袁志濤，劉克中，辛旭日，楊星,c，劉炯炯

(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063；b.信息工程學(xué)院，武漢 430070；c.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

0 引 言

船舶定線制是指定船舶在某水域航行時(shí)應(yīng)遵循或采用的航線、航路或通航分道的一種制度，是對(duì)航路合理規(guī)劃、有效利用的重要方法，也是改善船舶航行秩序、保障通航安全的重要措施。[1-2]近年來(lái)，一些沿海國(guó)家、地區(qū)制定了船舶定線制，并被國(guó)際海事組織采納，船舶定線制的積極作用得到普遍認(rèn)可。[3]我國(guó)自1984年在大連港大三山水道實(shí)施船舶定線制以來(lái)，在成山角、長(zhǎng)江口、珠江口、老鐵山水道、瓊州海峽、寧波舟山港等水域也相繼實(shí)施船舶定線制，并取得了明顯的效益。[1,4]

船舶定線制設(shè)計(jì)的科學(xué)性對(duì)船舶航路規(guī)劃、海事安全監(jiān)管極為重要。當(dāng)前關(guān)于船舶定線制的研究主要集中于外海、海峽、狹水道、岬角等水域，主要研究方向有船舶定線制方案設(shè)計(jì)、比選和船舶定線制水域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，大多數(shù)研究采用的是流量、密度和經(jīng)驗(yàn)分析方法。船舶定線制設(shè)計(jì)大多是依賴(lài)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)數(shù)據(jù)或船舶習(xí)慣航路進(jìn)行的[5-10]，有關(guān)船舶定線制主要參數(shù)和設(shè)計(jì)方法的理論研究相對(duì)較少。張浩等[11]用群體決策方法確定安全和性能定性評(píng)價(jià)指標(biāo)值，用熵權(quán)法確定效率定量指標(biāo)值，用逼近理想解排序法實(shí)現(xiàn)船舶定線制方案的優(yōu)選；范中洲等[12]運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論，分別對(duì)用層次分析方法、可拓理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法評(píng)價(jià)成山角船舶定線制方案的效果進(jìn)行了評(píng)估；船舶定線制水域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要有集對(duì)分析理論[13]和組合賦權(quán)法[14]等。文獻(xiàn)[5-12]側(cè)重于對(duì)已有船舶定線制方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[13-14]側(cè)重于對(duì)已有船舶定線制水域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，大多未在設(shè)計(jì)階段考慮潛在沖突、風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。目前，船舶定線制領(lǐng)域的研究主要是宏觀層面的，船舶定線制要素微觀設(shè)計(jì)方面的理論性研究相對(duì)缺乏，如分道通航制是否有必要設(shè)置，通航分道寬度設(shè)置的科學(xué)性，相鄰?fù)ê椒值赖脑O(shè)置是否合理，警戒區(qū)的設(shè)置是否合理等。SEONG等[15]提出應(yīng)根據(jù)船舶交通流現(xiàn)狀來(lái)確定航道的寬度，可為通航分道設(shè)計(jì)提供一定的參考。

沿海灣口水域作為連接港口與外海的通道，一般較為寬闊，航路多樣。在通航安全方面，灣口水域監(jiān)管要求更高。相關(guān)規(guī)定[16-18]提出了船舶定線制設(shè)計(jì)的基本原則，但大多是宏觀層面的指導(dǎo)原則，未涉及船舶定線制要素微觀設(shè)計(jì)。為對(duì)沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行理論探討，基于船舶交通流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)定、規(guī)劃的要求，兼顧船舶定線制遵循習(xí)慣航路的一致性和排他性的特點(diǎn)，構(gòu)建船舶航跡集中度和航行干擾度模型作為船舶定線制設(shè)計(jì)的參考，并將其應(yīng)用于沿海灣口水域船舶定線制的設(shè)計(jì)。最后，以福建三都澳口水域?yàn)槔M(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 沿海灣口水域船舶交通流特征分析

