航道內船舶安全距離計算模型研究

劉 超

(安徽交通職業技術學院，安徽 合肥 230051)

航道內船舶安全距離計算是船舶在航期間需考慮的一個重要的基礎性數據。在單項航道內行駛船舶,在假設航道順直,航道長度不會限制船舶的正常航行,設定航道水深滿足所有船舶正常通航,不需候潮等待,僅允許同向航行,禁止船舶在航道內進行追越活動的情況下,引入交通流理論與船舶領域概念,建立理想情況下航道內船舶最小安全間距計算模型,并對模型通過能力進行分析, 可作為船舶航行操作方式比選,航道規劃、設計,航運交通管理及控制方式等參考的依據。

1 航道內船舶最小安全間距計算模型假設

船舶交通系統運行過程主要包含航道條件和船舶交通流狀態兩部分。在構建航道內船舶最小安全間距計算模型時,為描述問題和分析問題的方便,本模型做了一些優化和假設。其主要由航道模型和交通流模型兩部分構成,具體描述如下:

航道假設條件包括航道長度、寬度、水深、彎曲半徑以及潮汐等?？紤]到本文的主要研究對象為非追越航道,因此對航道模型進行簡化。首先,航道作順直化處理,不存在轉彎或航道交匯情況。其次,假設航道長度不會限制船舶的正常航行,同時設定航道水深滿足所有船舶正常通航,不需候潮等待。最后,假定船舶在航道模型中僅允許同向航行,同時禁止船舶在航道內進行追越活動。

船舶交通流是指某水域內所有船舶運行的表現形式。船舶交通流的主要評估參數有速度、密度、到達率、船舶間距等。通常,對于交通流的評估和計算可以直觀地體現出所在航道的船舶航行狀態和通航情況。在這里,結合單向航道的特點,還需要考慮船舶領域在船舶局面判斷中的作用。船舶領域是指船舶在航行過程中,為保證通航安全,禁止其他船舶進入的水域。安全領域的確定通常與船舶所處環境,船舶自身狀況,以及航行規則有緊密聯系。正由于本模型模擬航行環境僅考慮單一航向非追越航道,在確保水深條件下,船舶處于尾隨狀態航行,在航道內無追越和對遇局面,故無需考慮船舶左右領域安全。因此重點需要考慮船舶前后安全距離作為船舶避免碰撞局面的主要參考因素。

2 航道通過能力計算模型構建

根據航道內船舶前后安全間距的概念,與前后船舶速度差ΔV,進入時間間隔T,前船速度V及航道長度L有關。即D=f(L,V,T)。本文從船舶交通流微觀特征,即船舶間函數關系角度確定最終理論運算公式。

2.1 理想情況下航道通過能力

航道理論最小安全距離,是指航道條件和交通狀況都處于理想狀態下,船舶在一定時間間隔下連續駛入, 其前后船舶需保持的最小安全距離[4]。在這種情況下, 航道中的船舶彼此間沒有超越機會, 只能尾隨行駛,直至駛出航道。以下結合航道理論通過能力,對理想狀態下航道通過能力進行了分析。

圖1 理想情況下航道通過能力分析示意圖

在圖1所示情況下,相鄰的兩艘船舶構成了一個基本的單元組。設前后船舶間隔時間T駛入航道。為保證航行安全,其時間間隔至少需滿足T×V≥d0。當前船Si與航道端口的距離達到最小安全間距d0時,后船Sj進入航道。因此,在保證前后船舶滿足最小安全間距連續駛入的前提下,船舶駛入航道時間間隔、安全距離和設定的船舶速度構成函數關系。函數關系為:

(1)

其中,t為時間變量,每達到時間間隔Tij,后續船舶便可進入航道式(1)中,d0和V的單位分別用m和m/s表示。

2.2 模型通過能力分析

船舶到達航道時的速度差異是客觀存在的,前后船舶速度差異對航道通過能力有直接的影響。當后序船舶速度小于前序船舶時,兩船空間距離便隨時間累積而逐漸增大,船舶在航行狀態可時刻滿足最小安全距離;當后序船舶速度大于前序船舶速度時,空間距離隨時間累積而逐漸減小,可能縮小至安全間距以內,從而威脅船舶航行安全。

圖2 速度差異下的船舶間距變化分析

如圖2所示,當前船速度Vi小于后船速度Vj時,為保證船舶Si、Sj從進入航道直至駛出過程中,前后船距離始終大于等于最小安全距離d0,故相鄰船舶進入航道的初始間距d1要重新設置。在前后船舶最小安全間距得到保證的情況下,每艘船都能維持船舶勻速航行狀態。d1的大小可通過兩艘船舶的速度和航道長度推導出來,即

t=L/V1

(2)

