水路交通中風(fēng)險評估與通過能力研究進(jìn)展

陳卓歐 郭國平 張金奮吳 兵

（武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1） 武漢 430063） （武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心2） 武漢 430063） （水路公路交通安全裝備與控制教育部工程研究中心3） 武漢 430063）

0 引 言

隨著海上和內(nèi)河航運業(yè)的迅猛發(fā)展，某些重要的海灣、港口、航道等水域內(nèi)船舶數(shù)量不斷增加，噸位不斷提高，給當(dāng)?shù)厮虻慕煌◣碇T多問題.科學(xué)評估水域交通安全形勢，有效識別出影響交通安全的主要風(fēng)險因素，進(jìn)而有針對性地采取風(fēng)險緩解措施，提高某船舶通過能力，提升航道的服務(wù)質(zhì)量，成為當(dāng)前水上交通研究領(lǐng)域的兩大主題.

水上交通運輸作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其功能的發(fā)揮受多種因素的影響，而這些因素在不同類型水域環(huán)境中具有較大的差異.不同的水域在水文氣象條件、船舶特性、航行規(guī)則等方面也具有很大的差異.本文針對一些典型水域，如海灣、海峽、港口、內(nèi)河船閘水上交通流的相關(guān)研究成果，分別對風(fēng)險分析和評價的相關(guān)理論與方法，船舶交通組織和調(diào)度、通過能力評估的相關(guān)研究成果進(jìn)行分類總結(jié)，進(jìn)而提出未來的研究方向.

1 海 灣

日本是較早研究海灣水域交通流的國家之一，研究主要側(cè)重于原始數(shù)據(jù)分析.其中較為典型的是Liu等［1］利用2臺船用雷達(dá)采集東京灣船舶交通流數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)圖像的疊加，并結(jié)合AIS數(shù)據(jù)，將東京灣水域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)的船舶密度，識別出交通流密度大的水域.這種方法僅僅實現(xiàn)了交通流數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計分析，對交通風(fēng)險的內(nèi)涵仍需要更進(jìn)一步研究.

相比之下，美國的San Francisco灣和芬蘭的芬蘭灣（Gulf of Finland）的研究更加系統(tǒng)和深入.San Francisco灣交通流的研究源于華盛頓州最大的輪渡系統(tǒng)［2］需求的增長，輪渡數(shù)量的增加會給當(dāng)?shù)亟煌L(fēng)險帶來影響.在當(dāng)?shù)卣闹С窒?，美國Virginia聯(lián)邦大學(xué)的Jason［3］研究了當(dāng)前情況下和3種渡船業(yè)務(wù)擴(kuò)張策略：延長輪渡服務(wù)時間、增加輪渡班期和引進(jìn)高速船舶時的船舶會遇數(shù)量的變化情況，并與當(dāng)前狀況進(jìn)行比較，研究風(fēng)險的增加程度；在后續(xù)研究中［4］，針對海事系統(tǒng)這一特定領(lǐng)域，提出Bayes風(fēng)險分析框架，在數(shù)據(jù)缺乏的情況下，對具有潛在事故風(fēng)險情況的Bayes仿真與專家對風(fēng)險和不確定性的判斷相結(jié)合，實現(xiàn)海事系統(tǒng)的風(fēng)險量化評估.

芬蘭灣位于芬蘭和愛沙尼亞水域之間，隨著與俄羅斯之間貿(mào)易的增長，該水域交通流量迅速增加.Helsinki理工大學(xué)的Kujala［5］對各種類型的事故進(jìn)行了統(tǒng)計分析，研究交通流交叉區(qū)域的碰撞風(fēng)險問題.J.Montewka［6］提出一種基于最小碰撞距離（minimum distance to collission，MDTC）的碰撞概率模型，較早提出根據(jù)船舶的操縱性來評價會遇船舶之間的碰撞危險，認(rèn)為會遇船舶同時采取最有效的避讓操縱情況下，2 條船舶的最近會遇距離越小，碰撞風(fēng)險越大.該模型認(rèn)為避碰時相遇船舶同時進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，這個假設(shè)與避碰規(guī)則不符.F.Goerland［7］從船舶會遇可能性角度建立了船舶碰撞概率仿真模型，利用Monte Carlo模擬的方法估計事故數(shù)量的期望值，得到水域內(nèi)碰撞事故風(fēng)險的分布圖，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評估預(yù)測結(jié)果.

