沿海灣口水域船舶定線制設計方法

袁志濤，劉克中，辛旭日，楊星,c，劉炯炯

(武漢理工大學 a.航運學院，武漢 430063；b.信息工程學院，武漢 430070；c.內(nèi)河航運技術湖北省重點實驗室,武漢 430063)

0 引 言

船舶定線制是指定船舶在某水域航行時應遵循或采用的航線、航路或通航分道的一種制度，是對航路合理規(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，一些沿海國家、地區(qū)制定了船舶定線制，并被國際海事組織采納，船舶定線制的積極作用得到普遍認可。[3]我國自1984年在大連港大三山水道實施船舶定線制以來，在成山角、長江口、珠江口、老鐵山水道、瓊州海峽、寧波舟山港等水域也相繼實施船舶定線制，并取得了明顯的效益。[1,4]

船舶定線制設計的科學性對船舶航路規(guī)劃、海事安全監(jiān)管極為重要。當前關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計、比選和船舶定線制水域風險評估等，大多數(shù)研究采用的是流量、密度和經(jīng)驗分析方法。船舶定線制設計大多是依賴船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)數(shù)據(jù)或船舶習慣航路進行的[5-10]，有關船舶定線制主要參數(shù)和設計方法的理論研究相對較少。張浩等[11]用群體決策方法確定安全和性能定性評價指標值，用熵權法確定效率定量指標值，用逼近理想解排序法實現(xiàn)船舶定線制方案的優(yōu)選；范中洲等[12]運用灰色系統(tǒng)理論，分別對用層次分析方法、可拓理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡評估方法評價成山角船舶定線制方案的效果進行了評估；船舶定線制水域風險評估方法主要有集對分析理論[13]和組合賦權法[14]等。文獻[5-12]側重于對已有船舶定線制方案的設計、優(yōu)化和評價，文獻[13-14]側重于對已有船舶定線制水域的風險評估，大多未在設計階段考慮潛在沖突、風險問題。目前，船舶定線制領域的研究主要是宏觀層面的，船舶定線制要素微觀設計方面的理論性研究相對缺乏，如分道通航制是否有必要設置，通航分道寬度設置的科學性，相鄰通航分道的設置是否合理，警戒區(qū)的設置是否合理等。SEONG等[15]提出應根據(jù)船舶交通流現(xiàn)狀來確定航道的寬度，可為通航分道設計提供一定的參考。

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。相關規(guī)定[16-18]提出了船舶定線制設計的基本原則，但大多是宏觀層面的指導原則，未涉及船舶定線制要素微觀設計。為對沿海灣口水域船舶定線制設計方法進行理論探討，基于船舶交通流統(tǒng)計數(shù)據(jù)及相關規(guī)定、規(guī)劃的要求，兼顧船舶定線制遵循習慣航路的一致性和排他性的特點，構建船舶航跡集中度和航行干擾度模型作為船舶定線制設計的參考，并將其應用于沿海灣口水域船舶定線制的設計。最后，以福建三都澳口水域為例進行詳細說明。

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)境較為復雜。沿海灣口水域通常沒有固定的航路或航道，可航水域寬闊但航行較為無序，故船舶交通流規(guī)范難度較大。我國的海岸線曲折，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)的船舶航跡見圖1(來源于交通運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方面的共性特征：

(1)通航環(huán)境復雜，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，水文條件較為復雜，無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)可航水域寬闊，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，沒有固定的航道或航路，船舶航行隨意性、無序性強。

(4)船舶航向多樣，會聚現(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，船舶會聚區(qū)的通航局面更加復雜，船舶沖突更加明顯。

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

2 沿海灣口水域船舶定線制設計方法

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)的習慣航路和會聚情況。通常沿海灣口水域的船舶航跡分布規(guī)律性較差，某水域是否需要設置船舶定線制，應充分考慮該水域船舶交通流的現(xiàn)狀。對于船舶流量大且大中型船舶航跡分布較為密集的區(qū)域可以通過設置船舶定線制來規(guī)范交通流，提高船舶進出港安全性和通航效率；對于船舶流量小且船舶航跡分布較為稀疏的區(qū)域則不必設置船舶定線制，以免過多地約束船舶航行。

船舶航跡集中度可以作為船舶定線制設計時的參考因素。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：在時間t內(nèi)，對于任意船舶航跡分布截面s，共有n艘次船通過，其中航跡最為集中的m艘次船會通過截面s′，則船舶航跡集中度可表示為

(1)

式中：當n>100時統(tǒng)計有效，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。

若通過截面s′的船舶交通流密度m/ds′與通過截面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)計分析，可將總噸為500～2 999的船舶定義為“標準船”，對不同大小的船舶賦予一定的權重，即得船舶換算系數(shù)[19](見表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有多股船舶交通流匯集，在設計船舶定線制時，對于船舶交通流主流向的水域，可設置分道通航制或推薦航路，在船舶會聚區(qū)可設置警戒區(qū)或環(huán)形道，但定線制設置后可能會引起船舶沖突及相互干擾的潛在風險。為對船舶會聚區(qū)附近各向船舶交通流間的干擾程度進行分析，構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量，與船舶最近會遇距離dCPA、最近會遇時間tCPA等參數(shù)密切相關。以兩船會遇為例，船舶航行干擾度可簡化為

(2)

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

(3)

圖3 相鄰通航分道內(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°)。

為便于對數(shù)據(jù)進行處理，將ρLIC進行無量綱化，且不考慮系數(shù)問題。假定兩船航速大小都為“1”，則2ΔI=2Cr-2q=180°-ΔH-2q，ρLIC可以簡化為