當前船速度大于或等于后船速度時,相鄰船舶進入航道的初始間距可取最小安全間距d0。

圖3 結合船舶速度差異的航道通過能力分析

圖3是將為相鄰船舶進入航道的初始間距。當前船與航道端口的間距為E(d)時,后船可以進入航道。之后后續交通流依次按此間隔進入航道。結合公式(2)～(3),在考慮船舶速度差異影響的情況下,航道前后船舶安全距離如下表示:

(3)

在一定通航環境情況下,船舶進入航道的初始速度值趨于某一值μ,但又有所差異,交通流內船舶的船速基本服從正態分布情況。假設船舶到達航道入口的初始速度服從均值為μ,方差為σ2的正態分布,即V～N(μ,σ2)。當σ越大,相鄰船舶速度差P2×(Vj-Vi)較大的可能性越大。同理,當σ越小,相鄰船舶速度差L×(V1±ΔV)較大的可能性越小?？梢?與L×(V1±ΔV)與σ成一定的相關性。經化簡后,航道通過能力的公式可表示為:

(4)

其中,航道船舶最小安全距離D受交通流內船舶平均速度μ、速度標準差σ、航道長度L、及船舶進入航道間隔影響。

3 仿真實驗分析

通過設計仿真場景,進行了一系列仿真實驗,并進一步探討和驗證了該部分的計算模型。通過對仿真結果的分析,可以看出計算模型在一定程度上是合理的。

仿真模型分為兩部分:船舶模型和航道環境模型。航道模型包括航道生成模塊、航道運動模塊和航道決策模塊3個子模塊。在航道生成模塊中,需要考慮航道到達規律和航道間隔等參數。通過輸入真實船舶交通流量進行統計分析。船舶運動模塊主要用于顯示船舶在航道中的航行性能。最后利用船舶決策模型的工作機制,對實時區間和最小安全距離進行了比較。航道模型的設計主要通過建立外部參數,如航道狀況和水文條件的限制,船舶導航。除了在之前模型假設中提出的一些條件外,船舶交通流模型假設如下:① 每個船舶都被單獨認為是一個對象,除航道間隔要求外,無其他干擾;② 在通道中,船舶的運動只在一維模型中進行,且船舶沿交通流方向直線運動;③ 一旦船舶速度的變化,變化是瞬間完成,減速后,前后船舶速度一致。

基于此假設建立模擬情景,經過實驗發現最小安全距離變化與以下5個參數有關:通道長度L,船舶最大通過能力,平均速度v、速度標準差σ航道到達率λ。在通道環境設計中,平均速度v和船舶最大通過能力被視為2個顯著常數,其余參數為變量。在每一次仿真試驗中,采用Mont Carlo仿真方法,通過改變船舶最大通過能力,得出船舶最小安全間距的計算指標。假定的平均速度約為10節,標準偏差為插在范圍從1節到3.7節。由此發現當d超過一固定值C時,航道內船舶通過能力將明顯下降。故在實驗中,設定C取值范圍變化并進行4個樣本研究,如表3所列。

表3 實驗數據設計

當減速船只的數量在1天內達到80%時，每艘船舶的備用時間將顯著增加，航道將過于擁擠。在保證船舶間距高于船舶最小安全距離的情況下，每天減速船只的數量的80%時的閥值可以作為其船舶通航安全間距的測算標準。

4 結束語

本文根據船舶交通流的特點和船舶的船舶干擾分析，提出了航道安全距離的計算模型。并同時設計了1組仿真實驗，驗證了計算模型的合理性。結果表明，計算模型的數據在一定程度上與仿真數據相吻合。同時，計算模型清晰地反映了航道內船舶間距與航道流速、航道長度等因素的關系。因此，在對于1個特定的航道進行設計規劃時，可以通過數據采集和概率統計分析船只速度的特性。在此基礎上，結合仿真擬合得到計算模型內部相應參數。這對航道安全間距的計算具有重要的理論指導意義。該理論模型的提出可為相關部門確定速度限制標準，提高管理水平提供一定的科學依據和決策支持。

[參考文獻]

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[3] Goodwin EM. A statistical study of ship domains [J ].Navigation，1975, (28): 329-341.

[4] 董宇,姜曄,何良德.內河航道通過能力計算方法研究[J]. 水運工程,2007,(1):59-65.