2 海 峽

土耳其的Istanbul海峽是世界上最為繁忙的海峽之一，被美國能源信息部門認(rèn)為是世界上六大海上交通瓶頸之一［8］，海峽的通過能力和航行安全均是當(dāng)?shù)毓芾聿块T關(guān)注的2個焦點.針對這一水域的研究值得借鑒.

在通過能力研究方面，B.?zbas等［9］考慮該海峽船舶追越規(guī)則、引航員和拖輪配備等因素對航行安全的影響，認(rèn)為風(fēng)和流、引航員配備是影響通過能力的主要因素.D.Mavrakis等［10］則研究將兩個方向到達(dá)船舶按照客船在最前，危險品船在最后的規(guī)則排隊，船舶在建立的通行規(guī)則模型下依次通過海峽，對不同船舶到達(dá)率情況下的通過船舶數(shù)量進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明危險品船舶數(shù)量的線性增長會導(dǎo)致船舶平均等待時間和隊長呈指數(shù)增長，而其它類型船舶數(shù)量增加時平均等待時間和隊長呈線性增長.S.U.?zgecan等［11］則通過建立數(shù)學(xué)模型研究船舶調(diào)度規(guī)則，主要思想是在先到先服務(wù)（first come first served，F(xiàn)CFS）調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上為大型危險品船舶設(shè)定較高的優(yōu)先級，并與實際調(diào)度規(guī)則進(jìn)行比較驗證模型的準(zhǔn)確性.

在風(fēng)險分析研究方面，Or等［12］利用Bayes理論對Istanbul海峽歷史交通和事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將事故分為碰撞事故和其他事故兩類，計算事故發(fā)生條件下的船長、船旗國等因素的狀態(tài)分布情況，建立條件概率函數(shù)模型，研究在當(dāng)前情況下，以及假設(shè)當(dāng)?shù)亟煌髅芏仍黾?、大船比例增加、油船比例增加等情況下的風(fēng)險變化情況.Sari?z等［13］則從船舶操縱性建模出發(fā)，從微觀角度研究在給定船舶和環(huán)境等參數(shù)情況下引航員能否讓船舶安全通過海峽.?zgecan［14］將海峽分成21個小塊，每個小塊內(nèi)的風(fēng)險通過某個時刻從任意方向進(jìn)入該區(qū)域船舶的航行狀況計算，包括進(jìn)入船舶的所有情況（船舶和環(huán)境狀況等）的屬性信息，同時考慮了引發(fā)二次事故的風(fēng)險，研究成果在他的博士論文［15］中有系統(tǒng)的闡述，并且進(jìn)一步研究了船舶到達(dá)規(guī)律，調(diào)度策略、引航員配備、當(dāng)?shù)亟煌髅芏鹊纫蛩貙︼L(fēng)險的影響.

實際上，通過能力和風(fēng)險存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系.船舶調(diào)度策略的改變，允許更多的船舶進(jìn)入海峽，會使風(fēng)險上升到很高的水平，而選擇能夠降低風(fēng)險的調(diào)度策略會導(dǎo)致船舶平均等待時間增加，降低通過能力.因此航道的通過能力與航行風(fēng)險之間存在某種對立的關(guān)系，而如何平衡二者之間的關(guān)系是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容.

3 港口航道

從港口航道交通流方面的研究來看，主要集中在2個方面：（1）針對繁忙港口的船舶進(jìn)出港調(diào)度問題，重點研究航道的通過能力提升和交通擁堵緩解問題；（2）基于港口航道存在多種不利環(huán)境，給船舶安全航行造成不利影響，重點研究航行風(fēng)險緩解問題.

