让处置失误。据统计,有相当一部分事故是在原本有足够的时间用来操作、但未采取有效避让措施的情况下造成的。

上帝之眼—— 导航卫星 船舶上使用的卫星导航系统通常是集卫星定位、身份识别和通信联络于一体的综合系统,而非单一的导航卫星信号接收器。通常将该综合性系统称为“船舶自动识别系统”。该系统诞生于20世纪90年代,是融合了通信、网络和信息技术的高科技型航海助航设备,能借助全球定位系统将船舶航速、位置、目的地、航向及航向改变率等动态参数,以及船舶名称、船舶类型、吃水深度及危险货物等静态数据,通过甚高频向附近水域的船舶及岸台进行广播,使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态信息,以便迅速互相通话协调,采取必要的避让行动。 船舶自动识别系统的首要功能是船舶识别,此外它还能提供更多的信息使双方清晰了解对方的操纵意图,使避让更为及时有效。国际海事组织强制要求所有300吨及以上的国际航行民用船舶、500吨及以上的非国际航行民用船舶,以及所有客船都要配备船舶自动识别系统,以减少海上碰撞风险。 军用舰艇是否安装船舶自动识别系统,国际海事组织没做强制性要求。大多数军用舰艇上都配备了该系统,但出于行动保密等因素,即使安装了该系统也不经常用,多在应急时启用。有的军用舰艇在使用船舶自动识别系统时,会关闭信号发射功能,只启用信号接收功能。 水下有耳—— 避碰声呐 潜艇避碰一直是各国海军不敢掉以轻心的难题。从1954年到2000年,全世界发生的246起潜艇事故中,碰撞事故占46%。为防止水下潜航的潜艇与其他物体相撞,通常要通过声呐来辨明目标信息,并进行规避操作。 潜艇上的声呐主要包括主动声呐和被动声呐。主动声呐能主动从系统中发射声波“照射”目标,以获取目标信息,多用于探测冰山、暗礁、沉船、水雷和潜艇。被动声呐则被动接收目标产生的噪声信号,以测定目标的方位和某些特性,多用于不能暴露自己而又要探测敌方潜艇或水面舰艇方位时。因此,这两类声呐都可用于水下避碰探测,只是应用时机和场合有所差异。 海军新型潜艇普遍装备了性能先进的综合声呐系统。综合声呐系统是由多部声呐和水声测量设备组成的综合水声探测系统。例如美国海军攻击型核潜艇上配备的AN/BQQ-5综合声呐系统,由9部独立的数字声呐组成,各声呐之间可进行数据共享。与单一的避碰声呐相比,综合性声呐系统在探测静态障碍物和运行中的物体时更加精准有效,并且还能最大限度地隐藏自身信号。

安全航行三要素

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舰船安全航行关键是把握好“三要素”。保持正规瞭望是航行安全的“基石”,自始至终贯穿在舰船航行之中,任何时间、任何地点都要全神贯注、由近及远地观察,真正做到“瞭望不间断”。保持安全航速是避免事故的“灵符”,既有充分的时间预判形势,又有足够的余地采取措施,有利于掌握避让行动的主动权。正确实施避让是最后一个“锦囊”,当存在碰撞危险时,就必须迅速果断地采取正确有效的避让行动,包括转向、减速以及联合避碰等方式。切忌消极盲目避让,防止因判断不准确而抵消对方的避让行动效果。

土豪必备—— 综合舰桥 考虑到罗经导航、雷达导航、卫星导航等都有其局限性,不能达到百分之百可靠,因此美、德、英等发达国家海军在新造舰艇上倾向于借鉴豪华邮轮的做法,加装集各种导航手段为一体的综合舰桥系统。由于综合舰桥系统需要整合多种功能,并实现人机紧密协调,技术门槛较高,造价不菲,仅有少数“土豪”国家海军才能用得起这样的高端设备。 综合舰桥系统是在组合导航系统的基础上发展而来的船舶航行自动化系统。它利用计算机、网络、现代控制和信息融合等技术,将各种导航传感器、舰船操控、避碰雷达等设备有机结合起来,实现舰船航行自动化。该系统具有完善导航、自动驾驶、自动避碰、通信和航行管理控制等多种功能,提高了航行安全性。 海军舰艇综合舰桥系统除具备民船舰桥的基本功能外,还能够进行精确的航向、横移、平移、减摇控制,并与作战系统高度协调统一,实现了海军舰艇航行相关功能的一体化集成,是21世纪海军导航的主要发展方向。

空中防撞待突破

由于军事航空行动的隐蔽性、突然性以及战斗机的高机动性,空中防撞形势一直处于严峻的状态。从美国空军飞行安全中心网站公布的15种世界主要战机的统计数据来看,空中相撞坠机约占飞行事故的11.1%,从时机上看,起落、编队飞行和战术机动是发生相撞的三大高危期。

与舰船碰撞事故一样,触发战机相撞事故的原因也是“人、战机、环境、管理”系统中的不安全因素,其中人的不安全行为仍然是主要原因。因此,防撞工作就必须把握重点和关键环节,瞄准“靶心”精准发力。人员上要始终把握住工作主体,即飞行指挥员、飞行人员、领航员、管制人员,加强身体、心理、技术等方面的培训;制度上要将防撞的“关口”前移到空中“相遇”之前,即危险接近和飞行冲突等,合理地运用控制风险的方法和手段,从源头上消除或减小相撞概率。

与舰船避碰不一样的是,由于速度上的巨大差异,在战机防撞中人的能动性作用较小,这就促使世界各国都在开发军机防撞系统,但难度较大,鲜有突破性进展。美国空军研究实验室曾研发了一种自动空中防撞系统,在无需飞行员下达指令的情况下,使飞机做出合适的规避动作以避免相撞。