朱坤，肖英杰，李松

(上海海事大學(xué)a.商船學(xué)院;b.航運(yùn)仿真技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

目前，國(guó)際上通行的引航交接方式是在航交接，如密西西比河、萊茵河、蘇伊士運(yùn)河、巴拿馬運(yùn)河、長(zhǎng)江等.［1］寶山引航作業(yè)區(qū)(上海—長(zhǎng)江引航交接水域)位于寶山航道，上接寶山警戒區(qū)，下連吳淞口警戒區(qū)，是大型船舶進(jìn)出長(zhǎng)江的咽喉要道.“十二五”長(zhǎng)江水運(yùn)發(fā)展預(yù)期目標(biāo)完成后，12.5 m深水航道將向上延伸到南京，進(jìn)出長(zhǎng)江的船舶尤其是大型船舶的數(shù)量會(huì)顯著增加，寶山引航作業(yè)區(qū)的引航交接任務(wù)也隨之日趨繁重.

寶山引航作業(yè)區(qū)實(shí)行的在航交接，一般在低速下進(jìn)行，這會(huì)在一定程度上降低交通流速度，在高峰時(shí)段容易造成航道堵塞，同時(shí)增加事故發(fā)生概率.特別是在部分長(zhǎng)江上海段、長(zhǎng)江江蘇段能見度不良或遭遇惡劣天氣封航后，一旦解除交通管制，往往導(dǎo)致大批船舶同時(shí)抵達(dá)寶山引航作業(yè)區(qū)進(jìn)行引航交接.另外，待引航交接船舶早于或晚于計(jì)劃時(shí)間到達(dá)引航作業(yè)區(qū)時(shí)，由于引航員交接時(shí)間不一致、引航員數(shù)量不足等原因，造成被引航船舶的滯航現(xiàn)象嚴(yán)重;待引航交接船舶需在引航作業(yè)區(qū)及附近水域控制船速、頻繁用車，導(dǎo)致船舶主機(jī)等發(fā)生故障.

因此，研究寶山引航作業(yè)區(qū)引航交接對(duì)交通流的影響，對(duì)保障寶山航道及深水航道的高效、有序、暢通具有參考意義.本文應(yīng)用引航交接對(duì)船舶交通流影響分析模型，研究在航引航交接對(duì)船舶交通流的影響.

1 寶山引航作業(yè)區(qū)現(xiàn)狀

1.1 引航交接作業(yè)量

圖1 2001—2010年寶山引航作業(yè)區(qū)引航交接船舶數(shù)量

2001—2010年，上海港引航站在寶山引航作業(yè)區(qū)交接船舶艘次見圖1.

2010年上海港引航站在寶山引航作業(yè)區(qū)交接的船舶共有27 131艘次，平均每天約74艘次.另外，我國(guó)的引航制度是對(duì)外國(guó)籍船舶代表國(guó)家行使主權(quán)實(shí)施強(qiáng)制引航，對(duì)中國(guó)籍船舶提供引航服務(wù)，所以在上海港水域?qū)χ袊?guó)籍船舶不實(shí)行強(qiáng)制引航，但是如果海船進(jìn)出長(zhǎng)江航行，船上的船員沒有“海船船員內(nèi)河航線資格證明”，應(yīng)向長(zhǎng)江引航中心申請(qǐng)引航服務(wù).2010年長(zhǎng)江引航中心在寶山引航作業(yè)區(qū)上下引航員的船舶有43 240艘次，平均每天約118艘次.由此可以得出，2010年在寶山引航作業(yè)區(qū)僅是單上、單下長(zhǎng)江引航員的船舶也有16 109艘次.

1.2 實(shí)測(cè)交通流量

運(yùn)用上海海事大學(xué)開發(fā)的“AIS＆GPS信息處理軟件V 2.0”，實(shí)時(shí)采集自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù).為全面掌握引航交接前后的船舶流量，設(shè)置2條觀測(cè)線:1#觀測(cè)線在70號(hào)浮附近(引航交接大多在此水域);2#觀測(cè)線在寶山警戒區(qū)南邊界.