沿海灣口水域一般處于港區(qū)與外海的連接處，船舶交通流分散，通航約束條件多，通航環(huán)境較為復(fù)雜。沿海灣口水域通常沒(méi)有固定的航路或航道，可航水域?qū)掗煹叫休^為無(wú)序，故船舶交通流規(guī)范難度較大。我國(guó)的海岸線曲折，海灣也較多，典型灣口有渤海灣、膠州灣、杭州灣、湄洲灣、泉州灣、大亞灣、北部灣、三亞灣等。典型灣口水域一周內(nèi)的船舶航跡見(jiàn)圖1(來(lái)源于交通運(yùn)輸部東海航海保障中心)。

圖1 典型灣口水域一周內(nèi)的船舶航跡

在通常情況下，沿海灣口水域主要有以下幾個(gè)方面的共性特征：

(1)通航環(huán)境復(fù)雜，通航約束條件多。沿海灣口水域一般有較多的島礁、養(yǎng)殖區(qū)、捕撈區(qū)、淺水區(qū)、渡口等，水文條件較為復(fù)雜，無(wú)序航行的小型船舶較多，船舶易受島嶼遮擋，操縱、避讓難度大。

(2)船舶交通流分散，監(jiān)管難度較大。船舶交通流分散在較大的水域空間，船舶無(wú)序錨泊現(xiàn)象突出，船舶交通流的組織和監(jiān)管難度較大。

(3)可航水域?qū)掗?，航路多樣且不定。沿海灣口水域通常可航水域較為寬闊，船舶交通流向多且可選擇范圍廣，沒(méi)有固定的航道或航路，船舶航行隨意性、無(wú)序性強(qiáng)。

(4)船舶航向多樣，會(huì)聚現(xiàn)象顯著。沿海灣口水域的港口分布通常較為分散，船舶航線交叉現(xiàn)象明顯，易形成緊迫局面，船舶會(huì)聚區(qū)的通航局面更加復(fù)雜，船舶沖突更加明顯。

鑒于沿海灣口水域以上共性特征，對(duì)沿海灣口水域船舶定線制進(jìn)行研究有助于理順船舶交通流關(guān)系，改善通航秩序，提高船舶進(jìn)出港效率，減少船舶交通事故。

2 沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)方法

2.1 舶舶航跡集中度

某一水域內(nèi)船舶航跡集中度可以很好地反映出船舶在該水域內(nèi)的習(xí)慣航路和會(huì)聚情況。通常沿海灣口水域的船舶航跡分布規(guī)律性較差，某水域是否需要設(shè)置船舶定線制，應(yīng)充分考慮該水域船舶交通流的現(xiàn)狀。對(duì)于船舶流量大且大中型船舶航跡分布較為密集的區(qū)域可以通過(guò)設(shè)置船舶定線制來(lái)規(guī)范交通流，提高船舶進(jìn)出港安全性和通航效率；對(duì)于船舶流量小且船舶航跡分布較為稀疏的區(qū)域則不必設(shè)置船舶定線制，以免過(guò)多地約束船舶航行。

船舶航跡集中度可以作為船舶定線制設(shè)計(jì)時(shí)的參考因素。圖2為船舶航跡集中度示意圖。船舶航跡集中度可以定義為：在時(shí)間t內(nèi)，對(duì)于任意船舶航跡分布截面s，共有n艘次船通過(guò)，其中航跡最為集中的m艘次船會(huì)通過(guò)截面s′，則船舶航跡集中度可表示為

(1)

式中：當(dāng)n>100時(shí)統(tǒng)計(jì)有效，m可取n的80%；wi為第i艘次船的換算系數(shù)；di為第i艘次船與截面s′的距離，m；dmax為截面s邊界與截面s′邊界間的距離，m。

若通過(guò)截面s′的船舶交通流密度m/ds′與通過(guò)截面s的船舶交通流密度n/ds的比值大于1.2且ρTCR>0.8，則可認(rèn)為該水域船舶航跡集中度較高(ds′、ds為截面寬度)。為便于統(tǒng)計(jì)分析，可將總噸為500～2 999的船舶定義為“標(biāo)準(zhǔn)船”，對(duì)不同大小的船舶賦予一定的權(quán)重，即得船舶換算系數(shù)[19](見(jiàn)表1)。

圖2船舶航跡集中度示意圖

表1 船舶換算系數(shù)

