確定海事巡邏船配置量方法

趙福波, 謝新連, 李曉君

(大連海事大學 綜合運輸研究所，遼寧 大連116026)

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確定海事巡邏船配置量方法

趙福波, 謝新連, 李曉君

(大連海事大學 綜合運輸研究所，遼寧 大連116026)

摘要：針對海事巡邏船配置數(shù)量多、配置方法匱乏的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種基于海事轄區(qū)面積、特點、風險、巡航任務、監(jiān)管要求的海事船舶配備數(shù)量計算方法。該方法引入監(jiān)管面積覆蓋函數(shù)，推導出配船數(shù)量與監(jiān)管要求之間的函數(shù)關(guān)系；引入了海事轄區(qū)形狀對計算監(jiān)管覆蓋面積的影響函數(shù)，建立了基于轄區(qū)面積、形狀確定配船數(shù)量的近似計算公式。案例計算結(jié)果表明：用該方法得出的船舶配置方案能夠充分考慮現(xiàn)代執(zhí)法裝備的運用效果，合理確定船舶需求數(shù)量，有助于科學規(guī)劃海事船隊規(guī)模，具有實用性和科學性。適當調(diào)整計算公式中的參數(shù)，該方法原理和程序也適用于內(nèi)河水域海事船舶、海警船舶以及類似公務船舶配置數(shù)量的測算。

關(guān)鍵詞：海岸警衛(wèi)；巡邏船；海事安全；船隊規(guī)劃；覆蓋范圍

海事巡邏執(zhí)法船屬于政府公務船，是海事機構(gòu)在水上執(zhí)行監(jiān)管業(yè)務的移動辦公平臺，也是海事執(zhí)法的最重要基礎裝備。在我國，海事機構(gòu)負責海上交通事故、船舶及相關(guān)水上設施污染事故的調(diào)查和處置等。對于海事機構(gòu)管轄的一個水域，如何科學配備價值昂貴的巡邏船一直是一個難以解決的復雜優(yōu)化問題[1]。這個問題一方面涉及到國家賦予海事機構(gòu)的監(jiān)管職責是否能夠順利實現(xiàn)，另一方面涉及國家投資的多少和投資的使用效率。

在船舶配置方面，以往針對商船船隊做過較多的研究[2-5]。但由于政府公務船舶的用途、功能與商用船舶截然不同，以往研發(fā)的商船隊規(guī)劃方法難以直接運用于政府公務船隊的規(guī)劃。而在海事船舶、公務船舶配置優(yōu)化方面，能夠查閱到的研究文獻較少[6-9]。近年，由于我國政府加大投資力度，海事船隊的建設速度加快，海事船舶合理配置問題愈顯突出，對于科學配置方法的需求更加迫切，國內(nèi)也開始了對這一領(lǐng)域的研究和探索[10-12]。文獻[13]中，主管機關(guān)根據(jù)理論分析和經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立起一套海事船舶配備數(shù)量測算方法。這是一種半理論、半經(jīng)驗的方法，為便于求解，研究者對這一復雜問題做了簡化計算處理，但在實際運用中有時仍然存在操作困難、計算結(jié)果受不確定性影響等問題。因此，本文在現(xiàn)有研究和實踐經(jīng)驗基礎上，基于監(jiān)管任務需求的思路，提出了一種更加直接的海事船舶配備數(shù)量計算新方法。

1問題描述與定義

海事巡邏船配置問題通常從確定船型開始。由于不同海域的自然狀況存在較大差異，以及海事業(yè)務對船舶性能的需求存在差異，在計算海事船舶配置數(shù)量之前，要先確定需要哪些類型的船舶。確定船型后，再根據(jù)各型船的單船監(jiān)管能力決定各型船的配置數(shù)量。一艘海上巡邏船的監(jiān)管能力是指基于該船本身的技術(shù)特征在巡邏執(zhí)法中能夠有效監(jiān)管或威懾的水域面積。本文主要討論船舶配置數(shù)量的確定。

