基于IWRAP模型的跨海大橋建設通航風險研究

劉勝利，李勤榮，華昕培，鄭欣蕊，董 敏

(交通運輸部規劃研究院，北京 100028)

0 引言

自2000年以來，我國相繼在珠江、長江、杭州灣等入海河口和海灣建設跨海大橋,改變所在海域的船舶通航環境，給船舶通航條件造成一定影響。在大橋前期工作中，量化跨海大橋不同建設方案的通航風險變化情況，選取風險水平最低的最優大橋工程方案至關重要。

目前,常用風險分析方法有層次分析法、模糊綜合評價法、貝葉斯網絡法、灰色關聯分析評價法、蒙特卡洛模擬法、人工神經網絡法等。上述方法均需大量基礎數據，且需要有經驗的人員進行權值判斷。在跨海大橋建設決策階段，可預測建橋后通航風險的分析手段和資料有限，現有方法難以適應大面積海域的風險評價。對于決策階段的跨海大橋通航風險分析，需要1種基于歷史統計規律延伸、盡可能減少人為因素參與且操作簡單的風險分析方法：柯冉絢等[1]運用IWRAP模型對船舶交通流數據進行擬合驗證，篩選出擬合度最佳的分布函數，以提高IWRAP模型運行結果的準確性；甘浪雄等[2]根據IWRAP模型對交叉航路船舶的碰撞概率進行計算，為船舶交通事故的預防和監管提供參考；陳偉炯等[3]結合Bow-tie與模糊集合理論，構建跨海大橋船橋碰撞風險評估模型，并用敏感性分析方法揭示船橋碰撞的主要影響因素；高驍等[4]采用Ansys/LS-Dyna建立有限元模型，模擬船舶在不同水位和撞擊角度下的碰撞情形，并結合AASHTO規范對船橋碰撞風險進行分析；楊祥睿[5]基于貝葉斯理論運用HUGIN軟件驗證船橋碰撞模型，并對危險因素進行排序；耿波等[6]利用AASHTO規范模型，對2010年、2020年和2050年通航密度下廈漳跨海大橋進行船撞風險分析，以可接受風險水平10-4為控制條件得到船撞設防代表船型。

本文綜合考慮各種通航風險評估方法，以國際海事組織推薦的國際航標協會航道/航路風險分析方法(IALA Waterway Risk Assessment Programme，IWRAP)為基礎，構建跨海大橋通航風險分析方法。IWRAP主觀、人為因素影響較小，主要基于客觀船舶流量情況進行預測，理論性較強，同時可量化通航風險。因此，本文將選取IWRAP方法對跨海大橋建設的通航風險進行分析和論證。

1 跨海大橋水域通航特征

跨海大橋通常建在河口或海灣水域，對于擬建跨海大橋的水域，建橋后橋區的通航態勢會發生較大變化：在入海河口或海灣建設大橋通道，一般與相關港區產業發展、功能調整、岸線利用情況相關，橋梁建設改變水域內集疏運體系，水域內船舶交通隨之變化；跨海大橋的建設帶來顯著的交通組織變化，通過布設橋墩形成幾個或多個通航孔，迫使整個橋區所在水域的交通組織重構。受多年沖刷影響，海灣水域通常地勢平坦水深充裕，船舶呈自由通航狀態。橋梁建設后，自由通航的船舶逐漸歸并至通航孔，航路寬度在通航孔附近大幅度縮窄[7]；部分通道受投資、風險控制等影響，在現有航路處不預留通航孔，致使部分現有航路消失；部分通道采用橋隧組合方案，在沒有大幅增加航程前提下，部分船舶會優先選擇隧道段通航。因此，跨海大橋的建設對橋梁選址水域的通航風險影響較大，須根據建橋后的交通組織方案，對跨海大橋建成后的通航態勢進行預判和分析。

