江福才，曹文蕾，楊嘉毅，譚箭

基于沖突閾值的交匯水域通航安全評(píng)價(jià)方法

江福才，曹文蕾，楊嘉毅，譚箭

參考道路交通中的沖突延誤時(shí)間概念，考慮交通沖突局面對(duì)船舶航行效率的影響，定義水上交通沖突延誤時(shí)間，提出沖突閾值的概念，對(duì)某“T”形交匯水域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建基于沖突閾值的交匯水域沖突局面等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為量化船舶潛在航行風(fēng)險(xiǎn)和水域安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

水路交通；交通沖突技術(shù)；沖突延誤時(shí)間；沖突閾值；安全評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)的水上安全管理工作中，絕大多數(shù)的安全評(píng)價(jià)研究是基于事故資料進(jìn)行的[1]。但是，事故資料可能不全面。為此，考慮引入沖突延誤時(shí)間替代事故數(shù)。在道路交通中，沖突延誤時(shí)間[2-3]是指在信號(hào)控制交叉口的綠燈啟亮后，有沖突的交通流自停車線駛過(guò)沖突點(diǎn)的時(shí)間與沒有沖突的情況下相同距離內(nèi)行程時(shí)間的差[4]。在水路交通中，交通沖突局面下導(dǎo)致的船舶延誤將會(huì)造成該水域船舶密度增大，增加水域擁擠程度，給船舶帶來(lái)操縱和避讓的困難，對(duì)航行安全造成威脅[5]。為此，結(jié)合沖突延誤的定義，選取南方某港口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提出基于沖突閾值的水上交通安全評(píng)價(jià)方法。

1 水路交通沖突延誤時(shí)間的定義

在船舶交通流匯集明顯的水域，船舶在通過(guò)時(shí)會(huì)受到水域內(nèi)其他船舶交通沖突的影響，駕駛員采取變速、轉(zhuǎn)向的措施維持船舶安全距離，以便安全通過(guò)水域[6]。一般而言，受沖突程度越嚴(yán)重，延誤時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)水上交通安全的不利影響也越大[7]。

類比道路交通中沖突延誤時(shí)間的定義，將水路交通沖突延誤時(shí)間定義為：當(dāng)船舶進(jìn)入交匯水域后，受到?jīng)_突影響的船舶通過(guò)交匯水域的航行時(shí)間與無(wú)沖突情況下相同距離航行時(shí)間的差。

2 沖突閾值

在水路交通中，船舶駕駛員決定了船舶的行動(dòng)，但由于駕駛員素質(zhì)不同、精神狀態(tài)不同甚至對(duì)環(huán)境熟悉程度不同，導(dǎo)致船舶面對(duì)沖突局面作出的反應(yīng)也不同[8]。對(duì)于交匯水域，當(dāng)水域內(nèi)船舶數(shù)量較多時(shí)，駕駛員依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)整體把握船舶沖突局面，并采取減速、變向來(lái)通過(guò)水域保證安全，這是駕駛員自發(fā)進(jìn)行的，往往難以判斷運(yùn)用良好船藝的時(shí)機(jī)，最終釀成事故[9]。為此，提出沖突閾值的概念，用水域內(nèi)沖突船舶數(shù)作為確定依據(jù)。

2.1 沖突閾值的概念

由于僅依靠船舶駕駛員的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)沖突局面具有局限性，判斷結(jié)果會(huì)受個(gè)體差異、心理狀態(tài)等因素的影響，從而做出不可靠的操作反應(yīng)[10]。用沖突閾值來(lái)量化船舶駕駛員對(duì)沖突局面的估計(jì)，從而讓監(jiān)管人員提醒駕駛員，減少駕駛員因個(gè)體差異等因素導(dǎo)致的對(duì)沖突局面的判斷疏忽。選取某交匯水域采集沖突延誤數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找出相同等級(jí)下沖突船舶數(shù)與延誤時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)置沖突閾值，沖突閾值下限值為在該交匯水域出現(xiàn)多船會(huì)遇情況時(shí)的沖突船舶數(shù)數(shù)量(≥2)，沖突閾值上限值為在該交匯水域中對(duì)本船造成時(shí)間延誤突然大幅上升的沖突船舶數(shù)數(shù)量。