2.2 船舶航行干擾度

沿海灣口水域通常會(huì)有多股船舶交通流匯集，在設(shè)計(jì)船舶定線制時(shí)，對(duì)于船舶交通流主流向的水域，可設(shè)置分道通航制或推薦航路，在船舶會(huì)聚區(qū)可設(shè)置警戒區(qū)或環(huán)形道，但定線制設(shè)置后可能會(huì)引起船舶沖突及相互干擾的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為對(duì)船舶會(huì)聚區(qū)附近各向船舶交通流間的干擾程度進(jìn)行分析，構(gòu)建船舶航行干擾度模型。船舶航行干擾度是反映相鄰且不同航向船舶間的相互干擾程度的一個(gè)量，與船舶最近會(huì)遇距離dCPA、最近會(huì)遇時(shí)間tCPA等參數(shù)密切相關(guān)。以?xún)纱瑫?huì)遇為例，船舶航行干擾度可簡(jiǎn)化為

(2)

若在某船舶會(huì)聚區(qū)附近存在多股交通流，其中有兩股交通流相距較近，設(shè)置兩個(gè)通航分道，現(xiàn)通過(guò)船舶航行干擾度模型分析相鄰?fù)ê椒值纼?nèi)船舶間的干擾程度。假設(shè)本船A1的航速和航向分別為Vo和Co，目標(biāo)船B1的航速和航向分別為Vt和Ct，目標(biāo)船相對(duì)于本船的方位為舷角q、距離為D，目標(biāo)船相對(duì)于本船的航速和航向分別為Vr和Cr。圖3為相鄰?fù)ê椒值纼?nèi)船舶航行干擾情況示意圖。

(3)

圖3 相鄰?fù)ê椒值纼?nèi)船舶航行干擾情況示意圖

(4)

dCPA=DsinΔI

(5)

tCPA=(DcosΔI)/Vr

(6)

(7)

式中：k=Vt/Vo，ΔH=Co-Ct，ΔI=Cr-q，Cr∈(0，180°)，ΔI∈(0，90°)。

為便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將ρLIC進(jìn)行無(wú)量綱化，且不考慮系數(shù)問(wèn)題。假定兩船航速大小都為“1”，則2ΔI=2Cr-2q=180°-ΔH-2q，ρLIC可以簡(jiǎn)化為

(8)

船舶航行干擾度表征量有相對(duì)航向Cr、航向交角ΔH、相對(duì)航速Vr、距離D和舷角q。對(duì)于船舶會(huì)聚區(qū)附近相互影響較大的兩股交通流，在通常情況下，ΔH∈(30°，90°)且90°≤ΔH+2q<180°，則ρLIC與D成反比，與ΔH成正比。

2.3 沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)

沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)的基本思想：按照相關(guān)規(guī)定[2,16-18]要求，在遵循原有的船舶交通流模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化船舶習(xí)慣航路，盡可能理順船舶的避讓關(guān)系，同時(shí)盡量少改變船舶航向。船舶會(huì)聚區(qū)和航路連接點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)盡量少，相鄰?fù)ê椒值纼?nèi)接近相反方向的交通流應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離，船舶間的航行干擾度應(yīng)盡可能低。在船舶流量大且船舶航跡密集的區(qū)域可設(shè)置通航分道；在船舶總流量少且航跡集中度較低、交通流向差別較大的區(qū)域可設(shè)置推薦航路或推薦航向；在船舶會(huì)聚區(qū)可設(shè)置警戒區(qū)或環(huán)形道等。

沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)的基本流程(見(jiàn)圖4)：基于調(diào)研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，兼顧船舶習(xí)慣航路，初步選定船舶定線制設(shè)計(jì)區(qū)域，根據(jù)船舶航跡集中度分析初步確定船舶定線制方案，結(jié)合船舶航行干擾度分析進(jìn)一步優(yōu)化方案，對(duì)于其他需考慮的相關(guān)因素，通過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)和問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行綜合評(píng)判并對(duì)方案進(jìn)行補(bǔ)充完善。

