基于船舶碰撞频率测算的青屿航段航标效能评估

项 鹭，张其毅，邵进兴，柴 田，熊振南

(1.厦门航标处，福建 厦门 361012 ；2.福州航标处，福建 福州 350005；3.集美大学航海学院，福建 厦门 361021)

0 引言

厦门港是我国沿海运输体系的重要枢纽，随着腹地经济的发展，进出厦门港的船舶数量逐年增加，2015—2017年通过青屿断面观测门线的AIS(Automatic Identification System,船舶自动识别系统)船舶数高达200艘次/日；同时船舶大型化趋势也较明显，日均进出厦门湾水域的船长200 m以上船数量也从2015年的15.4艘次增加到2017年的19.9艘次。上述因素为进出港船舶交通流组织增加了难度，同时也增大了航行风险。如何科学地评价厦门湾水域船舶航行风险，并采取相应的风险减缓措施，已成为涉海部门关注的重点问题。

国际航标协会(IALA)较早认识到风险管理的重要性，提出了航标风险管理指南，将质量保证和质量管理，风险评估和风险管理，服务水平列为航标服务的三个重要问题[1]。根据成员国提出的“最小安全距离”(MSD)模型，IALA开发了通用水路风险评估模型，该评估模型即为最早的IWRAP风险模型，通过交通流量、交通流分布特征函数以及船舶碰撞几何数计算船舶碰撞频率[2]。该模型在欧洲水域得到广泛地应用[3]。杜磊[4]和黄纯等[5]分别用该模型的原理研究了深圳水域和长江口水域船舶航行风险，研究结果表明，IWRAP对于评估沿海水域船舶碰撞和搁浅风险具有良好的适用性。借鉴IWRAP风险模型的原理，柴田等[6]建立了开阔水域船舶碰撞风险频率模型，为计算开阔水域自由航行的船舶碰撞风险提供了一种新方法。本文目标海域是厦门港主航道青屿航段，交通流轨迹分布具有一定规律和特征，适合使用IWRAP评估船舶航行风险。

1 船舶碰撞频率数学建模

IWRAP(IALA waterway risk assessment program) 建立了船舶碰撞和搁浅概率模型[3，7]，该模型碰撞频率为λCol(或搁浅频率λGrnd)。

λCol=NG×PC。

(1)

其中：NG为碰撞或搁浅船只的几何数；PC为事故系数。

IWRAP MK II 软件在计算船舶碰撞事故频率时，将碰撞分成2类5小种[1]，即，发生在直线航段上的碰撞(追越和对遇)和发生在交叉航线上的碰撞(交叉、汇合和弯道碰撞)。图1为船舶对遇碰撞几何数预测模型，其中：μ、σ为分布参数。

本研究目标海域为厦门港主航道青屿航段，计算青屿航段内对遇和追越碰撞几何数，其中对遇碰撞几何数如式(2)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

致事故系数受通航环境、人为因素和船机性能等因素影响，不同海域使用的致事故系数相异，IWRAP采用IALA推荐的致事故系数，见表1[2]。

表1 IALA推荐默认致事故系数Tab.1 Default values of IALA settings

2 厦门港水域测试情况

本文使用IWRAP MK II软件对不同航标配布方案下的厦门港主航道青屿航段船舶碰撞频率进行定量计算，评估航标配布效能。

2.1 厦门港附近水域地形数据建模

根据IWRAP MK II软件自身提供的制图工具，结合Google地图和中国海事局最新出版的海图，本文构建了包含岛屿、浅滩、暗礁和陆地在内的目标水域地形图，见图2。

为保障进出厦门水域船舶的安全，2015年底厦门航标处对青屿航段航标进行了调整：主航道新设13号灯浮，位置24°20′55.3″N，118°09′56.4″E，右侧标；调整16号灯浮至24°21′59.9′″N，118°07′59.3″E。调整后青屿航段航标配布见图3。青屿航段相关浮标调整后，该航段航标基本采取对标布设方式。本文使用航标配布前后的2015年和2016年青屿航段船舶AIS数据，比较航标调整前后船舶航行轨迹变化情况。

2.2 航段交通流分布建模

将厦门港青屿附近水域的岛屿、暗礁、陆地等都选定后，设置若干个交通流统计截面，每航段都必须输入交通横向分布特征值。通过AIS交通流统计截面，获取船舶轨迹分布特征值，若交通流分布呈典型正态分布，则易获取其均值和方差这两个特征参数；若交通流不呈现标准正态分布，则需要对其分布态势进行拟合。IWRAP MKII提供6种船舶轨迹数学分布模型，为确定驶过青屿航道截面的船舶轨迹分布模型，本文在利用航经观测门线的AIS船舶交通流数据基础上，通过数理统计方法拟合航经统计门线的船舶轨迹分布特征，青屿航段进港AIS船舶交通流特征分布情况见图4。

在IWRAP提供的14种船型基础上，参考文献[4],再结合青屿航段实际AIS船舶类型特点，将航经青屿航道截面的船舶分为集装箱船、客/滚船、油船、化学品船、散货船、杂货船及其他6类。根据分类对青屿航段截面AIS船舶数据进行采集分类，形成本次定量计算的基本船舶尺度参数，使用IWRAP软件统计功能，获取的船舶种类信息见图5。

2.3 评估结果分析

在地形、航道以及交通流分布相关信息建模完成后，对青屿航段AIS船舶发生对遇和追越碰撞频率进行计算。其中对遇是指本船和他船真航向差的绝对值在[170°,190°]间的会遇状态，追越是指本船和他船真航向差的绝对值在[0°,10°)或(350°,360°)间的会遇状态。

将解析后的AIS数据导入计算软件，计算结果见图6，图7。图6计算结果显示，2015年青屿航段航标未做调整时，青屿航段发生潜在追越和对遇船舶碰撞事件频率分别为0.1221次/年和0.3384次/年。图7结果显示，2016年青屿航段采用对标布设配布优化后，该航段内发生潜在追越和对遇船舶碰撞事件频率分别为0.1033次/年和0.2417次/年。

青屿航段航标采用对标布设配布优化后，航标清晰地标识了航道边线，为船舶把定航向和把控船位提供了有利条件，增加了航行安全，因此使追越和对遇碰撞事故频率分别下降了15.4%和28.6%，可见航标配布优化后得到了较显著的助航效能。

3 结论

使用2015年和2016年船舶AIS数据分别对航标调整前后的厦门港主航道青屿航段对遇和追越船舶碰撞频率进行定量计算，结果显示青屿航段航标采用对标布设配布优化后，该航段船舶碰撞频率明显减小，配布优化后的航标提高了青屿航段航标助航效能，降低了船舶碰撞风险。以船舶AIS大数据为基础，使用IWRAP MK II软件评估港口受限水域船舶通航风险，可为航道航标效能评估提供一种新方法，为航标管理提供一种新手段。