閩江口水域船舶定線制

徐才云, 鄭元洲,3, 甘浪雄, 周春輝, 張 磊, 程慧中

(1. 武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063; 2. 內河航運技術湖北省重點實驗室, 武漢 430063;3. 伊利諾伊理工大學， 芝加哥 60616)

福州港(閩江口)是我國沿海主要港口之一，近些年船舶通航密度逐漸增大，出現船舶航路縱橫交錯和航行無序等現象。由于現有的管理手段滯后，通航環(huán)境逐漸惡化，致使該水域船舶碰撞事故時有發(fā)生，有必要對該水域內的航路進行規(guī)范和優(yōu)化。

船舶定線制[1]是國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)推薦的一種船舶航路優(yōu)化措施，在規(guī)范船舶交通流、保障船舶航行安全和提高交通效率方面起著重要作用。[2]定線制的種類和形式較多，其中分道通航制是目前最常見、最主要的形式。[3]雖然IMO已對其設計原則作出相應規(guī)定，但在具體設計時仍涉及到一些關鍵的技術問題。在有關通航分道寬度的研究中：藤井彌平等[4]對在大洋、沿海及擁擠等3種交通類型的通航水域設置分道通航制的寬度取值給出建議；ABDEL[5]以藤井彌平提出的船舶領域模型為理論基礎，通過反復試驗提出一種船舶間的標準分割概念，作為確定通航分道寬度的依據之一。在通航分道分隔帶的設計上，LEWISON[6]建議：在水域條件允許的情況下，使分隔帶寬度≥1 n mile；而在水域條件有限的情況下，采用帶寬較窄的分隔帶或在邊界線上設置浮標以提醒過往船舶。

與國外相比，我國船舶定線制實施較晚，但發(fā)展較快。2011年，為加大力度改善我國的水上交通形勢，我國制訂出《全國沿海船舶定線制總體規(guī)劃》，期望3～5 a內在全國沿海的交通密集區(qū)域、船舶交通流的匯聚區(qū)域及事故多發(fā)水域實施船舶定線制，10 a內全面落實。閩江口水域屬于該規(guī)劃中的15個支線航路重要水域之一。

閩江口水域的雷達定位條件、燈塔、虛擬航標等導助航設施及設備建設較為齊全，可為該水域船舶定位提供一定的保障。福州船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services, VTS)覆蓋轄區(qū)內重點水域，可實現對閩江口水域近岸側的有效監(jiān)控，為定線制的實施提供有利的監(jiān)管支撐。

在對閩江口水域船舶交通形勢進行較全面調查的基礎上，結合已有的定線制理論成果，應用海上交通工程的理論和方法，提出閩江口水域船舶定線制推薦方案，實現對水域內航路的規(guī)范和優(yōu)化，使有限的海域資源發(fā)揮更大的作用，提高通航效率、保障船舶航行安全和防止海域污染。

1 閩江口水域船舶交通流分布特征

船舶航跡是船舶交通流的基本要素之一，航跡分布表示水域內所有航行路線的空間分布，可在一定程度上呈現水域內船舶交通流的密度和危險度。[7]研究航跡分布圖主要是對大范圍的水域交通流進行分解，找出主要交通流的空間分布特征，是研究和建立船舶定線制的基礎。綜合考慮氣象、潮流和浪況等因素，隨機選取多個月份連續(xù)數天的船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)數據，應用ArcGIS平臺分析解析后的交通數據，繪出船舶歷史軌跡(見圖1)，獲取船舶交通特征信息。

1.1 船舶AIS航跡分布特點

1) 眾多島嶼的存在導致該水域內的船舶航跡集中在寬度約1 n mile的航跡帶上，北上、南下的船舶在主航跡帶范圍內存在明顯的對遇沖突問題。

2) 七星礁(見圖2)燈樁及洋嶼(見圖3)燈塔附近的船舶交通流呈現出北上、南下和橫穿等錯綜復雜的交匯，形成船舶交通流大角度交叉或對遇的沖突局面，會對船舶的航行安全產生較大的威脅。