圖4 沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)流程

3 三都澳口水域案例分析

3.1 三都澳口水域基本狀況

三都澳位于福建省寧德市東南部，是典型的灣口水域，三都澳港區(qū)碼頭等級(jí)多為萬(wàn)噸級(jí)及以下。近年來(lái)隨著三沙灣和羅源灣大型碼頭建設(shè)投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)這兩個(gè)海灣的大中型船舶不斷增加。[20]三都澳口水域是進(jìn)出三沙灣和羅源灣的咽喉要道，該水域暫無(wú)固定航道或航路，進(jìn)出港船舶航跡分布范圍較廣，有大量商船、漁船、采砂船和客船等活動(dòng)，由于錨地資源有限船舶無(wú)序錨泊現(xiàn)象也較為突出。如何理順三都澳口復(fù)雜、無(wú)序的船舶交通流關(guān)系已成為該水域發(fā)展規(guī)劃面臨的難題。根據(jù)海事管理部門(mén)提供的資料，船舶習(xí)慣航路如圖5所示。

圖5 三都澳口水域船舶習(xí)慣航路

3.2 模型應(yīng)用與計(jì)算分析

從航保中心和福建VTS中心采集三都澳口水域船舶交通流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)和分析主要航路截面船舶交通流時(shí)空分布特征，定量計(jì)算船舶航跡集中度和航行干擾度，掌握三都澳口船舶交通流現(xiàn)狀，為船舶定線制的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。三都澳口水域一周內(nèi)各主要航路截面船舶交通流見(jiàn)圖6和表2。

圖6 三都澳口水域各主要航路截面船舶交通流

由表2可知，三都澳口水域各航路截面船舶流量差異較大，其中62%為長(zhǎng)度50 m以下的小型船舶，27%為長(zhǎng)度50～100 m的船舶，11%為長(zhǎng)度100 m以上的船舶。由外海南下進(jìn)出三都澳口的船舶流量較少且航跡較為分散，但船舶尺度較大，一般會(huì)通過(guò)截面13進(jìn)出；由外海北上進(jìn)出三都澳口的船舶流量較多且航跡較為集中，但船舶尺度一般，一般會(huì)通過(guò)截面11、3、7進(jìn)出；沿岸航行的部分船舶會(huì)通過(guò)截面2、4、5、6、8、10進(jìn)出。由圖7可知，通過(guò)截面4、5、12的船舶航跡密度ρ都在100艘次/(n mile)以上，通過(guò)截面6、8、9、13的船舶航跡密度ρ都在50艘次/(n mile)以上；由圖8可知，除通過(guò)截面1、4、5、6、7的船舶外，通過(guò)其他截面的船舶航跡集中度ρTCR均大于0.8，集中度較高。由于通過(guò)截面1、2、3、4、5、6、10的航路主要為小型船舶沿岸習(xí)慣航路，通過(guò)截面7的為已有航路，通過(guò)截面12(位于外航路)的航路上船舶流量大且不易監(jiān)管，故通過(guò)以上截面的航路不考慮設(shè)置船舶定線制。分析船舶航跡集中度和船舶航跡密度，初步選定在船舶航跡集中度較高但密度不過(guò)大的通過(guò)截面8、9、11、13、14的航路附近水域設(shè)置船舶定線制。

表2 三都澳口水域各主要航路截面船舶交通流

圖7 通過(guò)各截面的航路上的船舶航跡密度ρ

圖8 通過(guò)各截面的航路上的船舶航跡集中度ρTCR

結(jié)合圖6和式(8)可以計(jì)算出船舶會(huì)聚區(qū)附近各向交通流間的船舶航行干擾度，見(jiàn)表3。通過(guò)截面11與13的船舶之間、通過(guò)截面8與13的船舶之間、通過(guò)截面14與9的船舶之間航行干擾度較大，因此為降低潛在干擾及風(fēng)險(xiǎn)，不建議在這些截面處全部設(shè)置分道通航制；進(jìn)出羅源灣、沿岸航行、通過(guò)截面5的與通過(guò)截面7、9的船舶間存在明顯的干擾。

3.3 三都澳口水域船舶定線制設(shè)計(jì)

根據(jù)第3.2節(jié)中船舶航跡集中度和船舶航跡密度，初步確定船舶定線制的設(shè)計(jì)區(qū)域和大致方案。結(jié)合船舶航行干擾度分析進(jìn)一步優(yōu)化初步方案，三都澳口水域船舶定線制詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如下：