2 跨海大橋通航建模

2.1 建模理論基礎

跨海大橋建設的通航風險還與船舶在橋區的行為和軌跡分布密切相關，因此，對橋梁選址水域交通流量進行模型化處理，量化船舶在橋區的行為和軌跡分布是通航風險影響研究的關鍵。IWRAP模型理論是以船舶交通流數據為基礎，通過分析船舶交通事故致因類型，將各類船舶風險固化到系統中，其結果展示為區域內事故數量或頻率，方便決策部門理解和運用。評估跨海大橋建成后面臨的通航風險，包括船舶與橋梁的碰撞風險(船-橋碰撞風險)以及橋梁選址水域船舶與船舶之間的碰撞風險(船-船碰撞風險)。理論基礎如式(1)所示：

N=C×PG×PC

(1)

式中：N為跨海大橋建設后發生碰撞事故的數量，即跨海大橋建設的通航風險水平，起/a；C為擬建大橋橋區的交通流量，艘次/a；PG為會遇概率；PC為事故致因概率。為確定碰撞事故數量，須先計算水域內存在會遇概率的船舶數量。

1)存在會遇概率的船舶數量測算

船舶會遇狀況分為對遇、追越、交叉相遇和擱淺4種情形，各會遇情形如圖1所示。

圖1 4種事故會遇情形Fig.1 Four scenarios of accident encounter

①對遇情形下存在會遇概率的船舶數Nh如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

②追越情形下存在會遇概率的船舶數No如式(4)所示：

(4)

式中：No表示追越情形下存在會遇概率的船舶數，艘次/a；Po表示存在追越情形的船舶發生會遇的概率。

③交叉相遇情形下存在會遇概率的船舶數Nc如式(5)所示：

(5)

式中：Nc表示交叉相遇情形下存在會遇概率的船舶數，艘次/a；Dij表示碰撞直徑，m；θ表示交叉角度，(°)。其中，Vij如式(6)所示：

(6)

Dij如式(7)所示：

(7)

④擱淺情形Ⅰ是船舶以正常速度沿著計劃航線航行發生的擱淺，其存在會遇概率的船舶數NⅠ如式(8)所示：

(8)

式中：NⅠ表示對遇情形下存在會遇概率的船舶數，艘次/a；Pci指致事故概率的系數；Qi指該船舶類型的船舶數量，艘次；fi(z)指該船舶類型的橫向密度分布函數；z指障礙物邊界的橫坐標，m。

擱淺情形Ⅱ是船舶在障礙物附近的給定轉折點未能改變航線發生的擱淺，其存在會遇概率的船舶數NⅡ如式(9)所示：

(9)

式中：d指障礙物與轉向點之間平行于原航線方向的距離，m；ai指航海者檢查船舶位置的距離間隔，m。

2)事故致因概率PC取值

事故致因概率PC的取值與人為失誤、導助航設施配置、船舶系統先進性、船員素質、環境條件等多種因素有關。IWRAP在研發過程中，使用貝葉斯網絡方法，并結合不同學者研究理論[7-10]給出PC取值建議，本文PC取9.0×10-5。

2.2 場景設置

在橋梁選址水域，通航孔所在的主墩、輔助墩、過渡墩等橋墩均為船舶通航障礙物，也是跨海大橋對橋梁選址水域通航影響的最直接因素之一[11-12]。一般情況下，通航孔兩側3倍設計船長以內的主墩、輔助墩、過渡墩都可能對船舶構成碰撞威脅。在4種會遇狀況中，船—橋碰撞事故對應擱淺情形，即橋墩可視為淺灘類型障礙物，2類擱淺情形分別是船舶操縱與橋墩發生碰撞的2種可能情況，即船舶未采取轉向行動與橋墩發生碰撞，或船舶采取轉向行動但仍未躲避橋墩等障礙物與橋墩發生碰撞；船-船碰撞事故分別對應對遇、追越和交叉相遇3種船舶會遇情形[13]。

當船舶在航經通航孔時，通常在距橋梁軸線8～16倍設計代表船型船長的水域內[14]，調整船舶在航道內的相對位置，對齊通航孔，航道寬度約等于2倍的通航孔寬度；船舶航行至橋梁軸線8倍設計代表船型船長以內水域時，航道寬度略小于通航孔寬度。除此之外，其他水域航道寬度為原設計航道寬度，如圖2所示。