海事船舶的配置要滿足海事機構(gòu)在管轄水域執(zhí)行公務活動的要求。根據(jù)海事機構(gòu)公務執(zhí)法特點，在配置海事船舶時應該考慮的主要因素包括：1)轄區(qū)面積的大小及水域環(huán)境特征；2)轄區(qū)水域風險特征；3)轄區(qū)業(yè)務類型及業(yè)務量；4)船舶到達現(xiàn)場的時間要求等。

此外，在確定配船數(shù)量時，還要滿足在給定水域上可以同時監(jiān)視到的面積大小、對任一水域的巡邏頻率或單位時間內(nèi)巡邏監(jiān)視次數(shù)等基本要求。對巡邏監(jiān)視面積大小及巡邏頻率的要求反映了對轄區(qū)安全監(jiān)管的程度。

為了便于建立計算模型并說明其建模原理，文中采用如下定義和假設。

1)如果水域的風、浪、流等自然條件適合于船舶安全航行、作業(yè)，且水面上能見度極好，則稱這種環(huán)境為海事巡邏船出航執(zhí)行任務的理想環(huán)境，或簡稱理想環(huán)境。

2)在理想環(huán)境下，巡邏船上最高監(jiān)視點能夠監(jiān)視的水面圓面積稱之為巡邏船的單船監(jiān)管面積或單船監(jiān)視能力。

3)在理想環(huán)境下，當多艘巡邏船同時巡邏時，在各船監(jiān)視圓面積中扣除因相鄰船舶同時巡邏產(chǎn)生的重疊部分后的監(jiān)管面積稱之為巡邏船的有義監(jiān)管面積或有義監(jiān)視能力。當各巡邏船監(jiān)管面積不發(fā)生重疊時，一艘巡邏船的有義監(jiān)視能力就是其能夠監(jiān)視的水面圓面積，即單船監(jiān)管面積。

4)在理想環(huán)境下，被監(jiān)視水域的面積與轄區(qū)水域總面積之比稱之為監(jiān)視面積覆蓋率。其中注意到，當兩船或多船形成的監(jiān)視面積重疊時，應扣除重疊部分的監(jiān)視面積，即監(jiān)視面積覆蓋率是有義監(jiān)管面積與轄區(qū)水域總面積之比。

假設轄區(qū)水域的面積為S，其邊界上兩個最遠點的直線距離或最大長度為L，水面形狀具有凸形圖或近似凸形圖特點。水域上只配置同型巡邏船，巡邏船監(jiān)視圓的半徑為d。

基于上述假設和定義，認為轄區(qū)面積、特點、風險大小、巡航模式、任務需求等因素是影響船舶配備數(shù)量的主要因素。需要解決的問題表述為：在轄區(qū)水域處于理想環(huán)境下，計算滿足轄區(qū)監(jiān)管要求的船舶最少配備量。

2船舶配置量測算模型

為了確定一艘巡邏船的監(jiān)管面積，將水面上的船舶簡化成為一個以一定速度運行的監(jiān)視點，該點的高度為執(zhí)法人員站在船上最高執(zhí)法位置時的視線位置或掃描雷達位置。巡邏船的監(jiān)管能力取決于其船上最高監(jiān)視位置的高度及監(jiān)視海面面積的大小。考慮到地球表面存在曲度，監(jiān)視點能夠觀測到的理論最遠物標可以用下式計算[14]：

(1)

一艘巡邏船在海上某一點能夠觀測到的海面面積是以式(1)計算出的距離d為半徑的圓形面積sj，稱其為靜態(tài)監(jiān)管面積：

(2)

式中：d為地理視距或監(jiān)視半徑，n mile；H1為巡邏船上監(jiān)視點高度，m；H2為海上物體或目標的高度，m；sj為單船靜態(tài)監(jiān)管面積，n mile2；c為常數(shù)2.09。

當某海事機構(gòu)要求在任一時刻能夠?qū)ΡO(jiān)管水域施行監(jiān)視全覆蓋時，理論上該海事機構(gòu)需要配備的船數(shù)為

(3)