在港口航道通過能力方面，研究工作大多集中于較為繁忙的國際性港口，以及航道條件較差且通過能力不足的內(nèi)河港口.Y.Gi－Ta等［16］研究了世界上第三大繁忙港口韓國釜山港的船舶擁擠問題，利用AWE－SIM 仿真語言分析了2011年港口存在的潛在擁堵問題，并對預(yù)防船舶擁堵亟需解決的問題提出了建議.我國在這方面的研究也較為深入.文元橋等［17］針對港口交叉航道提出一種新的通過能力計算方法，利用船舶領(lǐng)域的思想建立船舶穿越領(lǐng)域、匯入領(lǐng)域和匯出領(lǐng)域，并據(jù)此評價航道的通過能力.寧雙林等［18］研究了單線航道的通過能力，李德春［19］的研究則更進(jìn)一步，以天津港為對象，研究了航道在單向通航和雙向通航時的通過能力，以及進(jìn)出港航道受挖泥船影響情況下，航道在單－雙向通行模式轉(zhuǎn)換情況下的通過能力.港口吞吐量的提升不僅取決于航道通過能力，還與港口的規(guī)模密切相關(guān)［20］，因此港口規(guī)模與航道通過能力只有協(xié)調(diào)發(fā)展，才能實現(xiàn)港口和航道功能得到充分的發(fā)揮.

在進(jìn)出港船舶航行風(fēng)險方面的研究中，比較多的是根據(jù)船舶的操縱性能參數(shù)建立運動方程，并根據(jù)特定港口的水文氣象特點建立風(fēng)、流、浪等環(huán)境干擾模型，從微觀角度研究航行風(fēng)險.S.Shigeki等［21］研究了系泊在碼頭船舶的低速運動特征，對船舶縱搖與波浪周期和碼頭的晃動周期之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到共振和系纜力不對稱是造成船舶搖晃的主要原因.代如亮［22］研究了港內(nèi)船舶低速運動時舵的性能，采用MMG 建模思想，建立低速大漂角兼顧小漂角的船舶運動數(shù)學(xué)模型，對船舶在淺水區(qū)域的操縱性進(jìn)行模擬仿真.

總體上講，基于船舶操縱性的船舶運動仿真方面的研究起步較早，取得了很多有意義的成果，但是當(dāng)前大多數(shù)研究的主要目標(biāo)是使仿真模型能夠更加切合船舶的實際運動情況，或者降低模型的算法復(fù)雜度，而對船舶運動過程中存在的潛在危險方面的研究較為缺乏.

4 內(nèi)河船閘

在國外內(nèi)河船閘方面，美國Mississippi河多級船閘的研究較為系統(tǒng).L.D.Smith等［23］研究了船舶調(diào)度問題，主要目標(biāo)是平衡公平與效率之間的關(guān)系.利用整數(shù)規(guī)劃的思想，以船舶通過所有船閘所用的總時間最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型，研究船舶過閘時存在同向跟進(jìn)和反向匯入兩種情況時的船閘通過能力問題.Wang S等［24］研究了船閘建設(shè)和改造工程的規(guī)劃問題，在工程預(yù)算一定的情況下，建立船閘建設(shè)產(chǎn)生的效益與投入資金之間的關(guān)系模型，針對該問題提出利用遺傳算法尋求近似最優(yōu)解的策略，開發(fā)出用于工程規(guī)劃優(yōu)化的SIMPOT 仿真軟件.

以上研究很大程度上依賴于完善的內(nèi)河交通流數(shù)據(jù)，而我國由于這方面研究起步較晚，在這方面顯得較為缺乏.另一方面，內(nèi)河航運發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)了內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，我國盡管在船型標(biāo)準(zhǔn)化方面［25－26］取得了很大的成績，但是仍然存在較大差距.