圖2 橋區通航寬度示意Fig.2 Schematic diagram of navigable width of bridge area

2.3 交通流擬合

1)橋梁選址水域船舶流量觀測線設置

首先須獲取橋梁選址水域內AIS船舶航行軌跡分布總圖，確定研究水域內的航道/航路分布情況，然后根據以下4個原則設置船舶流量和分布規律觀測線：觀測線數量覆蓋通道水域內主要航道/航路；觀測線走向與相應航路走向垂直；觀測線長度基本覆蓋相應航路通航船舶軌跡的主體部分；每隔1處航道/航路交叉點增加1處觀測線。

2)觀測線處的船舶交通量分布情況獲取

利用AIS數據解析技術，結合VTS實態觀測解析觀測線處不同船型、不同尺度船舶交通量、在航路橫向上的密度分布等特征。

3)交通流分布函數擬合

基于正態分布、對數分布、均勻分布、韋伯分布、耿貝爾分布5種基礎數學分布規律，通過數學方法擬合截面橫向分布柱形圖確定分布函數及其參數。

4)橋區通航孔水域交通流分布模擬

分析水域內或附近相似橋區船舶在通航孔內的分布規律，進行函數擬合并類比擬建大橋得到大橋建成后交通流分布函數的特征值，如均值、標準差等參數。根據橋梁通航方案，對各航道航路遠期預測流量進行適配性調整。

2.4 風險模型構建

依據各航道/航路的流量預測和分布函數，針對不同通道方案，分為未來不建橋航道/航路維持現狀、未來不建橋航道/航路調整和未來建橋航道/航路調整3種情形，搭建擬建橋梁大范圍水域內的IWRAP風險模型，并通過計算得出各情形下的風險水平。

3 實例應用

以舟山至上海跨海大通道某建設方案為例，對該跨海大橋建設的通航風險水平進行預測。舟山至上海跨海大通道建設所在水域主要涉及金山航道和岱山北航道2條航道以及西航路推薦航路、西航路習慣航路、東海大橋通航孔至魚腥腦島航路、魚山大橋小船航路和魚山大橋小船航路東支/西支6條航路，各航道和航路均為天然水道。該方案采用橋梁方式跨越金山航道和西航路習慣航路，采用隧道方式穿越岱山北航道，取消漕涇東航道。各通航孔布置及凈空尺度要求見表1，其線位走向如圖3所示。

表1 建設方案通航孔布置及凈空尺度匯總Table 1 Summary of navigation hole layout and clearance scale of construction scheme

圖3 跨海大橋線位走向示意Fig.3 Schematic diagram of line orientation of cross-sea bridge

3.1 航道地形、交通流分布及通航孔建模

1)航道地形數據建模

選用海軍航保部出版《南匯嘴至火山列島》(圖號：13339)、《崎嶇列島》(圖號：13341)和海事局出版的《馬鞍列島至岱山島》(圖號：52001)等海圖校對水域內水深和島礁環境，完成研究水域建模，并在通道水域設置25條AIS船舶流量觀測線，如圖4所示。

圖4 舟山至上海跨海通道水域AIS船舶流量觀測線分布Fig.4 Distribution of AIS ship flow observation lines in water area of Zhoushan-Shanghai cross-sea channel

2)交通流分布建模

在研究水域內劃定25條航道段，依托觀測到的各航道/航路船舶分布函數和未來流量預測值，完成不建橋情形下的風險模型搭建，運行后得到不建橋時的風險水平，作為橋梁引起水域通航風險變化的比對基準值,如圖5所示。

圖5 研究水域航段交通分布設置Fig.5 Traffic distribution and setting of studied water navigation segments

3)通航孔區域建模

對于該橋梁建設方案，須選擇擬合該通航孔區域的交通流分布函數，確定分布函數的各項參數。因該橋暫未建成，其建成后的交通流具體分布情況無法得知，因此選取與擬建大橋位于同一海域的東海大橋和通航情況相似的平潭海峽大橋公路橋作為參考橋梁，借助其交通流分布情況進行類比。平潭海峽大橋公路橋主通航孔為雙孔雙向通航，通航孔寬度為2×180 m；東海大橋主通航孔為單孔雙向航道，通航凈寬為300 m。選取2019年2座橋梁主通航孔的AIS數據進行函數擬合,結果如圖6所示。

