基于船舶碰撞頻率測算的青嶼航段航標效能評估

項 鷺，張其毅，邵進興，柴 田，熊振南

(1.廈門航標處，福建 廈門 361012 ；2.福州航標處，福建 福州 350005；3.集美大學航海學院，福建 廈門 361021)

0 引言

廈門港是我國沿海運輸體系的重要樞紐，隨著腹地經(jīng)濟的發(fā)展，進出廈門港的船舶數(shù)量逐年增加，2015—2017年通過青嶼斷面觀測門線的AIS(Automatic Identification System,船舶自動識別系統(tǒng))船舶數(shù)高達200艘次/日；同時船舶大型化趨勢也較明顯，日均進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。上述因素為進出港船舶交通流組織增加了難度，同時也增大了航行風險。如何科學地評價廈門灣水域船舶航行風險，并采取相應(yīng)的風險減緩措施，已成為涉海部門關(guān)注的重點問題。

國際航標協(xié)會(IALA)較早認識到風險管理的重要性，提出了航標風險管理指南，將質(zhì)量保證和質(zhì)量管理，風險評估和風險管理，服務(wù)水平列為航標服務(wù)的三個重要問題[1]。根據(jù)成員國提出的“最小安全距離”(MSD)模型，IALA開發(fā)了通用水路風險評估模型，該評估模型即為最早的IWRAP風險模型，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險，研究結(jié)果表明，IWRAP對于評估沿海水域船舶碰撞和擱淺風險具有良好的適用性。借鑒IWRAP風險模型的原理，柴田等[6]建立了開闊水域船舶碰撞風險頻率模型，為計算開闊水域自由航行的船舶碰撞風險提供了一種新方法。本文目標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評估船舶航行風險。

1 船舶碰撞頻率數(shù)學建模

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 軟件在計算船舶碰撞事故頻率時，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為船舶對遇碰撞幾何數(shù)預(yù)測模型，其中：μ、σ為分布參數(shù)。

本研究目標海域為廈門港主航道青嶼航段，計算青嶼航段內(nèi)對遇和追越碰撞幾何數(shù)，其中對遇碰撞幾何數(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推薦默認致事故系數(shù)Tab.1 Default values of IALA settings

2 廈門港水域測試情況

本文使用IWRAP MK II軟件對不同航標配布方案下的廈門港主航道青嶼航段船舶碰撞頻率進行定量計算，評估航標配布效能。

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)的目標水域地形圖，見圖2。

為保障進出廈門水域船舶的安全，2015年底廈門航標處對青嶼航段航標進行了調(diào)整：主航道新設(shè)13號燈浮，位置24°20′55.3″N，118°09′56.4″E，右側(cè)標；調(diào)整16號燈浮至24°21′59.9′″N，118°07′59.3″E。調(diào)整后青嶼航段航標配布見圖3。青嶼航段相關(guān)浮標調(diào)整后，該航段航標基本采取對標布設(shè)方式。本文使用航標配布前后的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)置若干個交通流統(tǒng)計截面，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特征參數(shù)；若交通流不呈現(xiàn)標準正態(tài)分布，則需要對其分布態(tài)勢進行擬合。IWRAP MKII提供6種船舶軌跡數(shù)學分布模型，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)計方法擬合航經(jīng)統(tǒng)計門線的船舶軌跡分布特征，青嶼航段進港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[4],再結(jié)合青嶼航段實際AIS船舶類型特點，將航經(jīng)青嶼航道截面的船舶分為集裝箱船、客/滾船、油船、化學品船、散貨船、雜貨船及其他6類。根據(jù)分類對青嶼航段截面AIS船舶數(shù)據(jù)進行采集分類，形成本次定量計算的基本船舶尺度參數(shù)，使用IWRAP軟件統(tǒng)計功能，獲取的船舶種類信息見圖5。

2.3 評估結(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，對青嶼航段AIS船舶發(fā)生對遇和追越碰撞頻率進行計算。其中對遇是指本船和他船真航向差的絕對值在[170°,190°]間的會遇狀態(tài)，追越是指本船和他船真航向差的絕對值在[0°,10°)或(350°,360°)間的會遇狀態(tài)。

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

青嶼航段航標采用對標布設(shè)配布優(yōu)化后，航標清晰地標識了航道邊線，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，因此使追越和對遇碰撞事故頻率分別下降了15.4%和28.6%，可見航標配布優(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)分別對航標調(diào)整前后的廈門港主航道青嶼航段對遇和追越船舶碰撞頻率進行定量計算，結(jié)果顯示青嶼航段航標采用對標布設(shè)配布優(yōu)化后，該航段船舶碰撞頻率明顯減小，配布優(yōu)化后的航標提高了青嶼航段航標助航效能，降低了船舶碰撞風險。以船舶AIS大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用IWRAP MK II軟件評估港口受限水域船舶通航風險，可為航道航標效能評估提供一種新方法，為航標管理提供一種新手段。