4. 船舶领域与碰撞危险度模型

在智能避碰决策链中，船舶领域与碰撞危险度模型承担着“把几何态势翻译成风险等级”的关键任务。雷达或AIS给出的只是他船的位置、航向、航速，而决策系统真正需要回答的是三个问题：本船周围哪些空间是“不希望被侵入”的？当前会遇在时间上还有多紧迫？多条船同时出现时先处理谁？本节围绕领域模型分类、DCPA/TCPA计算、模糊与概率危险度评估以及多船会遇危险排序展开。

一、船舶领域模型：从几何边界到动态风险空间

船舶领域（Ship Domain）可理解为本船周围一块“期望他船不进入”的水域。它与安全会遇距离DCPA在概念上不同：DCPA是两船相对运动的一个标量距离，而船舶领域是一个二维甚至三维的空间区域，其形状和尺寸随本船尺度、航速、水域类型与航行状态变化。常见的领域模型可分为四类：

• 几何固定型：如以本船为中心的圆形领域、椭圆形领域，参数少、计算快，适合开阔水域快速筛查，但难以体现船首船尾方向差异。
• 扇形/多扇区型：将360°划分为船首、正横、船尾等扇区，各扇区给定不同半径，能反映“船首方向更需留余量”的操纵特性。
• 解析边界型：以Fujii模型、Goodwin模型为代表，用若干圆弧或分段曲线围成非对称领域，较贴近实测会遇分布。
• 动态/概率型：领域尺寸随相对速度、海况、能见度或碰撞概率阈值变化，适合智能决策中与危险度模型耦合使用。

工程实现时，领域模型通常以“本船坐标系”定义：以本船为原点，船首方向为0°，右正横90°，左正横270°（或-90°），船尾180°。所有他船相对方位均按此约定换算，全文与图示保持一致。若他船相对位置落入领域边界内，即判定为“领域被侵入”，作为高风险触发条件之一。

二、DCPA与TCPA的计算

设本船位置为 $(x_0,y_0)$、航速$V_0$、航向$\psi_0$；目标船位置$(x_T,y_T)$、航速$V_T$、航向$\psi_T$。先求相对位置与相对速度：

dx = x_T - x_0,  dy = y_T - y_0
vx = V_T·sin(ψ_T) - V_0·sin(ψ_0)
vy = V_T·cos(ψ_T) - V_0·cos(ψ_0)
DCPA = |dx·vy - dy·vx| / sqrt(vx² + vy²)
TCPA = -(dx·vx + dy·vy) / (vx² + vy²)

其中DCPA为最近会遇距离，TCPA为到达最近点的时间。若TCPA<0，说明最近点已过去，两船正在远离，此时DCPA虽小但紧迫性下降；若TCPA>0且DCPA小于安全阈值，则构成紧迫局面。需要注意，DCPA/TCPA是基于匀速直线外推的近似值，当目标船机动或本船转向后必须重新计算。

三、模糊与概率危险度评估

仅用DCPA/TCPA阈值判断容易在边界处“跳变”。模糊评估把DCPA、TCPA、相对方位等输入模糊化为“近/中/远”“短/中/长”等语言变量，经规则库推理后输出危险度隶属度，典型规则如“若DCPA近且TCPA短，则危险度高”。概率评估则把目标船未来位置视为分布，通过蒙特卡洛采样或解析积分估计“两船距离小于安全距离”的概率，输出0~1之间的连续风险值。两者可结合：模糊模型给出可解释的等级，概率模型给出置信度。

四、多船会遇危险排序

多船场景下，不能简单按DCPA升序排列，因为TCPA很长的“近距但远离”目标可能并不紧迫。实践中常用综合危险度指标：将DCPA、TCPA、领域侵入程度、相对方位归一化后加权求和，或直接采用模糊推理输出的危险度隶属度作为排序键。排序后还需做“行动一致性”检查：若同时避让两船会导致本船转向冲突，应优先处理危险度最高者，并对其余目标保持监视。

表中数值为教学示例的合理假设，用于说明排序逻辑而非实测结果。可以看到T3虽然TCPA最短，但DCPA较大且未侵入领域，综合危险度低于T1；T1因领域被侵入而排首位。实际系统中还应设置“危险度突变”监测：当某目标TCPA快速缩短或DCPA持续下降时，即使当前排序靠后也应提前预警。

综上，领域模型界定“空间上不能进哪里”，DCPA/TCPA刻画“时间上还有多急”，模糊与概率模型把二者融合为连续风险值，多船排序则把风险值转化为决策优先级。四者构成从感知到决策的完整风险量化链路，也是后续避碰算法与仿真评估的基础输入。