IWRAPMKII软件在长江口水域船舶碰撞和搁浅风险评估中的应用

黄 纯， 陈国伟， 柴 田

(1. 东海航海保障中心 上海航标处， 上海 201208; 2. 大连海事大学 环境科学与工程学院， 辽宁 大连 116026; 3. 集美大学 航海学院， 福建 厦门 361021)

IWRAPMKII软件在长江口水域船舶碰撞和搁浅风险评估中的应用

黄 纯1， 陈国伟1， 柴 田2,3

(1. 东海航海保障中心 上海航标处， 上海 201208; 2. 大连海事大学 环境科学与工程学院， 辽宁 大连 116026; 3. 集美大学 航海学院， 福建 厦门 361021)

为更好地了解长江口水域船舶碰撞和搁浅风险，采用IWRAP MK II软件对该水域的船舶碰撞和搁浅风险进行评估。评估结果显示：该水域船舶发生碰撞事故的频率为21.05起/a，发生搁浅事故的频率为2.298起/a，与该水域2010—2015年发生船舶碰撞和搁浅事故频率的平均值21.8起/a和1.8起/a吻合度较好。研究结果表明，该软件可用于评估港口水域船舶碰撞和搁浅风险，为评价水域船舶碰撞和搁浅风险提供了一种新途径。

水路运输； IWRAP MK II软件； 碰撞频率； 搁浅频率； 致事故系数

Abstract: The Yangtze River Estuary Area is one of the busiest marine traffic area in China. The IWRAP MK II software is used to evaluate the risk of ship navigation in the waters. According to the results of the assessment, the vessel collision frequency is estimated 21.05 per year and the vessel grounding frequency is estimated 2.298 per year in the area. The evaluation results are in good agreement with the actual statistics, the vessel collision frequency 21.8 per year in average and the vessel grounding frequency 1.8 per year in average during the period from 2010 to 2015. This suggests that the IWRAP MK II software can be used to evaluate the risk of ship navigation in port waters as a new approach.

Keywords: waterway transportation; IWRAP MK II software； collision frequency； grounding frequency； causal factor of accident

长江出海口是进出长江沿岸各港口的必经水域。近年来上海国际航运中心建设不断推进，长三角地区经济迅速发展，长江沿线港口货物吞吐量屡创新高。长江沿线港口货物吞吐量的持续增长致使长江口水域船舶交通量不断增加、通航复杂度不断提高，这势必会增大该水域船舶发生碰撞和搁浅的风险。对此，需客观、科学地评价长江口水域船舶发生碰撞和搁浅的风险，以保证船舶安全航行。

杨晓东等[1]在对2004—2006年船舶碰撞事故进行统计分析的基础上，给出上海港及其附近水域船舶碰撞事故的地理分布、特点及发生原因，并提出有针对性的预防措施。吴春杰等[2]在船舶交通流实测的基础上，用计算机技术对长江口水域船舶交通风险进行评估，指出该水域船舶交通风险是动态变化的，同时评估出该水域有3个船舶航行风险高危区域。孙超等[3]使用综合风险评估方法，结合实测及历史挖掘数据对长江口外高桥水域船舶交通环境进行评估，识别出该水域的主要风险源及风险特征。张金奋等[4]以长江口2006—2010年的船舶事故数为基础，使用正态和对数正态分布对事故数量进行拟合，探寻长江口水域事故发生时间和空间的规律性，并给出该水域水上交通安全的总体形势。

以上研究均可为水上安全管理部门制订船舶风险管理和控制措施提供参考。这里运用国际航标协会(International Association of Lighthouse Authoriies, IALA)推荐的风险评估工具IWRAP (IALA Waterway Risk Assessment Program)MK II软件，在获取长江口水域大量船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)交通流数据的基础上，对该水域的船舶碰撞和搁浅风险进行定量评估。

1 IWRAP MK II软件简介

SOLAS公约第V章第12条和第13条指出：“各缔约国政府在其认为可行和必要时，根据交通量和危险程度的需要，单独或与其他缔约国政府合作提供船舶交通服务和助航设备。”为更好地履行SOLAS公约相关要求，IALA组织相关成员国政府开发港口及受限水域风险管理工具，并建议各成员国使用IALA关于港口及受限水域的风险管理工具对其所辖水域船舶碰撞和搁浅风险进行评估。

IALA风险管理工具包括以下2个模型：

1) 由美国海岸警卫队开发的定性风险评估模型，即港口水域安全评估(Port And Waterway Safety Assessment，PAWSA)模型。

2) 由加拿大海岸警卫队与丹麦科技大学联合开发的定量风险评估模型(IWRAP)。

在FUJII等[5]和MACDUFF[6]研究的基础上，根据IWRAP获取船舶碰撞和搁浅频率模型的计算方法，即

F=NaPc

(1)

