項(xiàng) 鷺，張其毅，邵進(jìn)興，柴 田，熊振南

(1.廈門航標(biāo)處，福建 廈門 361012 ；2.福州航標(biāo)處，福建 福州 350005；3.集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

廈門港是我國沿海運(yùn)輸體系的重要樞紐，隨著腹地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)出廈門港的船舶數(shù)量逐年增加，2015—2017年通過青嶼斷面觀測(cè)門線的AIS(Automatic Identification System,船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))船舶數(shù)高達(dá)200艘次/日；同時(shí)船舶大型化趨勢(shì)也較明顯，日均進(jìn)出廈門灣水域的船長200 m以上船數(shù)量也從2015年的15.4艘次增加到2017年的19.9艘次。上述因素為進(jìn)出港船舶交通流組織增加了難度，同時(shí)也增大了航行風(fēng)險(xiǎn)。如何科學(xué)地評(píng)價(jià)廈門灣水域船舶航行風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，已成為涉海部門關(guān)注的重點(diǎn)問題。

國際航標(biāo)協(xié)會(huì)(IALA)較早認(rèn)識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)管理的重要性，提出了航標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)管理指南，將質(zhì)量保證和質(zhì)量管理，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理，服務(wù)水平列為航標(biāo)服務(wù)的三個(gè)重要問題[1]。根據(jù)成員國提出的“最小安全距離”(MSD)模型，IALA開發(fā)了通用水路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，該評(píng)估模型即為最早的IWRAP風(fēng)險(xiǎn)模型，通過交通流量、交通流分布特征函數(shù)以及船舶碰撞幾何數(shù)計(jì)算船舶碰撞頻率[2]。該模型在歐洲水域得到廣泛地應(yīng)用[3]。杜磊[4]和黃純等[5]分別用該模型的原理研究了深圳水域和長江口水域船舶航行風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果表明，IWRAP對(duì)于評(píng)估沿海水域船舶碰撞和擱淺風(fēng)險(xiǎn)具有良好的適用性。借鑒IWRAP風(fēng)險(xiǎn)模型的原理，柴田等[6]建立了開闊水域船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)頻率模型，為計(jì)算開闊水域自由航行的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)提供了一種新方法。本文目標(biāo)海域是廈門港主航道青嶼航段，交通流軌跡分布具有一定規(guī)律和特征，適合使用IWRAP評(píng)估船舶航行風(fēng)險(xiǎn)。

1 船舶碰撞頻率數(shù)學(xué)建模

IWRAP(IALA waterway risk assessment program) 建立了船舶碰撞和擱淺概率模型[3，7]，該模型碰撞頻率為λCol(或擱淺頻率λGrnd)。

λCol=NG×PC。

(1)

其中：NG為碰撞或擱淺船只的幾何數(shù)；PC為事故系數(shù)。

IWRAP MK II 軟件在計(jì)算船舶碰撞事故頻率時(shí)，將碰撞分成2類5小種[1]，即，發(fā)生在直線航段上的碰撞(追越和對(duì)遇)和發(fā)生在交叉航線上的碰撞(交叉、匯合和彎道碰撞)。圖1為船舶對(duì)遇碰撞幾何數(shù)預(yù)測(cè)模型，其中：μ、σ為分布參數(shù)。

本研究目標(biāo)海域?yàn)閺B門港主航道青嶼航段，計(jì)算青嶼航段內(nèi)對(duì)遇和追越碰撞幾何數(shù)，其中對(duì)遇碰撞幾何數(shù)如式(2)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

致事故系數(shù)受通航環(huán)境、人為因素和船機(jī)性能等因素影響，不同海域使用的致事故系數(shù)相異，IWRAP采用IALA推薦的致事故系數(shù)，見表1[2]。

表1 IALA推薦默認(rèn)致事故系數(shù)Tab.1 Default values of IALA settings

2 廈門港水域測(cè)試情況

本文使用IWRAP MK II軟件對(duì)不同航標(biāo)配布方案下的廈門港主航道青嶼航段船舶碰撞頻率進(jìn)行定量計(jì)算，評(píng)估航標(biāo)配布效能。

2.1 廈門港附近水域地形數(shù)據(jù)建模

根據(jù)IWRAP MK II軟件自身提供的制圖工具，結(jié)合Google地圖和中國海事局最新出版的海圖，本文構(gòu)建了包含島嶼、淺灘、暗礁和陸地在內(nèi)的目標(biāo)水域地形圖，見圖2。