(8)

船舶航行干擾度表征量有相對航向Cr、航向交角ΔH、相對航速Vr、距離D和舷角q。對于船舶會聚區(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計

沿海灣口水域船舶定線制設計的基本思想：按照相關規(guī)定[2,16-18]要求，在遵循原有的船舶交通流模式的基礎上，進一步優(yōu)化船舶習慣航路，盡可能理順船舶的避讓關系，同時盡量少改變船舶航向。船舶會聚區(qū)和航路連接點的數(shù)量應盡量少，相鄰通航分道內(nèi)接近相反方向的交通流應盡可能遠離，船舶間的航行干擾度應盡可能低。在船舶流量大且船舶航跡密集的區(qū)域可設置通航分道；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)域可設置推薦航路或推薦航向；在船舶會聚區(qū)可設置警戒區(qū)或環(huán)形道等。

沿海灣口水域船舶定線制設計的基本流程(見圖4)：基于調研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，兼顧船舶習慣航路，初步選定船舶定線制設計區(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，結合船舶航行干擾度分析進一步優(yōu)化方案，對于其他需考慮的相關因素，通過專家咨詢和問卷調查進行綜合評判并對方案進行補充完善。

圖4 沿海灣口水域船舶定線制設計流程

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)碼頭等級多為萬噸級及以下。近年來隨著三沙灣和羅源灣大型碼頭建設投產(chǎn)，經(jīng)過這兩個海灣的大中型船舶不斷增加。[20]三都澳口水域是進出三沙灣和羅源灣的咽喉要道，該水域暫無固定航道或航路，進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，由于錨地資源有限船舶無序錨泊現(xiàn)象也較為突出。如何理順三都澳口復雜、無序的船舶交通流關系已成為該水域發(fā)展規(guī)劃面臨的難題。根據(jù)海事管理部門提供的資料，船舶習慣航路如圖5所示。

圖5 三都澳口水域船舶習慣航路

3.2 模型應用與計算分析

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)計和分析主要航路截面船舶交通流時空分布特征，定量計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，為船舶定線制的設計提供參考依據(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%為長度50 m以下的小型船舶，27%為長度50～100 m的船舶，11%為長度100 m以上的船舶。由外海南下進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，一般會通過截面13進出；由外海北上進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，一般會通過截面11、3、7進出；沿岸航行的部分船舶會通過截面2、4、5、6、8、10進出。由圖7可知，通過截面4、5、12的船舶航跡密度ρ都在100艘次/(n mile)以上，通過截面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，除通過截面1、4、5、6、7的船舶外，通過其他截面的船舶航跡集中度ρTCR均大于0.8，集中度較高。由于通過截面1、2、3、4、5、6、10的航路主要為小型船舶沿岸習慣航路，通過截面7的為已有航路，通過截面12(位于外航路)的航路上船舶流量大且不易監(jiān)管，故通過以上截面的航路不考慮設置船舶定線制。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大的通過截面8、9、11、13、14的航路附近水域設置船舶定線制。

表2 三都澳口水域各主要航路截面船舶交通流

圖7 通過各截面的航路上的船舶航跡密度ρ

圖8 通過各截面的航路上的船舶航跡集中度ρTCR

結合圖6和式(8)可以計算出船舶會聚區(qū)附近各向交通流間的船舶航行干擾度，見表3。通過截面11與13的船舶之間、通過截面8與13的船舶之間、通過截面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險，不建議在這些截面處全部設置分道通航制；進出羅源灣、沿岸航行、通過截面5的與通過截面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計

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計區(qū)域和大致方案。結合船舶航行干擾度分析進一步優(yōu)化初步方案，三都澳口水域船舶定線制詳細設計方案如下：

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置半徑為1.5 km的圓形警戒區(qū)。

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

(3)沿東洛島北上進出三都澳口的主流向船舶交通流，航向大致為130°/310°，通過截面11、14的船舶航跡集中度較高(約為0.86)，設置兩處分道通航制水域。參考日本學者藤井對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)西洋島南側南下進出三都澳口的大型船舶習慣航路，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)，將該航路設置為推薦航線。

(5)經(jīng)馬鞍島西側南下進出羅源灣的船舶習慣航路，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)，將該航路設置為推薦航線。

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

(7)經(jīng)小西洋島與馬鞍島之間進出羅源灣的船舶習慣航路，航向大致為050°/230°，船舶流量較小但與通過截面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，設計方案見圖9。

圖9 三都澳口水域船舶定線制方案示意圖

通過對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計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險，改善船舶航行秩序和通航環(huán)境。該方案通過了海事、引航、港航及漁業(yè)等部門專家的評審，得到了專家組的肯定。通過對相關部門、碼頭企業(yè)和船員的問卷調查可知，該方案既遵循現(xiàn)有主要船舶交通流形式，也符合船員的習慣航法，具有較強的科學性和可行性。

4 結束語

船舶定線制是改善船舶航行秩序、降低船舶碰撞風險、對船舶進行有效管理的一個重要手段。沿海灣口水域船舶交通流通常較為復雜，其管理要求較高。為對沿海灣口水域船舶定線制設計方法進行探討，構建了船舶航跡集中度模型和船舶會聚區(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計方法和流程。以福建三都澳口水域為例，在遵循現(xiàn)有船舶習慣航路的基礎上，結合航保中心和VTS中心數(shù)據(jù)，不僅考慮了船舶流量、密度和經(jīng)驗分析方法，還考慮了集中程度和潛在干擾，設計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計方法提供一定的理論參考。