式(1)中：Na为可能发生碰撞或搁浅事故的船舶数；Pc为致事故系数。

IWRAP软件可根据研究水域的船舶交通量及其特征参数计算出船舶在某一特定航线上航行时发生碰撞和搁浅事故的频率。作为测试版，该软件初期在博斯普鲁斯海峡、坦帕湾及圣劳伦斯河部分航段得到成功应用。随着该软件进一步推广使用及避免高估船舶发生碰撞和搁浅事故的频率，IALA组织人员对该软件进行改进，于2007年正式推出第二代IWRAP软件，并将其命名为IWRAP MK II。2007年4月在马六甲海峡对该软件进行测试，测试结果与实际情况较为一致。

IWRAP MK II软件能量化研究水域船舶碰撞和搁浅事故发生频率，进而评估船舶碰撞和搁浅风险水平。通过定量评估发生船舶碰撞和搁浅的频率来比较不同航道或航线的风险程度，从而对港口水域或航线进行优化布局。

2 船舶碰撞和搁浅频率建模

2.1潜在碰撞船舶数量计算模型

在利用IWRAP MK II 软件计算船舶碰撞事故频率时，碰撞被分为发生在直线航段上的碰撞(包括追越和对遇碰撞)和发生在交叉航线上的碰撞(包括交叉碰撞、汇合碰撞和弯道碰撞)2类。

2.1.1直线航段潜在碰撞船舶数量计算模型

2.1.1.1 对遇潜在碰撞船舶数量计算模型

在顺直双向航道上，可能发生对遇碰撞事故的潜在船舶数量的计算式为

(2)

(3)

(4)

2.1.1.2 追越潜在碰撞船舶数量计算模型

(5)

图1 双向航道中船舶潜在碰撞数量估算模型

2.1.2弯曲航段潜在碰撞船舶数量计算模型

图2为2条交叉航路船舶碰撞风险区域。在2条相互交叉的航路中航行的船舶在一定范围内存在潜在碰撞风险的船舶数量的计算式为

(6)

图2 2条交叉航路船舶碰撞风险区域

2.2潜在搁浅船舶数量计算模型

在利用IWRAP MK II 软件计算潜在搁浅船舶数量时，搁浅被分成操纵性搁浅和漂移性搁浅2类。

1) 操纵性搁浅：由于航行错误或船员缺乏警惕性造成搁浅(第I类)。

2) 漂移性搁浅：由于操作或推进装置失效，船舶失去自航能力，在得到有效的拖拽或维修之前搁浅(第II类)。

船舶在两侧分布碍航物的航道上正常航行，可能发生第I类和第II类搁浅事故情况见图3。发生第I类和第II类搁浅事故的船舶几何数的计算式为

式(7)和式(8)中：ai为驾驶员2次定位的平均距离；d为障碍物与航线转弯处距离，与船舶航迹分布有关；i为船舶种类；fi(z)为船舶航行轨迹与航道中线垂直距离的分布函数，即航道中船舶交通概率密度函数；NI为每年发生第I类搁浅事故船舶数量的期望值；NII为每年发生第II类搁浅事故船舶数量的期望值；Pc,i为致事故系数，既可是船舶搁浅事故数量与该航线上航行船舶总数的比值，又可取经验值(见表1)；Qi为航道内每年通过的发生第i类搁浅事故的船舶数量；z为与航道中线垂直的坐标；Zmin和Zmax为障碍物横坐标。通过对式(7)和式(8)进行积分可计算出发生第I类和第II类潜在搁浅的船舶数量。

图3 给定航线上的航行船舶发生第I类、第II类

2.3船舶碰撞和搁浅频率估算

根据F=NaPc，在计算得到潜在碰撞和搁浅船舶数之后，将该潜在船舶数Na乘以致事故系数Pc即可计算出研究水域中船舶发生碰撞和搁浅事故的频率。Pc与众多因素有关，为简便起见，IWRAP MK II 软件中默认的致事故系数的取值见表1。

表1 IWRAP MK II软件中默认的致事故系数取值

3 应用实例

采用IWRAP MK II软件对长江口水域船舶碰撞和搁浅风险进行评估。

3.1长江口水域地形数据建模

根据Google地图并结合长江口水域近期海图构建包含岛屿、浅滩、暗礁和陆地的评估水域地形图。同时，采用IWRAP MK II软件提供的多边形工具对评估水域进行各类地形建模(见图4)。