3) 進出閩江口內港區(qū)的船舶交通流交匯點集中在七星礁燈樁正西1 n mile的“D1號浮”附近，進出閩江口內港區(qū)的船舶主要在此處轉向。

4) 通過閩江口水域南上、北下的船舶交通流主流位于七星礁燈樁東側。

5) 馬祖澳水域現有一處長為3.7 n mile的分道通航制，橫穿主航跡帶，由臺灣地區(qū)管轄，目前交通流量較少，幾乎沒有船舶使用。

1.2 船舶AIS交通量分布特征

根據水域內船舶AIS航跡分布特點，閩江口水域交通密集區(qū)域主要集中在洋嶼水域與海壇海峽水域之間。因此，在對交通流進行分析時，重點對洋嶼水域與海壇海峽之間的船舶交通流進行觀測。采用門線反映交通量及其空間分布，主要選取洋嶼門線、四母嶼門線、馬祖門線和白犬門線等4條門線；各門線的長度分別為5 n mile,9 n mile,10 n mile和11 n mile，區(qū)間長度為1 n mile。白犬門線交通量及其分布見圖4，各門線船舶AIS日均交通量統(tǒng)計見表1。

表1 各門線船舶AIS日均交通量統(tǒng)計 艘

由以上數據可知：

1) 所選4個區(qū)域日均船舶交通量相當，四母嶼和白犬船舶交通量稍大，日均交通量分別達77艘和79艘，其中90%以上船舶船長不超過200 m。

2) 受水域條件和船舶航行習慣影響，所選區(qū)域主航跡帶寬度均較窄，為1～3 n mile，且距附近島嶼較近(白犬門線除外)，其中洋嶼和四母嶼的主航跡帶中心距離鄰近島嶼僅約1.5 n mile。

3) 單位區(qū)間(1 n mile)內船舶日均交通量>10艘的區(qū)域主要在距離島嶼1～6 n mile范圍內。門線上單位區(qū)間內船舶日均交通量>20艘的區(qū)間分布為：距洋嶼1～2 n mile，距四母嶼4～6 n mile，距馬祖園臺山1～4 n mile，距梅花淺灘4～8 n mile。

2 閩江口水域船舶定線制的設計

根據對閩江口水域交通流分布特征的分析，該水域船舶交匯密集區(qū)域主要集中在七星礁和洋嶼燈塔附近(如圖1所示)，船舶軌跡也較為集中。由于馬祖和白犬列島等由臺灣地區(qū)管轄，且馬祖列島現存有分道通航制，若對閩江口水域整體設計定線制，將橫跨現有的分道通航制。

2.1 定線制形式及參數設置

本文主要采取分道通航制，因此必須確定的尺度參數主要包括通航分道的寬度、長度、軸線走向、邊界線離岸或島嶼距離及分隔帶的寬度等。結合國內外有關定線制尺度參數設計的規(guī)定和理論研究，設定閩江口定線制相關尺度參數的分析過程如下。

2.1.1通航分道寬度

ABDEL[5]提出的船舶間標準分隔的寬度值可作為確定通航分道寬度的依據之一。圖5為船舶間的標準分隔示意，其中：外圍區(qū)域是根據水動力和其他相關因素確定的船舶間的標準分隔；內側區(qū)域是根據水動力因素確定的船舶領域。根據該理論，得到船舶標準分隔的尺度見表2。

表2 船舶標準分隔的尺度 n mile

目前閩江口水域船舶的最大船長為366 m，考慮日后船舶的大型化發(fā)展，取船長為400 m。由表2可知，3 000總噸以上的船舶以相同航向航行時，其標準分隔的橫向尺度約為0.79 n mile。實際上，船舶大小、航跡帶寬度、定位精度、交通密度、船吸作用和能見度等均是確定通航分道寬度時需考慮的要素。[8]由于七星礁水域船舶航行時受風浪影響較大，考慮到該水域內的通航密度和船舶避風操縱的需求及水域內島嶼眾多、航行水域較為狹窄的實際情況，將該水域通航分道寬度取為1 n mile。

2.1.2分隔帶寬度

根據IMO對分道通航制的設計要求，在設計分隔帶寬度時應考慮水域內可利用的定位手段的精度，在條件允許的前提下，分隔帶寬度應至少為對應定位精度的標準誤差橫向分量的3倍。[9]