引航交接是隨機(jī)的，故稱有引航交接的交通流為偶發(fā)性異常交通流.在分析引航交接對(duì)交通流速度和交通量損失的影響時(shí)，選擇有代表性的引航交接集中時(shí)段.2011年3月1日09:00—12:00進(jìn)口方向交通流量數(shù)據(jù)見表1.

表1 寶山引航作業(yè)區(qū)3 h進(jìn)口方向交通流量

1.3 引航作業(yè)區(qū)特點(diǎn)

(1)寶山引航作業(yè)區(qū)的寬度有限，僅1 000 m，交接作業(yè)水域較長(zhǎng)，整個(gè)寶山航道水域都可進(jìn)行引航交接作業(yè).

(2)船舶在航交接時(shí)會(huì)降低引航作業(yè)區(qū)內(nèi)的船舶航行速度，影響整個(gè)交通流的通航效率.

(3)引航作業(yè)區(qū)船舶類型多、流量大，船舶航向交叉多，通航局面復(fù)雜.［2］

(4)受潮汐影響顯著，船舶到達(dá)引航作業(yè)區(qū)的時(shí)間不平衡，某些時(shí)段引航交接相對(duì)集中.

2 引航交接對(duì)交通流影響分析模型

船舶交通流運(yùn)行穩(wěn)定是航道暢通、安全的重要保證.本文從交通流狀態(tài)、交通流速度(V)、交通量(Q)損失以及引航艇在引航作業(yè)區(qū)航行時(shí)的交通沖突等4個(gè)方面，研究船舶交通流的主要參數(shù)與引航交接的內(nèi)在關(guān)系，揭示他們之間的潛在規(guī)律，找到減少引航交接對(duì)交通流負(fù)面影響的方法.

圖2 交通量與交通流速度關(guān)系示意圖

2.1 引航交接對(duì)交通流狀態(tài)的影響

Q和V是反映交通狀態(tài)的主要因素，它們之間的關(guān)系可用圖2描述:當(dāng)航道內(nèi)幾乎沒有船、Q接近0時(shí)，V不受限制為自由速度Vf;隨著Q的增加，船舶航行受到影響，V受到一定限制，當(dāng)Q達(dá)到最大Qmax時(shí)，V為最佳速度Vm，在此過程中交通流部分受限;當(dāng)Q繼續(xù)增加時(shí)，航道發(fā)生擁擠，船舶航行不暢，V進(jìn)一步降低，乃至為0，Q受限.［3］

船舶在自由航行的狀態(tài)下，引航作業(yè)區(qū)內(nèi)沒有引航交接;隨著引航交接次數(shù)的增加，船舶無(wú)法保持其正常航行速度，交通流部分受限;當(dāng)引航交接頻繁到一定程度時(shí)，船舶只能緩慢航行，甚至航道堵塞，交通流受限.

2.2 引航交接對(duì)交通流速度的影響

由于引航交接船舶一般需減速慢行，當(dāng)航道中發(fā)生引航交接時(shí)，會(huì)對(duì)交接航段上游形成沖擊波，從而降低交通流速度，其大小由當(dāng)時(shí)的交通量和交通流速度決定.沖擊波波速［4］

式中:下標(biāo)1代表引航交接發(fā)生時(shí)，下表2代表引航交接發(fā)生后.Vw的大小能夠反映航道的阻塞情況.

文獻(xiàn)［5］研究車速離散性對(duì)交通流通行能力的影響，結(jié)果表明車速離散性是限制道路實(shí)際通行能力的重要因素，車速離散性越大，實(shí)際通行能力越低.船速離散性采用平均鄰船速度差Δv－(統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)通過觀測(cè)線的n艘船舶相鄰兩船速度差絕對(duì)值的平均值)表示，在一定程度上能夠反映相鄰船舶之間的相互作用.［6］

式中:vi為第i艘通過觀測(cè)線的船舶的速度;n為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的船舶數(shù)量;C為離散因數(shù);σ為標(biāo)準(zhǔn)差;μ為速度均值.