图4 长江口水域地形建模图

3.2不同航段交通流分布建模

地形数据建模完成之后，开始对航段交通流进行建模。该风险评估水域涉及到的航道主要有长江口深水航道北槽航道、外高桥航道、宝山航道、南槽航道(下段和上段)及南支航道等。采用IWRAP MK II软件计算得到的船舶碰撞和搁浅频率与航道宽度、航道弯曲程度、航道两侧碍航物分布及航道内交通流分布密切相关。因此，为精确计算长江口水域船舶碰撞和搁浅风险，将研究水域细分为25个航段。细分后的25个航段具有航道宽度基本上一致、航道顺直、航道两侧碍航物分布均匀和航段内截面交通流分布差异小等特点，几乎涵盖长江出口水域所有航路。为计算航段内船舶碰撞和搁浅的频率，截取25个断面2015年前3个季度的AIS交通流信息，并分别对各个断面的AIS交通流信息进行处理，进而获得交通流量、速度、船舶尺度和交通流分布特征信息等参数。

若所研究航段的船舶交通流分布为典型的正态分布，则采用IWRAP MK II软件计算发生潜在碰撞和搁浅的船舶数量最为方便。然而，实际中的船舶航迹分布并非典型的正态分布，这就需要对交通流分布进行拟合，将其与IWRAP MKII软件提供的6种交通流分布函数进行比对，选择最为接近的交通流分布函数进行计算。图5为航段7的交通流分布设置图，图6为航段4船舶平均速度分布。

3.3评估结果与分析

在地形、航道及交通流分布相关信息建模完成之后，对研究水域的船舶碰撞和搁浅风险进行评估。图7为长江口水域分析结果视图，可看出长江口水域船舶发生碰撞事故的频率为21.05起/a，发生搁浅事故的频率为2.298起/a。图8为长江口水域船舶碰撞和搁浅风险空间分布，从该图中可看出长江口水域船舶碰撞和搁浅率故高发航段为外高桥航道(圆圆沙警戒区至吴淞口警戒区)航段、南槽航道上段九段沙警戒区至A38灯浮附近水域、南槽航道上段A43灯浮附近水域至圆圆沙灯船附近水域及长江口深水航道北槽航道D12灯浮附近水域至D35灯浮附近水域。长江口水域2010—2015年发生船舶碰撞和搁浅事故频率的平均值分别为21.8起/a和1.8起/a。该水域2010—2014年事故位置见图9，采用IWRAP MK II软件所得评价结果与实际情况的吻合度较高。

图5 长江口水域航段7的交通流分布设置图

图6 长江口水域航段4的船舶平均速度分布

图7 长江口水域分析结果视图

图8 长江口水域船舶碰撞和搁浅风险空间分布

图9 长江口水域2010—2014年事故位置

4 结束语

应用IWRAP MK II软件对长江口水域船舶碰撞和搁浅风险进行评估。评估结果表明:在该水域的25个航段中，有7个航段的危险度在红色危险等级及以上，其中外高桥航道(圆圆沙警戒区至吴淞口警戒区)航段的船舶碰撞和搁浅风险最高;船舶事故发生频率和事故地理分布与实际情况较吻合。IWRAP MK II软件可用于评估港口水域船舶碰撞和搁浅风险，评估结果可为海事管理部门完善港口水域船舶交通服务设施和助航设备的配置提供参考。

[1] 杨晓东,蒋卫东.上海港及附近水域船舶碰撞事故分析及对策[J].中国航海,2008,31(2):148-151.

[2] 吴春杰,胡甚平,陈锦标.吴淞口水域船舶交通风险的模拟分析与评估[J].中国航海,2009,32(2):62-67.

[3] 孙超,夏大荣,张锦朋,等. 外高桥水域通航环境风险评价[J].中国航海,2012,35(2):68-71.

[4] 张金奋,严新平,陈先桥,等. 基于概率分布的长江干线水上交通事故分析[J].中国航海,2012,35(3):81-84.

[5] FUJII Y, TANAKA K. Traffic Capacity [J]. Journal of Navigation, 1971,24(4):543-552.

[6] MACDUFF T. The Probability of Vessel Collision [J]. Ocean Industry, 1974(9):144-148.

IWRAPMKIISoftwareApplicationinShipCollisionandGroundingRiskAssessmentinYangtzeRiverEstuaryArea

HUANGChun1，CHENGuowei1，CHAITian2,3

(1. Shanghai AIDS to Navigation Department, Donghai Navigation Safety Administration, Shanghai 201208,China; 2. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. Navigation Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

柴 田(1981—)，男，安徽阜阳人，博士生，主要从事海上交通安全和防污染研究。E-mail:chaitian2006@163.com

U676.1

A

2016-12-09

福建省教育厅资助项目(JA09147)；李尚大集美大学学科建设基金(ZC2010010)

黄 纯(1963—)，男，上海人，高级工程师，主要从事航标管理研究。E-mail:hch1963@126.com

1000-4653(2017)01-0079-04