基于沖突閾值的交匯水域通航安全評價方法

江福才，曹文蕾，楊嘉毅，譚箭

基于沖突閾值的交匯水域通航安全評價方法

江福才，曹文蕾，楊嘉毅，譚箭

參考道路交通中的沖突延誤時間概念，考慮交通沖突局面對船舶航行效率的影響，定義水上交通沖突延誤時間，提出沖突閾值的概念，對某“T”形交匯水域進行數據采集，構建基于沖突閾值的交匯水域沖突局面等級評價標準，為量化船舶潛在航行風險和水域安全評價提供依據。

水路交通；交通沖突技術；沖突延誤時間；沖突閾值；安全評價

在傳統的水上安全管理工作中，絕大多數的安全評價研究是基于事故資料進行的[1]。但是，事故資料可能不全面。為此，考慮引入沖突延誤時間替代事故數。在道路交通中，沖突延誤時間[2-3]是指在信號控制交叉口的綠燈啟亮后，有沖突的交通流自停車線駛過沖突點的時間與沒有沖突的情況下相同距離內行程時間的差[4]。在水路交通中，交通沖突局面下導致的船舶延誤將會造成該水域船舶密度增大，增加水域擁擠程度，給船舶帶來操縱和避讓的困難，對航行安全造成威脅[5]。為此，結合沖突延誤的定義，選取南方某港口進行數據采集，提出基于沖突閾值的水上交通安全評價方法。

1 水路交通沖突延誤時間的定義

在船舶交通流匯集明顯的水域，船舶在通過時會受到水域內其他船舶交通沖突的影響，駕駛員采取變速、轉向的措施維持船舶安全距離，以便安全通過水域[6]。一般而言，受沖突程度越嚴重，延誤時間越長，對水上交通安全的不利影響也越大[7]。

類比道路交通中沖突延誤時間的定義，將水路交通沖突延誤時間定義為：當船舶進入交匯水域后，受到沖突影響的船舶通過交匯水域的航行時間與無沖突情況下相同距離航行時間的差。

2 沖突閾值

在水路交通中，船舶駕駛員決定了船舶的行動，但由于駕駛員素質不同、精神狀態不同甚至對環境熟悉程度不同，導致船舶面對沖突局面作出的反應也不同[8]。對于交匯水域，當水域內船舶數量較多時，駕駛員依靠經驗來整體把握船舶沖突局面，并采取減速、變向來通過水域保證安全，這是駕駛員自發進行的，往往難以判斷運用良好船藝的時機，最終釀成事故[9]。為此，提出沖突閾值的概念，用水域內沖突船舶數作為確定依據。

2.1 沖突閾值的概念

由于僅依靠船舶駕駛員的經驗估計沖突局面具有局限性，判斷結果會受個體差異、心理狀態等因素的影響，從而做出不可靠的操作反應[10]。用沖突閾值來量化船舶駕駛員對沖突局面的估計，從而讓監管人員提醒駕駛員，減少駕駛員因個體差異等因素導致的對沖突局面的判斷疏忽。選取某交匯水域采集沖突延誤數據，并對數據進行處理，找出相同等級下沖突船舶數與延誤時間的關系，進而設置沖突閾值，沖突閾值下限值為在該交匯水域出現多船會遇情況時的沖突船舶數數量(≥2)，沖突閾值上限值為在該交匯水域中對本船造成時間延誤突然大幅上升的沖突船舶數數量。

2.2 沖突閾值的意義

長期以來，航道交匯水域、狹窄水道等復雜會遇水域由于交通流向復雜，所有船舶航行其中需特別謹慎，而安全事故多發的航道交匯水域多以警戒區的形式管理，海事安全監管人員憑借VTS(vessel traffic services)系統對水域交通情況進行實時監控，工作壓力大，精神集中，但安全隱患依然存在。沖突閾值的設置可作為劃分水上交通安全評價等級的依據，當水域沖突船舶進入沖突閾值范圍內時水域監控平臺產生報警，海事監管人員根據報警提示了解復雜水域的沖突局面已形成并采取措施。