2.3 引航交接導(dǎo)致的交通量損失

圖3 引航交接引起的交通量損失

交通量損失是交通擁擠引起的主要后果.造成交通擁擠的主要因素有:航道通過能力、交通需求流量、引航交接持續(xù)時(shí)間，其中引航交接持續(xù)時(shí)間是最重要的因素.

圖3中，橫軸表示某一時(shí)間段引航交接影響交通流的持續(xù)時(shí)間，縱軸表示累計(jì)交通量.直線L1代表航道交通需求量，在A時(shí)刻進(jìn)行引航交接時(shí)，因航速下降導(dǎo)致交通量從直線L1降到L2，直到B時(shí)刻引航交接影響時(shí)間結(jié)束為止，排隊(duì)的船舶以接近通行能力的離去率直線L3航行.C時(shí)刻時(shí)，交通流恢復(fù)正常速度.直線L1，L2，L3所圍成的陰影圖形面積即為因引航交接引起的交通量損失.［7］

由圖3可以看出，引航交接持續(xù)時(shí)間對(duì)航道交通量損失產(chǎn)生較大影響，因此減少引航交接時(shí)間對(duì)減少交通量損失具有重要意義.

2.4 引航艇在引航作業(yè)區(qū)航行時(shí)的交通沖突

引航艇具有操縱靈活方便、航速較快的特點(diǎn).引航艇在交接水域經(jīng)常穿插航行，航行路徑較為復(fù)雜，如需要采取轉(zhuǎn)向、減速等避險(xiǎn)行為才能通過時(shí)，就表明發(fā)生水上交通沖突.一艘船舶在一定時(shí)間、一塊水域內(nèi)發(fā)生水上交通沖突的數(shù)量和嚴(yán)重程度，能反映出此船舶對(duì)該水域交通的影響情況.

通常利用水上交通沖突數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集交接區(qū)船舶的AIS數(shù)據(jù)，計(jì)算船舶間的交通沖突程度.交通沖突并不一定能很好地代表碰撞危險(xiǎn)的大小，但其危險(xiǎn)等級(jí)能體現(xiàn)出引航交接水域內(nèi)引航艇對(duì)其他航行船舶交通的影響情況.沖突危險(xiǎn)度分為一般、中等和嚴(yán)重等 3 類.［8］

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，沖突危險(xiǎn)度取兩船之間危險(xiǎn)度可能值最大的一次.引航艇并靠其他船舶時(shí)，引航員上下船一般需要5 min左右.在這期間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)次兩船碰撞危險(xiǎn)的計(jì)算，并記錄兩船距離最小(采用AIS數(shù)據(jù)計(jì)算兩船距離約等于0)的一個(gè)數(shù)據(jù)，此時(shí)兩船并靠，碰撞危險(xiǎn)被系統(tǒng)判斷為嚴(yán)重等級(jí).因此，可以認(rèn)為引航艇與他船距離約等于0，且碰撞危險(xiǎn)為嚴(yán)重等級(jí)的數(shù)據(jù)，即為引航艇正在進(jìn)行引航作業(yè).

3 寶山引航交接對(duì)交通流影響分析

3.1 引航交接對(duì)交通流速度影響分析

3.1.1 引航交接產(chǎn)生的沖擊波波速

圖4 偶發(fā)性異常交通流地點(diǎn)速度時(shí)變

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，1#觀測(cè)線的交通流地點(diǎn)速度時(shí)變見圖4.