2.2 沖突閾值的意義

長(zhǎng)期以來(lái)，航道交匯水域、狹窄水道等復(fù)雜會(huì)遇水域由于交通流向復(fù)雜，所有船舶航行其中需特別謹(jǐn)慎，而安全事故多發(fā)的航道交匯水域多以警戒區(qū)的形式管理，海事安全監(jiān)管人員憑借VTS(vessel traffic services)系統(tǒng)對(duì)水域交通情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作壓力大，精神集中，但安全隱患依然存在。沖突閾值的設(shè)置可作為劃分水上交通安全評(píng)價(jià)等級(jí)的依據(jù)，當(dāng)水域沖突船舶進(jìn)入沖突閾值范圍內(nèi)時(shí)水域監(jiān)控平臺(tái)產(chǎn)生報(bào)警，海事監(jiān)管人員根據(jù)報(bào)警提示了解復(fù)雜水域的沖突局面已形成并采取措施。

3 沖突延誤數(shù)據(jù)采集

選取南方某港口一“T”形交匯水域中向上的船舶流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

1)船長(zhǎng)L。根據(jù)VTS工作屏幕查詢并記錄每艘通過(guò)交匯水域船舶的長(zhǎng)度。

2)船速V。VTS系統(tǒng)中船速是一個(gè)瞬時(shí)速度，所采集的船速關(guān)系到?jīng)_突延誤時(shí)間的計(jì)算。對(duì)交匯水域而言，其他通航條件不變的情況下，船舶通過(guò)時(shí)間包括：減速時(shí)間T1，保速航行時(shí)間T2，加速時(shí)間T3，具體時(shí)間分布見圖1。

對(duì)于不同情況的交匯水域，船舶駕駛員降低船速的位置是不確定的，也就是圖1的A點(diǎn)；而船速數(shù)據(jù)的采集要求觀測(cè)人在觀測(cè)到船舶到達(dá)A點(diǎn)后及時(shí)記錄船速，才能便于更好計(jì)算沖突延誤時(shí)間，降低相應(yīng)的誤差。A點(diǎn)的選取，從通航安全的角度來(lái)看，結(jié)合當(dāng)?shù)亓髁枯^大、船速不高的實(shí)際情況，擬采集船舶進(jìn)入交匯水域前1 km處的速度值作為船舶速度的數(shù)據(jù)，當(dāng)船舶到達(dá)D點(diǎn)，即標(biāo)志著安全船舶駛離航道交匯水域，理論上同A點(diǎn)對(duì)稱。因此，船速數(shù)據(jù)的采集需要觀測(cè)人密切留意VTS顯示的信息，在離交匯水域約1 km左右記錄船舶速度，盡量準(zhǔn)確、及時(shí)，減少誤差。

3)通過(guò)時(shí)間T。通過(guò)時(shí)間是指船舶受到?jīng)_突影響實(shí)際駛過(guò)交匯水域所用時(shí)間，如圖1所示，觀測(cè)者統(tǒng)計(jì)的通過(guò)時(shí)間應(yīng)為船舶通過(guò)A～D段所用時(shí)間。

4)沖突船舶數(shù)S。船舶在進(jìn)入交匯水域前，交匯水域內(nèi)存在的船舶均會(huì)干擾駕駛員的判斷，在一定程度上導(dǎo)致更大的延誤發(fā)生。本次“T”字形交匯水域，沖突船舶數(shù)采集見圖2。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)船長(zhǎng)、船速、通過(guò)時(shí)間及沖突船舶數(shù)，設(shè)計(jì)出供數(shù)據(jù)采集使用的表格，見表1。

表1 沖突延誤數(shù)據(jù)記錄表

4 評(píng)價(jià)方法

4.1 沖突延誤數(shù)據(jù)分析

對(duì)“T”字形交匯水域進(jìn)行1年的數(shù)據(jù)采集，剔除無(wú)用數(shù)據(jù)后剩余22 381組。其中，船長(zhǎng)小于50 m的船舶有7 959組，船長(zhǎng)在50～100 m范圍的船舶有13 646組，船長(zhǎng)大于100 m的船舶有774組。對(duì)于該研究水域船舶長(zhǎng)度一般不大，考慮到船長(zhǎng)在100 m以下的船舶占全部樣本數(shù)的96.53%，為盡量保證樣本數(shù)量和結(jié)果合理性，初步將數(shù)據(jù)按船長(zhǎng)分成兩類，一類為小于50 m的船，一類為50～100 m的船。