國內(nèi)針對我國內(nèi)河船閘的特點也取得了一系列研究成果.早期的研究主要是根據(jù)航道特點建立經(jīng)驗公式，對基本通過能力、可能通過能力、設(shè)計通過能力進(jìn)行估計［27－28］，評估航道的服務(wù)質(zhì)量.后續(xù)研究中則利用了排隊論的思想，首先對船舶到達(dá)規(guī)律利用理論分布進(jìn)行擬合［29］，然后利用離散事件仿真軟件研究航道船舶流、船舶等待時間等指標(biāo).廖鵬［30］基于G／G／1排隊模型，建立估算待閘時間近似數(shù)學(xué)模型，得出船舶待閘時間不僅與交通負(fù)荷有關(guān)，而且與船舶到閘和過閘的離散程度有關(guān).黃海鷗等［31］在此基礎(chǔ)上對多線船閘建立2個顧客等級的M／G／K 服務(wù)系統(tǒng)排隊模型，該模型計算量較大.Zhang 等［32］的研究更進(jìn)一步，利用并行遺傳算法研究船閘擁堵緩解問題，以所有過閘船舶的加權(quán)延遲最小化為目標(biāo)，每個船閘各自尋求局部最佳調(diào)度策略，研究很大程度上依賴于實時數(shù)據(jù)的采集.

從國內(nèi)外對船閘交通流的研究來看，主要集中在提升通過能力上，而對船舶過閘時存在的潛在風(fēng)險方面的分析較少.對于船舶來說，一旦在船閘水域發(fā)生事故，將會給其他過閘船舶的順利通過造成影響［33－37］，很容易造成船舶擁堵.因 此，在分析船閘通過能力時，船舶過閘風(fēng)險是需要考慮的重要因素之一.

5 結(jié)論與展望

從當(dāng)前水上交通風(fēng)險的研究成果來看，擁有完善的歷史和實時交通流數(shù)據(jù)會大大增加研究結(jié)論的可靠性，然而這在實際研究中往往很難做到.相關(guān)領(lǐng)域的專家知識可以在一定程度上彌補以上不足.水上交通方面的專家根據(jù)多年的工作經(jīng)歷，對交通態(tài)勢作出經(jīng)驗估計，對風(fēng)險評估的研究具有重要的指導(dǎo)意義.而Bayes理論是將歷史數(shù)據(jù)與先驗知識（即專家知識）相結(jié)合的很好的工具.因此，在Bayes理論框架下研究交通流風(fēng)險是今后的發(fā)展方向之一.

目前排隊論和系統(tǒng)仿真方法已廣泛應(yīng)用于航道通過能力研究中，基本能夠?qū)崿F(xiàn)航道的服務(wù)能力、不同船舶到達(dá)率條件下的平均等待時間、最大等待時間的變化情況等方面的評估.而在宏觀角度上，對航道、船閘等通過能力與實際需求，如船舶等待時間，港口、錨地利用率等之間內(nèi)在關(guān)系的探索，從水路運輸系統(tǒng)的角度研究航道的通過能力，實現(xiàn)航道通過能力與實際需要協(xié)調(diào)發(fā)展是今后研究中需要進(jìn)一步考慮的問題.

作為當(dāng)前研究的2個焦點問題，交通風(fēng)險和通過能力之間存在某種內(nèi)在的聯(lián)系.盡管國外有研究表明通過改變航行規(guī)則來提升通過能力會造成風(fēng)險大幅度增加，而為了降低風(fēng)險，則會導(dǎo)致船舶等待時間急劇增加，但如何針對我國水域的特點，綜合考慮水域船舶管理規(guī)則，船舶通行服務(wù)質(zhì)量保證，以及水域安全形勢等因素，對風(fēng)險和通過能力之間折中關(guān)系仍然需要做進(jìn)一步探索.

綜上所述，針對某個特定航道內(nèi)船舶的航行特點，通過系統(tǒng)采集交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑R，利用先進(jìn)的理論，系統(tǒng)研究水上交通風(fēng)險與通過能力之間的關(guān)系，對航運資源的有效發(fā)揮，管理人員決策支持，安全形勢改善等方面具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

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