圖4中曲線表明當(dāng)有引航交接時(shí)，速度變化劇烈，交通流速度明顯下降且部分受限.把10:00—11:00的流量和速度數(shù)據(jù)代入式(1)，可得Vw=－5.64 kn.因此，引航交接對(duì)交通流產(chǎn)生的沖擊作用十分明顯.

3.1.2 船速離散性分析

圖5 船舶速度離散度

由圖5知:1#觀測(cè)線的速度離散度總體上大于2#觀測(cè)線，在10:00—11:00時(shí)段有引航交接時(shí)尤為明顯.1#觀測(cè)線的離散因數(shù)和平均鄰船速度差均大于2#觀測(cè)線，可見當(dāng)航道有引航交接時(shí)，引航作業(yè)區(qū)內(nèi)船舶交通流的通行能力下降.

3.2 引航交接造成的交通量損失

混合流是航道交通流的顯著特點(diǎn)，船型多、速度差別大.不同速度船舶的相互影響使得航道的服務(wù)水平下降，在引航作業(yè)區(qū)有引航交接時(shí)尤為明顯;后面的船舶減速慢行，交通流進(jìn)入強(qiáng)制流狀態(tài)，使得航道時(shí)間占有率過高，產(chǎn)生擁擠乃至堵塞，造成交通量損失.

由圖6知:沒有引航交接時(shí)，航道交通流時(shí)間占有率一般不超過20%;有引航交接時(shí)，交通流時(shí)間占有率急劇增加.由1#和2#觀測(cè)線10:00—11:00流量數(shù)據(jù)可知，在4次引航交接過程中，交通量損失9艘，平均引航交接一次約造成2.3艘的損失量.

圖6 偶發(fā)性異常交通流航道時(shí)間占有率時(shí)變

3.3 引航艇引起的交通沖突分析

引航交接水域內(nèi)通航船舶流量大，引航交通艇航行軌跡較為復(fù)雜.交通沖突能夠反映船舶間的航行干擾.利用水上交通沖突數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)寶山引航作業(yè)區(qū)進(jìn)行24 h交通沖突數(shù)據(jù)采集，見圖7(圖中矩形為交通沖突位置，圓形為引航作業(yè)地點(diǎn)).24 h內(nèi)由引航艇引起的交通沖突共有189次，其中42次屬于引航作業(yè)，占比22.2%.可見，引航作業(yè)過程對(duì)作業(yè)區(qū)內(nèi)交通流產(chǎn)生一定的影響.

圖7 引航艇造成的交通沖突

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)寶山引航作業(yè)區(qū)引航交接對(duì)交通流影響的問題，基于AIS流量觀測(cè)和水上交通沖突數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析引航交接對(duì)交通流狀態(tài)、交通流流速、交通流通行能力、交通量損失及交通沖突的影響.結(jié)果表明引航交接對(duì)交通流有明顯的負(fù)面影響.

建議減少寶山引航作業(yè)區(qū)引航交接的船舶數(shù)量，把在寶山引航作業(yè)區(qū)僅僅是只上或只下長(zhǎng)江引航員的船舶移到別處;船舶到達(dá)引航作業(yè)區(qū)的數(shù)量盡可能平衡，避免某些時(shí)段特別集中;增加引航艇接送引航員的班次，避免部分船舶滯航;規(guī)范引航艇的航線，避免不必要的交通沖突，減少對(duì)其他船舶的航行干擾;縮短引航交接持續(xù)時(shí)間，減小交通量損失，做到讓引航艇等候引航交接船舶，而不是引航交接船舶等候引航艇等.

目前，在引航交接方面僅有引航風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)引航交接影響交通流的研究卻很少.研究引航交接對(duì)交通流的影響，有利于分析航道服務(wù)率降低的誘發(fā)因素，制定有針對(duì)性的改善措施，對(duì)保障深水航道通暢、提高航道服務(wù)率和減少事故具有重要意義.

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［8］李松，孔凡邨，關(guān)克平.警戒區(qū)水上交通沖突數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11(2):121－126.