基于TCT的渡運交叉水域安全研究

王當利　高如江　徐言民　王健宇　史宇軒　趙俊超

(武漢理工大學航運學院　武漢　430063)

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基于TCT的渡運交叉水域安全研究

王當利高如江徐言民王健宇史宇軒趙俊超

(武漢理工大學航運學院武漢430063)

摘要：通過對長江武漢段小區域范圍內的渡運交叉水域進行安全性研究，將廣泛應用于道路交叉口安全研究中的交通沖突技術引入到渡運航路的交匯水域研究，其大樣本、短周期、小區域、高信度的特點不僅能縮短安全評價的周期，評價結果更為可靠，可有效地界定研究水域事故沖突點安全性的大小，給渡運船舶提供安全引導.

關鍵詞：交通沖突技術；渡運交叉水域；事故沖突點；安全評價

0引言

渡運交叉水域是指渡船航路之間或渡船航路與其他船舶航路交叉的水域.與道路交通網絡相似，內河運輸有許多平面交叉點，除了支流匯入主航道，內河船舶航路的交叉會遇，包括內河輪渡穿越主航道等情況，形成水路交通網絡的眾多交叉結點.交叉水域是通航環境最為錯綜復雜的水域之一，這是由于其作為航路網絡的結點，導致交通安全隱患嚴重[1-2].我國渡船多是過江、過海的渡船，常與主航道形成交叉態勢，進而導致交叉水域內船舶交通流復雜，海損事故發生概率大，存在著巨大的安全隱患.因此，對渡運交叉水域進行安全研究，采取科學有效措施以緩解渡運交叉水域的交通安全問題勢在必行.

1交通沖突概述

傳統的水上交通安全評價法是基于事故的“五項指標法”，即利用事故總件數、碰撞事故數、死亡人數、沉船艘數、直接經濟損失5項指標作為安全評價的指標，這一方法無法比較同一水域不同時期或同一時期不同水域的安全狀況，尤其是對小區域地點的交通安全評價是有局限性的.此外，事故的發生往往具有偶然性，在事故數逐漸下降的背景下，傳統基于事故的評價方法無法準確評價日益繁忙的水上交通存在的潛在危險，以此作為交通安全評價的基礎和改善交通措施的依據，不足以滿足安全分析的需要.因此，有必要探討更為科學有效的研究方法來解決交匯水域交通安全評價問題.

1.1交通沖突技術

交通沖突(traffic conflict，TC)實質是交通事故潛在的事故因素.交通沖突技術(traffic conflict technique，TCT)是指根據安全評價或預測分析的需要，確定某種標準對交通沖突的行為及其嚴重程度進行判別，并以此作為判斷依據的技術，是主要應用于解決交通沖突問題的一種新型技術.通過綜合考慮具體交通沖突點的各影響因素，分析交通沖突數據，評價區域安全性，進而可提出有針對性的措施以解決研究小區域內的交通安全問題[3-4].

交通沖突技術作為一種基于非事故統計的間接安全評價法，不直接以已發生事故的數據作為評價基礎，而是通過對行駛船舶與交通事故發生有直接影響的潛在交通沖突為安全評價依據，通過對船舶間駕駛行為特性進行研究，基于對沖突角度、沖突距離等因素進行界定，以此作為沖突發生的依據，并通過對沖突有效性的研究，對研究水域的安全等級做出評價.與傳統基于事故的安全評價法相比，交通沖突技術具有大樣本、短周期、小區域、高信度的特點.

1.2水上交通沖突

水上交通沖突(vessel traffic tonflict, VTC)是指在可觀測的時間和空間上，兩艘或多艘船舶彼此接近到一定程度，若此時任意一方不改變其運動狀態，包括變速、轉向等，則將會發生碰撞的危險局面[5-7].常用的沖突指標有沖突距離、沖突速度、沖突時間、沖突角度和沖突嚴重性[8].其調查方法分為人員調查、雷達信息采集、海事CCTV錄像調查，以及AIS信息采集[9].

2渡口水域的安全研究

水上交通沖突的評價指標分為沖突絕對數和沖突相對數.沖突絕對數是通過對比不同航路交叉點交通沖突發生的絕對數目，對各個研究對象交通安全狀況的優劣進行排序；沖突相對數是采用一定的數學方法對評價指標進行計算分析，得到安全評價的結果，該種方法在評價指標的處理上也較為全面.