式中：Nt為巡邏船的配置數(shù)量。

由式(3)計算出的是假設船舶靜止分布在管轄水域范圍內(nèi)、監(jiān)視面積與水域面積相等時的配船數(shù)理論值。事實上，按照此Nt值配船僅是監(jiān)視面積與轄區(qū)面積在數(shù)量上的相等，而非監(jiān)視面積恰好覆蓋管轄水域。此時必然在S水域內(nèi)存在監(jiān)視面積重疊部分，也會存在監(jiān)視盲區(qū)(見圖1)。因此，在確定監(jiān)管水域總面積為S、單船監(jiān)視能力為sj情況下需要配置的船舶數(shù)量時，還應考慮到船舶排列方式、水域邊界形狀等影響因素。

圖1　監(jiān)管面積發(fā)生重疊Fig. 1　Overlapping of surveillance area

在監(jiān)管水域的形狀通常都不規(guī)則、每船的理論監(jiān)視面積都是圓形的一般情況下，根據(jù)是否要求監(jiān)視面積理論全覆蓋、實際全覆蓋或是滿足規(guī)定的面積覆蓋率來計算需要的船舶數(shù)量。設海事機構(gòu)要求在監(jiān)管水域上實現(xiàn)的監(jiān)視面積覆蓋率為β。

2.1要求監(jiān)管面積全覆蓋(β=100%)情況

(4)

當S不為2d2的整數(shù)倍，且其邊緣為不規(guī)則形狀的一般情況時，先根據(jù)轄區(qū)水域形狀截取與S等面積的矩形，并使此矩形與轄區(qū)水域重疊時，二者的重疊面積最大。在此矩形內(nèi)按照正方形網(wǎng)格方式排列巡邏船，使其監(jiān)管面積達到要求的覆蓋率，然后根據(jù)監(jiān)管面積外剩余未覆蓋的轄區(qū)水域形狀特點排布巡邏船，使其盡可能覆蓋剩余的轄區(qū)水域面積。在這種情況下，使監(jiān)管面積覆蓋轄區(qū)水域需要的巡邏船數(shù)量不僅與轄區(qū)面積的大小有關(guān)，也與轄區(qū)水域邊界形狀有關(guān)。不妨將轄區(qū)水域邊界形狀不規(guī)則對船舶配置數(shù)量的影響看做是轄區(qū)面積發(fā)生增量變化。令Δ為與因轄區(qū)水域邊界形狀不規(guī)則而對船舶配置數(shù)量產(chǎn)生影響等同的轄區(qū)附加面積，則得出配船數(shù)近似計算公式如下

(5)

式中：Δ為附加面積，是計算船舶配置數(shù)量時，轄區(qū)水域形狀對轄區(qū)面積的影響函數(shù)。

(6)

圖2　監(jiān)管水域全覆蓋示意圖Fig. 2　Sketch map of water area fully covered by surveillance

2.2要求監(jiān)管面積達到規(guī)定的覆蓋率(β<100%)情況

當對水域的監(jiān)管僅要求達到一定的監(jiān)管面積覆蓋率β(0≤β<1)時，在給定海事轄區(qū)和單船監(jiān)管能力的情況下，要求的監(jiān)管面積覆蓋率β越小，計算出的配船數(shù)也會越少，轄區(qū)配船數(shù)是要求的監(jiān)管面積覆蓋率的函數(shù)。

在多艘巡邏船按照正方形列陣同時巡邏、各船監(jiān)管面積不發(fā)生重疊情況下，監(jiān)管圓面積覆蓋率達到最大值時，覆蓋率的理論最大值為β=πd2/(4d2)=π/4。

參照式(3)、(6)，當0≤β≤π/4時，有：

(7)

而當π/4<β≤1時，在管轄水域上多艘巡邏船同時巡邏形成的監(jiān)管面積之間會發(fā)生如圖1所示的重疊現(xiàn)象。在此種情況下，一般不能用式(7)計算配船數(shù)量Nβ，但可以設

(8)