圖6 2座橋梁AIS數據函數擬合Fig.6 Fitting of AIS data function for two bridges

基于2座橋梁橋區交通流擬合的函數特征，類比得到金山航道橋和西航路習慣航路橋的通航孔水域的交通流函數特征，設置金山航道橋通航孔交通流分布均值為397.87 m，標準差為61.53 m；西航路習慣航路橋通航孔交通流分布均值為346.81 m，標準差為81.29 m。根據預測數據，按照該方案建設通道時，擬建橋梁水域范圍內的建模情形如圖7所示。

圖7 擬建橋區水域遠期航段交通分布設置Fig.7 Traffic distribution and setting of long-term navigation segments in water area of bridge to be built

3.2 風險預測結果

根據將跨海大橋建成后的風險水平值同不建設大橋情形下的風險水平進行比較，具體如下：

1)模型可靠性驗證

根據舟山至上海跨海通道水域AIS船舶流量觀測數據，運用所建模型計算預測該水域發生事故總數為6.584起/a。據舟山海事局和洋山海事局統計，2008—2016年該水域發生船舶事故數據共計59起，年均6.556起，預測數據與實際年發生事故平均值吻合程度較高，證明模型預測的可靠性。

2)大橋建成前后通航風險變化

大橋建成后該水域遠期發生擱淺事故的概率為2.68起/a，發生碰撞事故的概率為8.303起/a，總風險評估值為10.983起/a，而遠期不建大橋的風險評估值為10.729起/a，建設該跨海大橋使橋區水域風險上升2.37%，計算結果見表2。

表2 擬建大橋水域建橋后船舶發生碰撞風險評估結果Table 2 Results of risk assessment on ship collision after bridge construction in water area

3)船-橋碰撞風險分析

船-橋碰撞風險變化在模型計算中體現為擱淺事故數量在大橋建設前后的變化：建橋前，擬建大橋水域發生擱淺事故的風險為1.669起/a；建橋后，擬建大橋水域發生擱淺事故的風險為2.680起/a，風險絕對值增加1.011起/a，建設該跨海大橋使橋區水域船-橋碰撞風險上升60.58%。

4)船-船碰撞風險分析

擬建大橋水域由于船舶可航水域變窄、船舶密度增加、交叉相遇節點增多等因素，船-船碰撞風險增加較為明顯。建橋前，擬建大橋水域發生船-船碰撞事故的風險為7.644起/a，建橋后，擬建大橋水域發生船-船碰撞事故的風險為8.303起/a，風險絕對值增加0.659起/a，建設該跨海大橋使橋區水域船-船碰撞風險上升8.62%。具體到2個通航孔，風險變化見表3。

表3 擬建大橋通航孔處船-船碰撞風險變化Table 3 Changes in ship-ship collision risk before and after bridge construction in the waters of the proposed bridge

5)風險評估結論

擬建大橋水域風險評估地圖如圖8所示。研究水域中金山航道通航孔水域、岱山北航道、魚山島西側多航道/航路交匯水域風險級別相對較高。其他風險水域主要分布在漕涇東與金山連通航道附近水域，洋山港主航道交匯水域和洋山至衢山航路等。

圖8 擬建大橋水域風險評估地圖Fig.8 Map of risk assessment on water area of bridge to be built

4 結論

1)依托IWRAP理論建立的跨海大橋風險模型可對擬建大橋所在水域的通航風險進行量化，能夠預測出新建跨海大橋選用不同方案建設后的通航風險變化。

2)預測數據與實際年發生事故平均值吻合程度較高，模型擬合度較好，預測具有一定的可靠性。

3)舟山至上海跨海大通道該方案建成后該水域的遠期風險評估值為10.983起/a，船-橋碰撞風險為2.680起/a，船-船碰撞風險為8.303起/a；金山航道通航孔水域、岱山北航道、魚山島西側多航道/航路交匯水域風險級別相對較高。