在本文的研究中，由于渡口交匯水域的交通流運動不是一個靜止不變的狀態.因此，選擇評價指標不僅考慮絕對交通沖突數的因素，還考慮到交通流量對安全的影響，確立以沖突絕對數和沖突相對數同時為評價水域安全的指標.

2.2渡運交叉水域交通沖突影響因素

選取武漢地區長江大橋與長江二橋之間作為典型水域進行安全評價，范圍包括長江與漢江交匯水域在內的輪渡密集航行水域，選取4個小水域作為比較的目標水域，分別為1#，2#，3#和4#水域，見圖1.

圖1　武漢港輪渡航線圖

由于本文僅針對船舶行為之間的沖突關系進行研究，因此著重分析水域的環境概況、代表船型、交通流構成、附近船舶的習慣航法，以及沖突雙方的船速比和沖突夾角，從航路交匯的角度分析影響渡運交叉水域交通沖突的影響因素，不考慮影響渡船安全航行的其他自然和人為因素，僅分析上述5個因素對研究水域內的交通沖突的影響，為界定沖突的嚴重度提供依據.

1) 水域環境概況本研究選取的水域位于武漢長江大橋下游的武橋水道與漢口水道中，渡船航路與主航道交匯密集的4個水域，在研究水域內，渡船航路與主航路之間、渡船航路彼此之間都有交叉，是本文所定義的典型的渡運交叉水域，見圖2.此外，這一水域部分主航道位于橋區水域，航行船舶的操作受限，且漢江與長江在此水域內交匯，水流態勢復雜，氣象水文對航行安全也有較大影響，尤其是大風和濃霧在這一區域內直接影響航行安全.

圖2　研究水域的船舶沖突(交叉沖突)

漢口水道長8 km，寬為1 200 m左右，漢口水道向下游逐漸放寬，河道較為順直.由于漢江水流匯入，在漢江河口至長江南岸的斷面上，河床北岸形成較明顯的沖刷坑，斷面右側為武昌深槽，斷面呈偏“W”型.該斷面歷年形態較為穩定，北岸河床變化較為明顯，而南岸相對穩定，見圖3.

本文通過對四川樂山地區部分被訪者的問卷調查，發現本地的普通話學習及利用上存在很多不足與誤區。同時，當地的普通話培訓機構較少，課程設置、人群選擇等不盡合理，因此本文認為開展科學、合理的普通話培訓是有需求的，市場前景是非常大的。最后，提出普通話培訓機構發展的幾點合理建議。

圖3　研究水域的航道現狀

船舶各自靠右航行原則是該水域目前的交通原則，左岸一側為上行船舶航路，右岸一側為下行航路，上、下行船舶通航分道各為航標標示寬度的2/5，3/5，有關部門要求在該通航分道內的航行船舶應盡可能讓開分隔帶(線)，順應通航分道中的船舶總流向行駛.

2) 交通流的構成根據AIS統計顯示，研究水域內船舶交通流主要由主航道航行船舶與過江渡輪，該區域內2014年3月17日08:00～18:00主航道的船舶類型分布見表1.

表1　不同類型的船舶流量

正常情況下，考慮來回渡運，渡船流量為每日南岸至北岸航行次數的2倍.

表2　武漢輪渡公司各航線航次

3) 附近船舶習慣航法上行船舶采取走經濟航路的航法，沿長江右岸緩流上行，同時考慮漢江長江交匯水域的水文情況，上行走緩流船舶會與岸邊保持一定的安全距離，特別是在洪水期，此水域水情復雜，此時上行船舶的安全距離要適當拉大，避免船舶受漢江較大流量的影響，使船舶發生倒頭.上行航經漢江河口的船舶一般沿著長江水流與漢江水流產生的剪刀水上行駛過該水域，附近船舶的航路航法見圖4.

