淺談航跡控制系統(tǒng)（TCS）設計

王志恩 蘇珍莉

摘? ? 要：本文收集各國船級社對航跡控制系統(tǒng)的配置要求，介紹航跡控制系統(tǒng)的組成配置、接口設計、功能要求、系統(tǒng)報警及系統(tǒng)設計中需要注意的事項，分析航跡控制系統(tǒng)未來的發(fā)展前景。

關鍵詞：TCS;自動舵;電子海圖

中圖分類號：U666.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper mainly collects the configuration requirements of various classification societies for the track control system， introduces the composition and configuration of the track control system， interface design， functional requirements， system alarm and discusses the relevant matters needing attention in the system design， and analyzes the future development prospect of the track control system.

Key words： TCS;? Autopilot;? ECDIS

1? ? 前言

隨著船舶自動化、智能化水平的不斷提高，人們對安全便捷的駕駛方式的需求日益增大，使得航跡控制系統(tǒng)（簡稱TCS）也越來越受到船東們的重視。

航跡控制系統(tǒng)（TCS）是集合船位數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)、海圖、氣象、雷達和航速等信息，在各種狀態(tài)和船舶操縱性受到一定限制的條件下，使船舶自動保持在預先計劃的對地航線上航行的系統(tǒng)。

根據(jù)SOLAS公約（2014）要求：所有1萬總噸及以上的船舶，應設有1套首向或航跡控制系統(tǒng)，用于自動控制和保持首向或直線航跡。

十幾年前的自動化操舵系統(tǒng)，都是選擇首向信號加上自動操舵儀來滿足該項要求。但隨著船舶自動化、智能化水平的不斷提高，加上人工成本的上漲，船東開始追求船舶自動航行控制，減少人員的配置及減少人為操作失誤帶來的損失，因此不少船東要求在自動舵的基礎上增加航跡控制系統(tǒng)。

各大船級社在其一人橋樓入級規(guī)范的相關要求中，也明確了關于TCS的配置要求，其中挪威船級社和法國船級社更是明確要求TCS要滿足Category C要求。

海上安全委員會第69屆會議通過的決議MSC74（69），關于TCS性能標準的建議案，明確了TCS要達到的性能標準;IEC也相應頒布了IEC62065：2002 TCS的檢驗標準及2014的修改補充。

2? ?系統(tǒng)的組成

TCS主要由電子海圖（ECDIS）系統(tǒng)（包括：電子海圖處理器、鍵盤、軌跡球和電源裝置等）和自動舵系統(tǒng)（包括：自動舵操舵儀、操舵控制箱、反饋裝置等）組成，同時還需配置滿足規(guī)范要求的TCS報警裝置。圖1為某船的航跡控制系統(tǒng)的組成框圖。

從圖1可以看出：首向、船位、航速、風速、雷達、氣象等數(shù)據(jù)需要由相關傳感器發(fā)送至電子海圖和自動舵。

表1為某船的TCS外部接口示意表。

3? ?系統(tǒng)的功能

根據(jù)MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS的啟動至少需要有船位數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)、航速信息，以獲取船舶的操縱權。

TCS工作模式有兩種：一種是操縱船舶從當前船位到單一預設航路點;另一種是操縱船舶從當前船位沿一序列預設航路點（即航跡）航行。

TCS操縱流程為：首先船員在電子海圖上進行單一航路點或航跡設置，并將自動舵設置為TCS模式;由電子海圖系統(tǒng)接收首向信號、船位、航速、風速、風向等外部信息，計算出當前航跡與預定航跡之間的偏差;再通過電子海圖處理器內部計算需要調整的首向方向，然后由電子海圖向自動舵系統(tǒng)發(fā)出調整首向的信號，由自動舵控制舵機完成轉向動作，從而實現(xiàn)控制船舶沿既定航跡自動航行的目的。

根據(jù)IEC頒布的IEC62065：2002航跡控制系統(tǒng)檢驗標準，TCS可以分為3個不同級別：Category A、Category B、Category C。

（1）Category A：為單一直航跡或多段不帶轉彎的分航跡。簡言之，就是在一條直線上做航跡控制，航跡上不存在拐點;如需實施轉向，則必須通過手動切換至手動操舵模式。圖2為Category A航跡示意圖。