式中：R(β)為覆蓋函數(shù)，并令覆蓋函數(shù)R(β)=βπ/y(β)，稱y(β)為監(jiān)視圓面積重疊函數(shù)。當兩巡邏船接近、兩船的監(jiān)視圓面積互相重疊時，R(β)與因面積重疊而減少的監(jiān)視面積有關(guān)。

作為近似計算，設y(β)為β的線性函數(shù)，并根據(jù)式(6)、(7)，當β=π/4時，y(β)=π，當β=1時，y(β)=2，推導出：

因此有

整合式(7)、(8)可知覆蓋函數(shù)：

(9)

覆蓋函數(shù)只與β有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖3所示。從而，式(8)、(9)是在轄區(qū)水域上巡邏船靜態(tài)分布時測算海事巡邏船配置量的基本公式。

圖3　覆蓋函數(shù)曲線Fig. 3　Curves of covering function

2.3考慮船載飛行器可以在空中巡邏的情況

在大、中型巡邏船上攜帶飛行器或直升機的情況下，其水上巡邏執(zhí)法的監(jiān)視能力顯著提高，主要體現(xiàn)在監(jiān)視范圍明顯擴大、執(zhí)法力量到達現(xiàn)場的速度明顯加快。這種情況下，可以將監(jiān)視點的高度H1提升為飛行器常用的巡航高度，并由此計算出監(jiān)視半徑d和巡邏船的監(jiān)視圓面積sj，再代入式(8)求得船舶配置數(shù)量。

2.4對轄區(qū)水面有巡視頻率要求的情況

船舶(監(jiān)視點)在水面上具有移動能力，可以按照一定的航速動態(tài)巡航，遇到緊急情況時還可以提高航速全速航行。設船舶以巡航速度vc沿某一方向直線航行，δ時間內(nèi)監(jiān)視點因航行增加的監(jiān)視覆蓋面積為2dδvc，見圖4，巡視的面積為

(10)

式中：sd(δ)為δ時間內(nèi)巡視一次的動態(tài)監(jiān)管面積。

可知，在多船聯(lián)合巡邏、各船以一定間距同向航行情況下，如果要求水域上任何部分都必須得到監(jiān)視(24 h監(jiān)視能力)，則采用式(8)測算船舶配備數(shù)量；如果要求在δ時間段內(nèi)轄區(qū)水面至少得到一次巡視，則式(8)分母應修正為式(10)決定的sd(δ)。

圖4　巡邏船航行δ時間形成的監(jiān)管面積Fig. 4　Surveillance area shaped by patrol boats in δ time

這里需要指出，在這種情況下，覆蓋函數(shù)R(β)的關(guān)于β的取值區(qū)間實際上發(fā)生了微量變化，覆蓋函數(shù)R(β)的表達式也變得更加復雜。但考慮到其僅在β的[(πd+2δvc)/(4d+2δvc)， 1]區(qū)間發(fā)生變化，且變化量不大(偏于保守)，仍然采用式(9)近似計算覆蓋函數(shù)R(β)。因此由式(8)、(9)得到近似計算公式：

(11)

(12)

在確定一個海事轄區(qū)上需要配置船舶數(shù)量的實踐中:1)根據(jù)海事轄區(qū)水域面積及其形狀特點計算出的船舶配置的基本數(shù)量。2)考慮不同轄區(qū)水域的風險大小、分布形式、巡航模式或習慣等因素對巡邏船數(shù)量做出專項增量計算。3)根據(jù)海事轄區(qū)的特殊情況和難以量化計算的其他因素對轄區(qū)船舶配置量做出微量調(diào)整。海事轄區(qū)的特殊情況和難以量化的其他因素包括但不限于需要特殊監(jiān)管的重要航道、橋梁、施工作業(yè)現(xiàn)場、危險品運輸通道、臨時任務、基層海事單位設置特點等。將上述分項計算結(jié)果匯總，得到船舶配置數(shù)量的理論值。4)考慮到船舶不可能全年每天都出航執(zhí)勤，除特別惡劣海況不能出航外，船舶每年還需要有一定的維護修理、業(yè)務訓練等不能出航執(zhí)行任務的時間。船舶出航執(zhí)勤率是指船舶適航且可用于執(zhí)行巡邏、護航、現(xiàn)場監(jiān)管等海事監(jiān)管任務的時間與船舶總時間之比。根據(jù)船舶出航執(zhí)勤率確定滿足各項要求的船舶配置數(shù)量。