3 沖突延誤數據采集

選取南方某港口一“T”形交匯水域中向上的船舶流進行數據采集工作。

1)船長L。根據VTS工作屏幕查詢并記錄每艘通過交匯水域船舶的長度。

2)船速V。VTS系統中船速是一個瞬時速度，所采集的船速關系到沖突延誤時間的計算。對交匯水域而言，其他通航條件不變的情況下，船舶通過時間包括：減速時間T1，保速航行時間T2，加速時間T3，具體時間分布見圖1。

對于不同情況的交匯水域，船舶駕駛員降低船速的位置是不確定的，也就是圖1的A點；而船速數據的采集要求觀測人在觀測到船舶到達A點后及時記錄船速，才能便于更好計算沖突延誤時間，降低相應的誤差。A點的選取，從通航安全的角度來看，結合當地流量較大、船速不高的實際情況，擬采集船舶進入交匯水域前1 km處的速度值作為船舶速度的數據，當船舶到達D點，即標志著安全船舶駛離航道交匯水域，理論上同A點對稱。因此，船速數據的采集需要觀測人密切留意VTS顯示的信息，在離交匯水域約1 km左右記錄船舶速度，盡量準確、及時，減少誤差。

3)通過時間T。通過時間是指船舶受到沖突影響實際駛過交匯水域所用時間，如圖1所示，觀測者統計的通過時間應為船舶通過A～D段所用時間。

4)沖突船舶數S。船舶在進入交匯水域前，交匯水域內存在的船舶均會干擾駕駛員的判斷，在一定程度上導致更大的延誤發生。本次“T”字形交匯水域，沖突船舶數采集見圖2。

通過統計船長、船速、通過時間及沖突船舶數，設計出供數據采集使用的表格，見表1。

表1 沖突延誤數據記錄表

4 評價方法

4.1 沖突延誤數據分析

對“T”字形交匯水域進行1年的數據采集，剔除無用數據后剩余22 381組。其中，船長小于50 m的船舶有7 959組，船長在50～100 m范圍的船舶有13 646組，船長大于100 m的船舶有774組。對于該研究水域船舶長度一般不大，考慮到船長在100 m以下的船舶占全部樣本數的96.53%，為盡量保證樣本數量和結果合理性，初步將數據按船長分成兩類，一類為小于50 m的船，一類為50～100 m的船。

沖突延誤時間為

(1)

式中，T′為延誤時間；T為通過時間；T0為理想時間；U為交匯水域長度；L為船長；V為船速。

計算出每組船舶數據的延誤時間，以沖突船舶數對延誤時間進行統計，見表2、3。

表2 船長小于50 m時的船舶延誤時間

表3 船長為50～100 m時的船舶延誤時間

當沖突船舶數到達一定數量后延誤時間會發生突變現象。在突變前，延誤時間有增有減，大體呈上升趨勢，意味著船舶駕駛員在交匯水域中隨著面對數量增多的沖突船舶時采取更大程度的避讓措施，造成了更大的延誤時間，這與實際情況相符。由于船舶駕駛員意識到水域內的船舶會對本船的航行造成較大的沖突后，通過更大程度的變速操作來降低航行風險，導致延誤時間出現較大的增幅。

4.2 沖突閾值的確定

4.2.1 沖突閾值下限

當交匯水域內船舶數量為1或2艘時，船舶駕駛員應嚴格遵守避碰規則的要求進行船舶操縱，由于水域操縱空間較大，船舶之間的沖突不嚴重，危險性不大。當水域內船舶超過2艘，由于容易出現多船交叉會遇的情況，駕駛員必須通過良好船藝進行操縱，船舶航行受到一定的威脅，會產生相應的延誤。因此，沖突閾值下限取為2。

4.2.2 沖突閾值上限

根據前述沖突延誤數據分析，當水域內沖突船舶數達到一定數量時延誤時間出現突變的現象。以船長小于50 m船舶為例，當沖突船舶數達到8艘時，延誤時間較之前出現一個較大的增幅，表示駕駛員面對船舶沖突的威脅采取更大程度的避讓措施，意味著水域交通安全狀態較為威脅，甚至存在碰撞的可能。為了保障安全行駛，船舶駕駛員就必須在將安全航速設定得更低。這便是以船舶的長時間延誤作為代價，海事監管部門則要采取強度更大的交通管制，這也將會帶來延誤時間的增加。因此，沖突閾值上限取為延誤時間突變時對應的沖突船舶數。