圖4　附近船舶的航路航法示意圖

4) 沖突雙方船速比 沖突雙方的船速比是指發生沖突的兩船間，較快船舶的船速與較慢船舶的船速之比.一般較快速船舶的避讓能力優于較慢速度船舶，則可以推出若船速比越大，避免碰撞的難度和危險度就越小；相反，船速比越小，避免碰撞的難度和碰撞的危險度就越大.本文根據觀測1 h內通過該水域主航道的船舶的航行狀況，取這1 h內的船舶平均速度作為研究假定的主航道船舶的航行速度，確定上行船舶速度為30 km/h，下行船舶速度為40 km/h.水域內渡船航行的平均速度為研究假定的渡船的航行速度，其中，每一條航線的渡船速度為26 km/h.若上行船舶和下行船舶都和渡船相遇，則，下行船舶與渡船交叉時的危險性要小于上行船舶.

5) 沖突夾角根據武漢輪渡公司網站公布，這一水域有8條渡運路線，其中有3條客渡線分別為黃鶴樓—晴川閣客渡、中華路—武漢關客渡、曾家巷—王家巷客渡、月亮灣到苗家客渡；3條觀光游覽航線分別為，漢陽門—龍王廟、黃鶴樓—集家嘴、中華路—苗家；1條“武漢·兩江游覽航線”，這些渡線均有固定班次表.近年來部分輪渡航線有所修改，如原來的漢陽門—王家巷航線改為黃鶴樓—王家巷，但交叉角度變化并不大，調整的航線開收班時間和營運班點也沒有變化.

本文中的沖突夾角即為航路間的交匯夾角，根據圖5所示，各渡船航線之間、渡船航路與主航道航線之間多為大角度交叉相遇.各航路之間仍有發生追越或對遇的交匯態勢，但該水域內實施了分道通航制度，主航道內船舶發生追越或對遇的態勢概率較低，渡輪航行班次有其管理公司安排，發生追越或對遇的態勢概率也是極低的.綜上所述，該渡口航行水域內的船舶交匯角度多為大角度的交叉相遇，結合本文對水上交通沖突的分類，認為該水域的交通沖突多為交叉沖突.

圖5　航路交匯夾角示意圖(AIS觀測)

3水上交通沖突的界定

避碰規則中對碰撞危險的定義為：兩船在一定距離內駛進到計劃航向和航速同時處于或接近同一相對位置，即存在碰撞危險.然而對碰撞危險進行量化是非常困難的，因為不同的船舶、船員、環境人們可能對碰撞危險有不同的理解.對于碰撞危險的判斷取決于當時的環境和兩船間的相對速度和距離，即會遇時最小通過距離(distance of close point of approaching,DCPA)和最小會與距離的時間(time to close point of approaching,TCPA).在海上船舶避碰的實踐中，海員習慣于使用DCPA和兩船之間的距離及其變化來判斷是否存在碰撞危險.

DCPA與TCPA的概念與水上交通沖突的概念有共通之處，都是以存在碰撞危險為前提，綜合研究區域內水上船舶流量，采用沖突率為指標的評價標準，在前面模型建立的過程中，本文兼顧單位沖突數與單位當量交通流量的比值：沖突次數/交通流量為評價指標，這一指標不僅考慮絕對沖突數的因素，同時還考慮了交通流量的因素.

海員通常做法認為，船舶駛過時的DCPA=2～3 n mile為其最小安全距離，這一距離在內河狹窄水道中明顯不適用，此時除了考慮DCPA和TCPA，更關注兩船的船頭和船尾能否安全通過，故根據船舶安全領域理論，船舶安全領域是指船舶周圍保證船舶航行安全航行所需的水域，本文選取2L×2B為船舶的安全領域.

水上交通沖突嚴重程度分為非嚴重沖突(VTC1)和嚴重沖突(VTC2)兩類，本文將minDCPA小于船舶安全會遇領域為一次水上交通沖突，TCPA小于3 min時，為一次非嚴重沖突，而小于1 min時認為存在碰撞危險，為一次嚴重水上交通沖突.

4武漢輪渡航行水域安全的評價

4.1指標數據的采集

以2014年3月17日的武漢輪渡公司渡船航行航線與主航道航行船舶交匯水域作為研究對象，利用AIS采集07:00～19:00的水上交通沖突數據，根據上文中提到的將minDCPA小于船舶安全會遇領域，且TCPA小于3 min時，即存在碰撞危險時認定為一次水上交通沖突，而TCPA小于1 min時，認為存在碰撞危險為一次嚴重水上交通沖突.