此外，需說明兩點：1)當監(jiān)管水域上配置不同類型的巡邏船時，可以先根據(jù)水域環(huán)境特征將整個轄區(qū)劃分成適用不同船型的水域，然后對每一水域計算其需要的船舶配置數(shù)量；也可以按照類似的原理和方法直接推導船舶配置數(shù)量的近似計算方法。2)當考慮轄區(qū)水域不總能達到理想環(huán)境的一般情況時，可以根據(jù)轄區(qū)海域常見的能見度或規(guī)定的能見度修正距離參數(shù)d，然后將經(jīng)過修正的d值代入相應公式計算巡邏船配置數(shù)量。

3計算案例

設在海事機構(gòu)G管轄的近海水域內(nèi)適用于J型巡邏船的水域面積1×104n mile2。J型巡邏船的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。其中J型船是近海航區(qū)巡邏船，可攜帶中型直升機。假設海上物標高度H2= 0。

表1　各型巡邏船技術(shù)參數(shù)

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(3)、(8)，并基于對轄區(qū)水域不同的監(jiān)視覆蓋率要求計算出各種情況下的配船數(shù)如表2所示。配船數(shù)不僅與要求的監(jiān)管面積覆蓋率有關(guān)，也與船上監(jiān)視點高度或船載飛行器巡航高度有關(guān)。圖5中描繪了轄區(qū)配船數(shù)量與要求的監(jiān)管面積覆蓋率β和監(jiān)視點高度H1的關(guān)系曲線。在[100，1 000]區(qū)間每隔100 m計算出的每條曲線對應一個監(jiān)視點高度H1。

表2各情景下海事機構(gòu)配船數(shù)計算結(jié)果

Table 2The ship number calculation results of maritime institutions in different scenarios

監(jiān)視點位置監(jiān)視面積覆蓋率配船數(shù)只考慮船舶本身的監(jiān)視范圍理論全覆蓋118只考慮船舶本身的監(jiān)視范圍實際全覆蓋198只考慮船舶本身的監(jiān)視范圍β=π/499只考慮船舶本身的監(jiān)視范圍β=50%63考慮船載飛行器,且其監(jiān)視點高度為500m的情況實際全覆蓋4考慮船載飛行器,且其監(jiān)視點高度為500m的情況β=π/42考慮船載飛行器,且其監(jiān)視點高度為500m的情況β=50%1

注：表中第2行是按照式(3)計算出的達到理論全覆蓋需要的配船數(shù)；其他由式(8)計算需要的配船數(shù)。

圖5　β和H1對配船數(shù)量的影響Fig. 5　The influence of β and H1to the number of allocating ships

表2和圖5中的計算結(jié)果表明，在單船監(jiān)管能力一定的情況下，隨著監(jiān)管面積覆蓋率β的提高，在給定轄區(qū)面積上需要配備的船數(shù)增加。當β在[π/4，1]區(qū)間時，隨著β的提高，需要配備的船數(shù)快速增加。此外，隨著監(jiān)視距離的增加或監(jiān)視手段的改善(對應更先進的監(jiān)測技術(shù))，在給定轄區(qū)面積上根據(jù)規(guī)定監(jiān)視覆蓋率計算出的配船數(shù)減少。從而在給定轄區(qū)配船數(shù)與要求的監(jiān)管強度和船舶技術(shù)先進程度之間建立起直接的函數(shù)關(guān)系。案例計算結(jié)果也證明，海事巡邏船攜帶飛行器巡邏，能夠大幅度提高其監(jiān)管面積，在同樣監(jiān)管強度要求的條件下，有助于大幅度減少轄區(qū)水域上需要配備的巡邏船數(shù)量。