沖突延誤時(shí)間為

(1)

式中，T′為延誤時(shí)間；T為通過(guò)時(shí)間；T0為理想時(shí)間；U為交匯水域長(zhǎng)度；L為船長(zhǎng)；V為船速。

計(jì)算出每組船舶數(shù)據(jù)的延誤時(shí)間，以沖突船舶數(shù)對(duì)延誤時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2、3。

表2 船長(zhǎng)小于50 m時(shí)的船舶延誤時(shí)間

表3 船長(zhǎng)為50～100 m時(shí)的船舶延誤時(shí)間

當(dāng)沖突船舶數(shù)到達(dá)一定數(shù)量后延誤時(shí)間會(huì)發(fā)生突變現(xiàn)象。在突變前，延誤時(shí)間有增有減，大體呈上升趨勢(shì)，意味著船舶駕駛員在交匯水域中隨著面對(duì)數(shù)量增多的沖突船舶時(shí)采取更大程度的避讓措施，造成了更大的延誤時(shí)間，這與實(shí)際情況相符。由于船舶駕駛員意識(shí)到水域內(nèi)的船舶會(huì)對(duì)本船的航行造成較大的沖突后，通過(guò)更大程度的變速操作來(lái)降低航行風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致延誤時(shí)間出現(xiàn)較大的增幅。

4.2 沖突閾值的確定

4.2.1 沖突閾值下限

當(dāng)交匯水域內(nèi)船舶數(shù)量為1或2艘時(shí)，船舶駕駛員應(yīng)嚴(yán)格遵守避碰規(guī)則的要求進(jìn)行船舶操縱，由于水域操縱空間較大，船舶之間的沖突不嚴(yán)重，危險(xiǎn)性不大。當(dāng)水域內(nèi)船舶超過(guò)2艘，由于容易出現(xiàn)多船交叉會(huì)遇的情況，駕駛員必須通過(guò)良好船藝進(jìn)行操縱，船舶航行受到一定的威脅，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的延誤。因此，沖突閾值下限取為2。

4.2.2 沖突閾值上限

根據(jù)前述沖突延誤數(shù)據(jù)分析，當(dāng)水域內(nèi)沖突船舶數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)延誤時(shí)間出現(xiàn)突變的現(xiàn)象。以船長(zhǎng)小于50 m船舶為例，當(dāng)沖突船舶數(shù)達(dá)到8艘時(shí)，延誤時(shí)間較之前出現(xiàn)一個(gè)較大的增幅，表示駕駛員面對(duì)船舶沖突的威脅采取更大程度的避讓措施，意味著水域交通安全狀態(tài)較為威脅，甚至存在碰撞的可能。為了保障安全行駛，船舶駕駛員就必須在將安全航速設(shè)定得更低。這便是以船舶的長(zhǎng)時(shí)間延誤作為代價(jià)，海事監(jiān)管部門則要采取強(qiáng)度更大的交通管制，這也將會(huì)帶來(lái)延誤時(shí)間的增加。因此，沖突閾值上限取為延誤時(shí)間突變時(shí)對(duì)應(yīng)的沖突船舶數(shù)。

4.3 沖突局面等級(jí)劃分

水上交通沖突局面可描述為當(dāng)2艘或2艘以上的船舶在同一時(shí)間、空間上相互接近，如果目標(biāo)船舶采取非正常駕駛行為(突然轉(zhuǎn)向、變速或消極避讓)，致使本船處于復(fù)雜會(huì)遇境地的局面。將基于沖突閾值作為水域沖突局面嚴(yán)重程度等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，將沖突局面劃分為輕度沖突局面，較嚴(yán)重沖突局面和嚴(yán)重沖突局面。

1)輕度沖突局面。當(dāng)水域中沖突船舶數(shù)量小于沖突閾值下限值，沖突局面對(duì)船舶時(shí)間延誤影響較小，且此時(shí)水域較空曠，船舶操縱較容易，2船遵守避碰規(guī)則并采取有效行動(dòng)能夠保持安全距離，可安全駛過(guò)該水域。因此，將下限值之下的沖突局面歸為輕度沖突局面。