參考所評價的水域船舶流量受時段影響情況，并對研究水域內船舶交通流量(vessel traffic flow，VTF)和水上交通沖突數據進行連續采集統計，得到非嚴重沖突與嚴重沖突的相對沖突量VTC1/VTF及VTC2/VTF.這樣針對某一特定渡船交匯水域而言，其交通安全狀況和交通流運行情況基本上可以由VTC1,VTC2,VTF及其相互關系所反映.

本文主要研究的是渡口航路交叉水域的安全狀況，為了便于采集較多的數據樣本，數據采集地點可選航路交叉口水域.根據研究水域的調研和長期船舶流量觀測情況，選取交通與環境狀況，通過利用AIS對所選取的4個交叉水域持續觀測12 h(07：00～19：00)，獲取數據見表3.

表3　沖突絕對數據　次

由表3可見，安全評價結果從優到差依次為：4#→1#→3#→2#.根據調研資料，2#，3#，4#水域匯集漢江上的船舶，流量更大，這會在一定程度上增加船員的心理壓力，影響船員的航行、避讓操縱.且1#水域屬于橋區水域，主航道上船舶航行受到限制；2#，3#水域渡運繁忙，交匯頻繁且該水域臨近武昌岸有錨地，特別是3#水域位于河口交匯段，水流急亂，增加進出漢江河口船舶的航行、避讓難度，這些情況都會使船舶之間可能形成緊迫局面，釀成險情或事故.而4#水域雖然流量大，但主航道可航水域最寬，礙航物最少，渡運量較小，沖突量也較小，航行安全度最高.結果表明，理論分析的結果與實際情況相吻合.

5結 束 語

渡運交叉水域的安全研究關系著群眾的生命財產安全，一直是海事監管部門的維護航行安全的重點，交通沖突技術在道路安全研究中普遍使用并趨于成熟，但其較少用于水上交通的研究中，所以沒有成熟的理論可供參考.本文基于交通沖突技術，分析渡船航路交叉水域的交通現狀，在當前的研究過程中也有許多不足之處，在后續研究中將從以下研究內容進行完善.

1) 對水上沖突指標的界定不夠完整：水上交通沖突的界定以及沖突嚴重性的判定影響因子較多，單一地從安全距離和時間進行限定是具有片面性的，在今后的研究中還需進一步優化.

2) 數據采集存在多種選擇：短時間的數據收集不能足以反映研究水域內長期水平.今后將繼續對沖突數據進行采集，再次分析，并補充有效性的驗證.

3) 本文在船舶沖突模型中只選取了靜態環境，并沒有考慮船舶可能采取的避碰措施.現實情況是，船舶駕駛員會跟根據危險狀況采取相應措施，并且船舶在采取措施后相應航向、船速發生變化，沖突參數的大小也產生了變化，因此本文計算結果可能會與實際情況有所偏差，但這也是今后完善研究的方向之一.

參 考 文 獻

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[2]王偉,黃志清,邱云明.長江渡船碰撞事故分析及安全航行的研究[J].航海技術,2010(2):25-27.

[3]成衛,王貴勇.基于交通沖突技術的交叉口安全狀況灰色聚類評價研究[J].昆明理工大學學報(理工版),2005(3)：55-58.

[4]DEBNATH A K.Navigational traffic conflict teanique:a proactive approach to quantitative measurement of collision risks in port waters[J].Journal of Navigation,2010,63(1):137-152.

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Study on the Safety of Ferry Crossover Waters Based on TCT

WANG DangliGAO RujiangXU YanminWANG JianyuSHI YuxuanZHAO Junchao

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Based on the safety studies on the ferry crossover waters of a small area in the Wuhan Yangtze channels, the TCT technique is introduced to carry out the studies on the ferry crossover waters. It has a lot of features, such as the large sample, short period, small area and high reliability. It not only shortens the period of the safety evaluation, but also improves the reliability of the evaluation results. At last, the degree of safety of the accident conflict points in the studied waters can be effectively defined, so as to provide safety guidance for ferries.

Key words：traffic conflict technique; ferry crossover waters; accident conflict points; safety evaluation

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.016

中圖法分類號：U698.2

收稿日期：2016-02-09

王當利(1962- )：男，教授，主要研究領域為船舶通航安全保障、智能控制與仿真、防污染技術