4結(jié)論

基于對我國海事履職要求、船舶性能與任務匹配及相關(guān)影響因素的分析，提出了一套新的海事巡邏船配置量測算方法。該方法的主要特點為：

1)在測算船舶監(jiān)視能力的基礎上，引入水域監(jiān)視覆蓋率和覆蓋函數(shù)，并基于水域監(jiān)視覆蓋函數(shù)測算船舶配置數(shù)量。水域監(jiān)視覆蓋率需求直觀反映了配置的船舶能夠達到的監(jiān)管水平。覆蓋函數(shù)的引入，增加了對于不同水域可以施行不同監(jiān)管強度的靈活性，即β取不同值。這種靈活性更易于滿足國家對不同水域提出不同管控目標的實際需要。

2)為了計及海事轄區(qū)形狀不規(guī)則對配船數(shù)量的影響，引入轄區(qū)水域形狀對監(jiān)管面積的影響函數(shù)，其值完全由轄區(qū)邊界形狀確定。對于一個給定轄區(qū)，在理論分析的基礎上通過長期實踐驗證，可以確定面積影響函數(shù)的合理值。

3)建立了根據(jù)水域自然特征、風險統(tǒng)計數(shù)據(jù)、巡邏執(zhí)法模式計算和非量化因素調(diào)整，定量計算與定性分析相結(jié)合，以定量計算為主的分步計算、累加式海事船舶配置數(shù)量測算程序。

4)在確定單船監(jiān)管能力時，考慮了不同船載監(jiān)測裝備或設施(如飛行器)可能帶來的效果。建立了定量分析監(jiān)測點高度對巡邏船監(jiān)管面積大小影響程度的關(guān)系式，為海事船型論證和船舶配置優(yōu)化奠定了基礎。

采用本文中提出的海事船舶配置計算方法，能夠充分考慮現(xiàn)代執(zhí)法裝備(如電子監(jiān)視裝置、飛行器等)的運用效果，能夠合理確定船舶需求數(shù)量，有助于科學規(guī)劃海事船隊規(guī)模，使國家投資建造的海事船舶充分發(fā)揮作用。今后研究的方向是改進覆蓋函數(shù)和面積影響函數(shù)的計算精度，探索建立各種復雜情況下覆蓋函數(shù)和面積影響函數(shù)的理論表達式。就船舶配置數(shù)量計算方法而論，案例分析結(jié)果已經(jīng)驗證了其實用性。適當調(diào)整計算公式中的有關(guān)參數(shù)，該方法的原理和程序也適用于內(nèi)河水域海事船舶、海警船舶以及類似公務船舶配置數(shù)量的測算。

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An approach of quantifying the allocation of coast guard patrol boats on given waters

ZHAO Fubo, XIE Xinlian, LI Xiaojun

(Integrated Transport Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Abstract：At present there are numerous patrol boats but a configuration method is few. Thus, a distinct approach to quantifying the allocation of coast guard patrol boats has been worked out based on the area, features, risk, patrol task, and supervision requirements of a given administrative area. This approach introduces an area-coverage function to derive the functional relation between the quantity of patrol boats and supervision requirements, as well as an impact function that maps the influence of the surface shape of an administrative division onto its area, so as to establish an approximation formula for quantifying patrol boats based on the area's size and shape. A case study shows that the approach can reasonably reflect the quantity of patrol boats by comprehensively considering the application effect of modern supervision equipment. This approach helps to scientifically and practically plan the allocation of patrol boats. The principle and procedure of the approach can also be used in quantifying inland ships, coast guard ships, and public service ships of a similar category.

Keywords：coast guard; patrol boats; marine safety; fleet planning; coverage area

中圖分類號：U698.8

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)03-349-06

doi:10.11990/jheu.201509042

作者簡介：趙福波(1981-), 男, 博士研究生；謝新連(1956-)，男, 教授，博士生導師.通信作者：謝新連，E-mail:xxlian77@yahoo.com.

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20102125110002).

收稿日期：2015-09-14.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20160308.1304.010.html

網(wǎng)絡出版日期：2016-03-08.