2)較嚴(yán)重沖突局面。當(dāng)水域內(nèi)沖突船舶數(shù)在沖突閾值以內(nèi)時(shí)，延誤時(shí)間雖有上升，但總體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)，此時(shí)船舶駕駛員若能充分估計(jì)出水域的沖突局面，做出應(yīng)對(duì)措施；或海事監(jiān)管人員能及時(shí)做出協(xié)調(diào)，延誤時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)突增，水域的通航秩序處于較易協(xié)調(diào)的狀態(tài)。而一旦沖突船舶數(shù)超過(guò)沖突閾值上限值，沖突延誤時(shí)間會(huì)出現(xiàn)突增，水域內(nèi)船舶會(huì)遇局面將變得十分復(fù)雜，協(xié)調(diào)難度增大。因此，將當(dāng)沖突船舶數(shù)在沖突閾值之內(nèi)的沖突局面劃分成較嚴(yán)重的沖突局面。

3)嚴(yán)重沖突局面。當(dāng)水域內(nèi)沖突船舶數(shù)超過(guò)沖突閾值上限值，船舶延誤時(shí)間突變后仍會(huì)隨著沖突船舶數(shù)量的增加而較快增大，這時(shí)若不采取高強(qiáng)度的協(xié)調(diào)、管制手段，水域?qū)矶聡?yán)重，船舶碰撞危險(xiǎn)增大。因此，將當(dāng)沖突船舶數(shù)超過(guò)沖突閾值上限的沖突局面劃分為嚴(yán)重沖突局面。

具體劃分見表4。

表4 交通沖突局面劃分

以調(diào)研的T形交匯水域中，船長(zhǎng)小于50 m的船舶為例，該水域中沖突船舶數(shù)在2艘以下時(shí)均屬于輕度沖突局面，在沖突閾值內(nèi)即沖突船舶數(shù)在2～8艘時(shí)，屬于較嚴(yán)重沖突局面，沖突船舶數(shù)超過(guò)8艘時(shí)，屬于嚴(yán)重沖突局面。

5 結(jié)論

將沖突延誤引入到水路交通研究領(lǐng)域中，結(jié)合水路交通的特點(diǎn)定義了水路交通沖突延誤，提出了沖突閾值的概念，通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集找出沖突船舶數(shù)與延誤時(shí)間的關(guān)系，以此作為沖突閾值的劃分依據(jù)，并提出一種基于沖突閾值的交匯水域安全評(píng)價(jià)方法即沖突局面等級(jí)的劃分，可協(xié)助海事監(jiān)管人員整體評(píng)價(jià)水域交通狀況，及時(shí)通知駕駛員采取措施減少延誤，提高安全性。研究工作存在一定局限性，在研究延誤時(shí)間中未量化自然因素的影響，可能導(dǎo)致延誤時(shí)間出現(xiàn)一定偏差，這也是下一步研究的重點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步分析具體沖突形式以及自然條件對(duì)延誤時(shí)間的影響，提高設(shè)置沖突閾值的合理性，并開發(fā)能在VTS平臺(tái)使用的交通安全評(píng)價(jià)軟件，可降低監(jiān)管人員的壓力，提高水域的安全性。

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(武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430063)

Navigation Safety Evaluation Method for Junction Waterway Based on Conflict Threshold

JIANG Fu-cai, CAO Wen-lei, YANG Jia-yi, TAN Jian

(School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Refer to the study on conflict delay time of road traffic, the influencing factors of navigational efficiency were analyzed for ships under the situation of traffic conflict. The conflict delay time of waterway traffic was defined and the concept of conflict threshold was put forth. Through collecting the data of a “T” junction waterway, the evaluation method of waterway traffic safety can be established. It can provide a basis to evaluate quantitatively the navigational risk and traffic safety.

waterway traffic; traffic conflict technique; conflict delay time; conflict threshold; safety evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.043

2016-04-12

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目 (2013329811310)

江福才(1963—)，男，碩士，教授研究方向:交通環(huán)境與安全保障

U697

A

1671-7953(2017)01-0177-04

修回日期：2016-04-15