本文設計的分道通航制附近均有孤立、顯著且容易辨認的近距離物標可供雷達觀測定位，如高登島、七星礁等。在該航行條件下，船員的習慣做法是使用雷達兩距離定位或雷達方位距離定位。雷達的特點使得單目標雷達方位距離定位的精度比雙目標雷達距離定位低、誤差比其大。因此，先計算單目標雷達方位距離定位精度的標準誤差，再以該誤差為依據確定分隔帶和通航分道寬度。

雷達方位距離定位精度的計算式[9]為

(1)

式(1)中：D為物標的距離,n mile；MB為雷達測方位的均方誤差，一般取±2°；MD為雷達測距離的均方誤差，以觀測距離的百分數表示，一般取±1.5%。將以上數值代入式(1)并計算得：M=0.038D。

由以上計算可知，若在閩江口水域使用分隔帶，則根據定位精度計算要求，洋嶼燈塔附近分隔帶宜取0.2 n mile，七星礁水域宜取0.4～0.7 n mile。由閩江口船舶交通流特征分析可知，閩江口南北航行船舶區(qū)域集中，航跡帶寬度約為1 n mile，而七星礁與臺灣地區(qū)管轄水域之間水域寬度約為3 n mile(如圖3所示)，0.4～0.7 n mile帶寬的分隔帶設計在航跡帶中心處時將過多地占用船舶航行的“黃金水道”，會給船舶的航行安全帶來一定影響。因此，若在七星礁水域設置分隔帶，則分隔帶不宜過寬。表3為各航段最大定位誤差與分隔帶、通航分道寬度。

2.1.3分道通航制長度

本文在設計分道通航制長度時堅持宜短不宜長的原則，并盡量確保通航分道的長度可使船舶在一定時間內保持航向的穩(wěn)定性，同時兼顧船舶定位的便利性。取船舶保向時間為20 min，船速為10 kn，則得到分道通航制長度的最小值應為3 n mile。

表3 各航段最大定位誤差與分隔帶、通航分道寬度 n mile

2.1.4軸線與邊界線

在設計分道通航制時，應盡可能地使其中心軸線與主航跡帶的中心軸線貼近，在滿足通航分道和分隔帶寬度要求的前提下確定內外邊界線的具體位置。

2.1.5警戒區(qū)

警戒區(qū)用于在通航分道交匯處的規(guī)定界限內提醒船舶駕駛員謹慎駕駛。警戒區(qū)的形狀和尺度主要是在結合國內外已有的經驗和對現有船舶交通流的空間分布進行分析的基礎上，從對船舶交匯區(qū)域的有效覆蓋及有利于船舶判斷是否進入警戒區(qū)2個角度設計。

2.2 定線制方案

2.2.1洋嶼定線制設計

洋嶼附近的交通流主要為NE-SW向進出閩江口水域及在洋嶼燈塔附近轉向進出羅源灣的船舶，針對附近的交通形勢及地理環(huán)境因素，提出定線制方案見圖6。

2.2.2七星礁定線制設計

通過對交通形勢進行分析可知，七星礁附近的船舶交通流較為集中，對遇形勢明顯，船舶交通流在七星礁南北及閩江入?？诟餍纬梢粋€交匯區(qū)域。七星礁以北為進出閩江口內港區(qū)的船舶與南北航行船舶的交匯區(qū)，七星礁以南為進出閩江口內港區(qū)、海壇海峽和其他南北航行船舶的交匯區(qū)。考慮以上交通形勢，共提出3種定線制方案，具體布置及設計參數見圖7和表4。

方案方案一方案二方案三第一分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.20.5通航分道長/nmile6.52.22.0通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)010/190000/180000/180第二分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.50.3通航分道長/nmile5.04.01.4通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)027/207033/213000/180第三分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.50.5通航分道長/nmile5.03.02.5通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)160/340160/340000/180與馬祖列島/白犬列島最近距離/nmile1.0/1.91.5/1.81.5/2.2七星礁避航區(qū)/nmileR=0.7