為保障進(jìn)出廈門水域船舶的安全，2015年底廈門航標(biāo)處對(duì)青嶼航段航標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整：主航道新設(shè)13號(hào)燈浮，位置24°20′55.3″N，118°09′56.4″E，右側(cè)標(biāo)；調(diào)整16號(hào)燈浮至24°21′59.9′″N，118°07′59.3″E。調(diào)整后青嶼航段航標(biāo)配布見圖3。青嶼航段相關(guān)浮標(biāo)調(diào)整后，該航段航標(biāo)基本采取對(duì)標(biāo)布設(shè)方式。本文使用航標(biāo)配布前后的2015年和2016年青嶼航段船舶AIS數(shù)據(jù)，比較航標(biāo)調(diào)整前后船舶航行軌跡變化情況。

2.2 航段交通流分布建模

將廈門港青嶼附近水域的島嶼、暗礁、陸地等都選定后，設(shè)置若干個(gè)交通流統(tǒng)計(jì)截面，每航段都必須輸入交通橫向分布特征值。通過AIS交通流統(tǒng)計(jì)截面，獲取船舶軌跡分布特征值，若交通流分布呈典型正態(tài)分布，則易獲取其均值和方差這兩個(gè)特征參數(shù)；若交通流不呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，則需要對(duì)其分布態(tài)勢(shì)進(jìn)行擬合。IWRAP MKII提供6種船舶軌跡數(shù)學(xué)分布模型，為確定駛過青嶼航道截面的船舶軌跡分布模型，本文在利用航經(jīng)觀測(cè)門線的AIS船舶交通流數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法擬合航經(jīng)統(tǒng)計(jì)門線的船舶軌跡分布特征，青嶼航段進(jìn)港AIS船舶交通流特征分布情況見圖4。

在IWRAP提供的14種船型基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[4],再結(jié)合青嶼航段實(shí)際AIS船舶類型特點(diǎn)，將航經(jīng)青嶼航道截面的船舶分為集裝箱船、客/滾船、油船、化學(xué)品船、散貨船、雜貨船及其他6類。根據(jù)分類對(duì)青嶼航段截面AIS船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分類，形成本次定量計(jì)算的基本船舶尺度參數(shù)，使用IWRAP軟件統(tǒng)計(jì)功能，獲取的船舶種類信息見圖5。

2.3 評(píng)估結(jié)果分析

在地形、航道以及交通流分布相關(guān)信息建模完成后，對(duì)青嶼航段AIS船舶發(fā)生對(duì)遇和追越碰撞頻率進(jìn)行計(jì)算。其中對(duì)遇是指本船和他船真航向差的絕對(duì)值在[170°,190°]間的會(huì)遇狀態(tài)，追越是指本船和他船真航向差的絕對(duì)值在[0°,10°)或(350°,360°)間的會(huì)遇狀態(tài)。

將解析后的AIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果見圖6，圖7。圖6計(jì)算結(jié)果顯示，2015年青嶼航段航標(biāo)未做調(diào)整時(shí)，青嶼航段發(fā)生潛在追越和對(duì)遇船舶碰撞事件頻率分別為0.1221次/年和0.3384次/年。圖7結(jié)果顯示，2016年青嶼航段采用對(duì)標(biāo)布設(shè)配布優(yōu)化后，該航段內(nèi)發(fā)生潛在追越和對(duì)遇船舶碰撞事件頻率分別為0.1033次/年和0.2417次/年。

青嶼航段航標(biāo)采用對(duì)標(biāo)布設(shè)配布優(yōu)化后，航標(biāo)清晰地標(biāo)識(shí)了航道邊線，為船舶把定航向和把控船位提供了有利條件，增加了航行安全，因此使追越和對(duì)遇碰撞事故頻率分別下降了15.4%和28.6%，可見航標(biāo)配布優(yōu)化后得到了較顯著的助航效能。

3 結(jié)論

使用2015年和2016年船舶AIS數(shù)據(jù)分別對(duì)航標(biāo)調(diào)整前后的廈門港主航道青嶼航段對(duì)遇和追越船舶碰撞頻率進(jìn)行定量計(jì)算，結(jié)果顯示青嶼航段航標(biāo)采用對(duì)標(biāo)布設(shè)配布優(yōu)化后，該航段船舶碰撞頻率明顯減小，配布優(yōu)化后的航標(biāo)提高了青嶼航段航標(biāo)助航效能，降低了船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)。以船舶AIS大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用IWRAP MK II軟件評(píng)估港口受限水域船舶通航風(fēng)險(xiǎn)，可為航道航標(biāo)效能評(píng)估提供一種新方法，為航標(biāo)管理提供一種新手段。