4.3 沖突局面等級劃分

水上交通沖突局面可描述為當2艘或2艘以上的船舶在同一時間、空間上相互接近，如果目標船舶采取非正常駕駛行為(突然轉向、變速或消極避讓)，致使本船處于復雜會遇境地的局面。將基于沖突閾值作為水域沖突局面嚴重程度等級劃分的標準，將沖突局面劃分為輕度沖突局面，較嚴重沖突局面和嚴重沖突局面。

1)輕度沖突局面。當水域中沖突船舶數量小于沖突閾值下限值，沖突局面對船舶時間延誤影響較小，且此時水域較空曠，船舶操縱較容易，2船遵守避碰規則并采取有效行動能夠保持安全距離，可安全駛過該水域。因此，將下限值之下的沖突局面歸為輕度沖突局面。

2)較嚴重沖突局面。當水域內沖突船舶數在沖突閾值以內時，延誤時間雖有上升，但總體呈現平穩趨勢，此時船舶駕駛員若能充分估計出水域的沖突局面，做出應對措施；或海事監管人員能及時做出協調，延誤時間不會出現突增，水域的通航秩序處于較易協調的狀態。而一旦沖突船舶數超過沖突閾值上限值，沖突延誤時間會出現突增，水域內船舶會遇局面將變得十分復雜，協調難度增大。因此，將當沖突船舶數在沖突閾值之內的沖突局面劃分成較嚴重的沖突局面。

3)嚴重沖突局面。當水域內沖突船舶數超過沖突閾值上限值，船舶延誤時間突變后仍會隨著沖突船舶數量的增加而較快增大，這時若不采取高強度的協調、管制手段，水域將擁堵嚴重，船舶碰撞危險增大。因此，將當沖突船舶數超過沖突閾值上限的沖突局面劃分為嚴重沖突局面。

具體劃分見表4。

表4 交通沖突局面劃分

以調研的T形交匯水域中，船長小于50 m的船舶為例，該水域中沖突船舶數在2艘以下時均屬于輕度沖突局面，在沖突閾值內即沖突船舶數在2～8艘時，屬于較嚴重沖突局面，沖突船舶數超過8艘時，屬于嚴重沖突局面。

5 結論

將沖突延誤引入到水路交通研究領域中，結合水路交通的特點定義了水路交通沖突延誤，提出了沖突閾值的概念，通過實地數據采集找出沖突船舶數與延誤時間的關系，以此作為沖突閾值的劃分依據，并提出一種基于沖突閾值的交匯水域安全評價方法即沖突局面等級的劃分，可協助海事監管人員整體評價水域交通狀況，及時通知駕駛員采取措施減少延誤，提高安全性。研究工作存在一定局限性，在研究延誤時間中未量化自然因素的影響，可能導致延誤時間出現一定偏差，這也是下一步研究的重點。

在此基礎上可進一步分析具體沖突形式以及自然條件對延誤時間的影響，提高設置沖突閾值的合理性，并開發能在VTS平臺使用的交通安全評價軟件，可降低監管人員的壓力，提高水域的安全性。

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[9] 吳春杰.多船避碰決策分析與探討[J].船海工程，2009，38(1)：74-77.

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(武漢理工大學 航運學院，湖北 武漢 430063)

Navigation Safety Evaluation Method for Junction Waterway Based on Conflict Threshold

JIANG Fu-cai, CAO Wen-lei, YANG Jia-yi, TAN Jian

(School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Refer to the study on conflict delay time of road traffic, the influencing factors of navigational efficiency were analyzed for ships under the situation of traffic conflict. The conflict delay time of waterway traffic was defined and the concept of conflict threshold was put forth. Through collecting the data of a “T” junction waterway, the evaluation method of waterway traffic safety can be established. It can provide a basis to evaluate quantitatively the navigational risk and traffic safety.

waterway traffic; traffic conflict technique; conflict delay time; conflict threshold; safety evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.043

2016-04-12

交通運輸部應用基礎研究項目 (2013329811310)

江福才(1963—)，男，碩士，教授研究方向:交通環境與安全保障

U697

A

1671-7953(2017)01-0177-04

修回日期：2016-04-15