2.3 七星礁定線制方案比選

(1) 方案一：僅分隔南北航行船舶交通流。對閩江口水域交通流進行統(tǒng)計分析可知：南下進閩江口內港區(qū)(或出閩江口內港區(qū)北上)的船舶日交通量為16艘,出閩江口內港區(qū)南下(或北上進閩江口內港區(qū))的船舶日交通量為20艘，船舶交通流相對較少，可不考慮對其進行分隔。該方案嚴格根據船舶習慣航法設計，分道通航制與七星礁之間的距離較遠，形式明了，警戒區(qū)的范圍較小，有利于減少船舶在警戒區(qū)內航行的時間，減輕在警戒區(qū)內航行的壓力；但是，簡單地進行警戒區(qū)設計未有效簡化警戒區(qū)內的交通組織，較大的交通流量使得警戒區(qū)內的航行壓力和監(jiān)管壓力均較大。

(2) 方案二：對南北航行船舶和進出閩江口內港區(qū)船舶交通流均進行分隔。該方案主要考慮南北向航行的船舶會遇和在水域范圍內交匯的情況，將進出閩江的船舶考慮在內，對其進行一定引導，并在警戒區(qū)內設置分隔帶和推薦交通流向，對區(qū)內交通流進行分流和引導。大范圍警戒區(qū)的設置可減小警戒區(qū)內的船舶交通密度，但會對主管部門監(jiān)管船舶航行提出更高要求。

(3) 方案三：簡化方案，不對七星礁南部交通流進行分隔。由于目前七星礁南部交匯區(qū)至海壇海峽方向的船舶多為小型船，可暫不考慮。該方案去除方案一和方案二中的第二分道通航制，并對警戒區(qū)范圍進行調整，著重考慮南北線較大船舶交通流的分流。簡化后的方案更易于實施，但也會在一定程度上影響水域內船舶的航行習慣。

李松等[10]和鄔惠國等[11]發(fā)現船舶定線制中的警戒區(qū)是事故多發(fā)區(qū)域，因此深入分析警戒區(qū)內的交通組織特征，并運用交通沖突技術對警戒區(qū)航行危險度進行識別和診斷，提出對應的優(yōu)化和修正措施。

提高警戒區(qū)交通安全性的一個重要原則就是減少沖突點。[12]方案三對七星礁南部交通的組織進行了簡化，因此交通沖突點(見圖8和表5)明顯少于方案一和方案二，船舶操縱難度也會隨之降低。方案一和方案二中的第二分道通航制主要為小船習慣航線，較為復雜，目前實施存在較大難度。方案三雖然會在一定程度上改變該水域內船舶的航行習慣，但其更有助于理清水域內的交通組織，實施起來更為容易。因此，將方案三作為閩江口定線制一期的推薦方案。

方案方案一方案二方案三警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)交叉點819-11合流點415-11分流點415-11合計16319-33總計19196

考慮到進出閩江口內港區(qū)及去往海壇海峽和臺灣海峽的船舶交通流量及密度不斷變化，有必要對七星礁水域的交通流作進一步的梳理，二期實施方案可從方案一與方案二中選取較優(yōu)者。

3 結束語

本文根據閩江口船舶AIS數據，運用ArcGIS平臺對軌跡分布、交通量等船舶交通特征進行分析研究。根據IMO有關規(guī)則、參考國內外類似水域定線制規(guī)劃的思路，確定閩江口水域定線制的規(guī)劃原則、

形式及各設計要素的參數取值，提出幾種符合閩江口水域通航特征的船舶定線制方案。從交通沖突、方案可行性等方面對各方案進行比選后得出推薦方案，該方案具有以下優(yōu)點：

1) 在盡可能保持現有船舶交通流不變的同時，兼顧航行安全要求，與周邊島嶼保持適當的距離。

2) 對洋嶼至白犬列島間狹長水域南北向交通流進行分離，使有限的海域資源發(fā)揮更大的作用，在提高通航效率的同時保障航行安全。

3) 考慮到方案的可行性及福州港的遠期發(fā)展，將七星礁水域分為2期規(guī)劃，既能滿足管理及功能性需求，又能順利銜接。

閩江口水域定線制的研究及定線制方案的提出對指導閩江口水域船舶安全航行、提高航行效率和緩解海事主管部門的監(jiān)管壓力具有重要意義。

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