（2）Category B：在完全滿足Category A 的基礎上，可實現(xiàn)多個航跡點之間帶人工輔助的轉彎。即航跡上可以存在拐點，實現(xiàn)折線航跡，但在拐點處的轉彎仍需要人工輔助，且拐彎需基于預設好的拐彎半徑或轉向速率;當船舶航行至預設的拐彎半徑點處時會有報警提示，需要船員輔助轉彎。圖3為Category B航跡示意圖。

（3）Category C：在完全滿足Category A 的基礎上，可以實現(xiàn)多個航跡點之間的全自動導航，即在拐點處的拐彎全自動完成，無需人工輔助;由電子海圖系統(tǒng)通過各輸入?yún)?shù)（如首向、船位、航速、風向、風速等）進行計算并將轉向信息發(fā)送至自動舵，由自動舵調整舵角實現(xiàn)平滑拐彎;同時，系統(tǒng)會對船舶當前航跡與預定航跡之間的偏差進行實時監(jiān)測，如超出預設值會發(fā)出警報。圖4為Category C航跡示意圖。

4? ?系統(tǒng)報警設計

為保證航行安全，根據(jù)MSC74.（69）ANNEX 2的要求，TCS需要對下列情況進行自動報警：

（1）失電報警;

（2）船位監(jiān)測報警：當船位偏差超出預設的范圍時，發(fā)出報警;

（3）航向監(jiān)測報警：當航向偏差超出超出預設的范圍時，發(fā)出報警;

（4）傳感器失效報警：當發(fā)覺系統(tǒng)所使用的定位信號或首向信號發(fā)生丟失或處于報警時，發(fā)出報警，并為用戶提供安全操縱模式的指導;當值船員在30s內未確認失效和報警狀態(tài)，向后備駕駛員發(fā)出警報。該報警建議接入橋樓值班報警系統(tǒng)，以便通過橋樓值班報警系統(tǒng)向船長、大副、二副等發(fā)出報警信號;

（5）交叉航跡報警：當實際船位偏離航線超出預定的交叉航跡限值時，發(fā)出報警;

（6）偏航報警：當實際航向與航跡方向的偏差超過預設限值時，發(fā)出報警。

（7）低速報警：當航速低于預設限值時，發(fā)出報警。

5? ? 系統(tǒng)設計注意事項

（1）TCS有一定的適用范圍，并不是所有的船都適合配置該系統(tǒng)。根據(jù)MSC74（69）ANNEX 2的要求，TCS適用于航速從最小操縱速度增加至30kn和船舶最大轉彎速率不大于10°/s，對于航速太高的船舶并不適用;

（2）TCS主要是基于電子海圖和自動舵系統(tǒng)，為保證航行安全，需要電子海圖和自動舵聯(lián)合設計、共同取證。在TCS證書上會注明該套系統(tǒng)的TCS類別，標明配套的電子海圖和自動舵的廠家及型號。船級社要求必須提供相關TCS證書才允許安裝;

（3）TCS需要采集各輸入?yún)?shù)（如：首向、船位、航速、風向、風速等）進行計算，因此系統(tǒng)間的接口問題尤為重要。在系統(tǒng)設計時，需要協(xié)商好各系統(tǒng)間的接口信號，包括接口格式和通信協(xié)議，可參照表1。

6? ?系統(tǒng)的未來發(fā)展

對于長距離的遠洋船舶來說，TCS可以大大減輕船員的負擔，也減少由于人為操作失誤導致的事故。

隨著船舶自動化、智能化發(fā)展的趨勢，單純的TCS功能已不能滿足船東多元化業(yè)務的需求。目前不少廠家已經(jīng)開始在TCS功能上加入遠程遙控功能，由船公司對船舶航線進行遠程控制，甚至可以利用聯(lián)網(wǎng)平臺在陸上實現(xiàn)各船隊的遠程調度，實時監(jiān)控各航線上的船舶航行情況并實時調整。

智能船舶、無人船的興起，進一步推動了TCS的發(fā)展。《智能船舶規(guī)范》提出航路設計和優(yōu)化，即根據(jù)船舶所具有的技術條件和性能、特定的航行任務、吃水情況、貨物特點和船期計劃等，充分考慮風、浪、流、涌等因素，在保證船舶、人員和貨物安全的條件下，設計和優(yōu)化航路、航速，使燃料消耗最低，并在整個航行期間不斷優(yōu)化。因此在可預見的未來，航跡控制會往智能化、自主航行和自主學習的方向不斷發(fā)展。

參考文獻

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[4] 中國船級社. 智能船舶規(guī)范[S]. 2015.