表3 各向船舶交通流間的航行干擾度ρLIC

(1)在三都澳口與羅源灣口之間的船舶交通流的交匯處設(shè)置半徑為1.5 km的圓形警戒區(qū)。

(2)在東洛島北側(cè)羅源灣口主航道的起始段與進(jìn)出三沙灣的船舶交通流的交匯處設(shè)置警戒區(qū)。

(3)沿東洛島北上進(jìn)出三都澳口的主流向船舶交通流，航向大致為130°/310°，通過(guò)截面11、14的船舶航跡集中度較高(約為0.86)，設(shè)置兩處分道通航制水域。參考日本學(xué)者藤井對(duì)擁擠水域通航分道寬度的建議，通航分道寬度一般為分隔帶寬度的3.2倍。結(jié)合該水域船舶交通流現(xiàn)狀，將該水域的通航分道寬度定為500 m，分隔帶寬度定為200 m。

(4)經(jīng)西洋島南側(cè)南下進(jìn)出三都澳口的大型船舶習(xí)慣航路，航向大致為095°/275°。該航路船舶流量較小且船舶航跡集中度較高(約為0.82)，但通過(guò)截面11與13的船舶之間航行干擾度較大(約為0.83)，將該航路設(shè)置為推薦航線。

(5)經(jīng)馬鞍島西側(cè)南下進(jìn)出羅源灣的船舶習(xí)慣航路，航向大致為050°/230°。該航路船舶流量較小但船舶航跡集中度較高(約為0.85)，通過(guò)截面13與8的船舶之間航行干擾度較大(約為0.90)，將該航路設(shè)置為推薦航線。

(6)為方便進(jìn)出三都澳口的船舶交通流與三沙灣主航道銜接，避免通過(guò)截面11的交通流與沿岸交通流在荷葉礁處會(huì)聚、干擾，將進(jìn)出三都澳口的船舶習(xí)慣航路設(shè)置為推薦航線。

(7)經(jīng)小西洋島與馬鞍島之間進(jìn)出羅源灣的船舶習(xí)慣航路，航向大致為050°/230°，船舶流量較小但與通過(guò)截面7的船舶干擾度較大且航跡集中度較高(約為0.86)，為便于與羅源灣主航道的銜接，將該航路設(shè)置為推薦航線。

綜上，三都澳口水域船舶定線制方案包括2處分道通航制水域、2處警戒區(qū)和4條推薦航線，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖9。

圖9 三都澳口水域船舶定線制方案示意圖

通過(guò)對(duì)三都澳口水域船舶交通流的梳理，利用提出的模型和方法設(shè)計(jì)了三都澳口水域船舶定線制初步方案，旨在降低船舶航行風(fēng)險(xiǎn)，改善船舶航行秩序和通航環(huán)境。該方案通過(guò)了海事、引航、港航及漁業(yè)等部門(mén)專(zhuān)家的評(píng)審，得到了專(zhuān)家組的肯定。通過(guò)對(duì)相關(guān)部門(mén)、碼頭企業(yè)和船員的問(wèn)卷調(diào)查可知，該方案既遵循現(xiàn)有主要船舶交通流形式，也符合船員的習(xí)慣航法，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶定線制是改善船舶航行秩序、降低船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)船舶進(jìn)行有效管理的一個(gè)重要手段。沿海灣口水域船舶交通流通常較為復(fù)雜，其管理要求較高。為對(duì)沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，構(gòu)建了船舶航跡集中度模型和船舶會(huì)聚區(qū)的船舶航行干擾度模型，并提出了沿海灣口水域船舶定線制設(shè)計(jì)方法和流程。以福建三都澳口水域?yàn)槔谧裱F(xiàn)有船舶習(xí)慣航路的基礎(chǔ)上，結(jié)合航保中心和VTS中心數(shù)據(jù)，不僅考慮了船舶流量、密度和經(jīng)驗(yàn)分析方法，還考慮了集中程度和潛在干擾，設(shè)計(jì)了三都澳口水域船舶定線制初步方案，為沿海灣口水域船舶定線制的設(shè)計(jì)方法提供一定的理論參考。