沿海湾口水域船舶定线制设计方法

袁志涛，刘克中，辛旭日，杨星,c，刘炯炯

(武汉理工大学 a.航运学院，武汉 430063；b.信息工程学院，武汉 430070；c.内河航运技术湖北省重点实验室,武汉 430063)

0 引 言

船舶定线制是指定船舶在某水域航行时应遵循或采用的航线、航路或通航分道的一种制度，是对航路合理规划、有效利用的重要方法，也是改善船舶航行秩序、保障通航安全的重要措施。[1-2]近年来，一些沿海国家、地区制定了船舶定线制，并被国际海事组织采纳，船舶定线制的积极作用得到普遍认可。[3]我国自1984年在大连港大三山水道实施船舶定线制以来，在成山角、长江口、珠江口、老铁山水道、琼州海峡、宁波舟山港等水域也相继实施船舶定线制，并取得了明显的效益。[1,4]

船舶定线制设计的科学性对船舶航路规划、海事安全监管极为重要。当前关于船舶定线制的研究主要集中于外海、海峡、狭水道、岬角等水域，主要研究方向有船舶定线制方案设计、比选和船舶定线制水域风险评估等，大多数研究采用的是流量、密度和经验分析方法。船舶定线制设计大多是依赖船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)数据或船舶习惯航路进行的[5-10]，有关船舶定线制主要参数和设计方法的理论研究相对较少。张浩等[11]用群体决策方法确定安全和性能定性评价指标值，用熵权法确定效率定量指标值，用逼近理想解排序法实现船舶定线制方案的优选；范中洲等[12]运用灰色系统理论，分别对用层次分析方法、可拓理论和模糊神经网络评估方法评价成山角船舶定线制方案的效果进行了评估；船舶定线制水域风险评估方法主要有集对分析理论[13]和组合赋权法[14]等。文献[5-12]侧重于对已有船舶定线制方案的设计、优化和评价，文献[13-14]侧重于对已有船舶定线制水域的风险评估，大多未在设计阶段考虑潜在冲突、风险问题。目前，船舶定线制领域的研究主要是宏观层面的，船舶定线制要素微观设计方面的理论性研究相对缺乏，如分道通航制是否有必要设置，通航分道宽度设置的科学性，相邻通航分道的设置是否合理，警戒区的设置是否合理等。SEONG等[15]提出应根据船舶交通流现状来确定航道的宽度，可为通航分道设计提供一定的参考。

沿海湾口水域作为连接港口与外海的通道，一般较为宽阔，航路多样。在通航安全方面，湾口水域监管要求更高。相关规定[16-18]提出了船舶定线制设计的基本原则，但大多是宏观层面的指导原则，未涉及船舶定线制要素微观设计。为对沿海湾口水域船舶定线制设计方法进行理论探讨，基于船舶交通流统计数据及相关规定、规划的要求，兼顾船舶定线制遵循习惯航路的一致性和排他性的特点，构建船舶航迹集中度和航行干扰度模型作为船舶定线制设计的参考，并将其应用于沿海湾口水域船舶定线制的设计。最后，以福建三都澳口水域为例进行详细说明。

1 沿海湾口水域船舶交通流特征分析

沿海湾口水域一般处于港区与外海的连接处，船舶交通流分散，通航约束条件多，通航环境较为复杂。沿海湾口水域通常没有固定的航路或航道，可航水域宽阔但航行较为无序，故船舶交通流规范难度较大。我国的海岸线曲折，海湾也较多，典型湾口有渤海湾、胶州湾、杭州湾、湄洲湾、泉州湾、大亚湾、北部湾、三亚湾等。典型湾口水域一周内的船舶航迹见图1(来源于交通运输部东海航海保障中心)。

图1 典型湾口水域一周内的船舶航迹

在通常情况下，沿海湾口水域主要有以下几个方面的共性特征：

(1)通航环境复杂，通航约束条件多。沿海湾口水域一般有较多的岛礁、养殖区、捕捞区、浅水区、渡口等，水文条件较为复杂，无序航行的小型船舶较多，船舶易受岛屿遮挡，操纵、避让难度大。

(2)船舶交通流分散，监管难度较大。船舶交通流分散在较大的水域空间，船舶无序锚泊现象突出，船舶交通流的组织和监管难度较大。

(3)可航水域宽阔，航路多样且不定。沿海湾口水域通常可航水域较为宽阔，船舶交通流向多且可选择范围广，没有固定的航道或航路，船舶航行随意性、无序性强。

(4)船舶航向多样，会聚现象显著。沿海湾口水域的港口分布通常较为分散，船舶航线交叉现象明显，易形成紧迫局面，船舶会聚区的通航局面更加复杂，船舶冲突更加明显。

鉴于沿海湾口水域以上共性特征，对沿海湾口水域船舶定线制进行研究有助于理顺船舶交通流关系，改善通航秩序，提高船舶进出港效率，减少船舶交通事故。

2 沿海湾口水域船舶定线制设计方法

2.1 舶舶航迹集中度

某一水域内船舶航迹集中度可以很好地反映出船舶在该水域内的习惯航路和会聚情况。通常沿海湾口水域的船舶航迹分布规律性较差，某水域是否需要设置船舶定线制，应充分考虑该水域船舶交通流的现状。对于船舶流量大且大中型船舶航迹分布较为密集的区域可以通过设置船舶定线制来规范交通流，提高船舶进出港安全性和通航效率；对于船舶流量小且船舶航迹分布较为稀疏的区域则不必设置船舶定线制，以免过多地约束船舶航行。

船舶航迹集中度可以作为船舶定线制设计时的参考因素。图2为船舶航迹集中度示意图。船舶航迹集中度可以定义为：在时间t内，对于任意船舶航迹分布截面s，共有n艘次船通过，其中航迹最为集中的m艘次船会通过截面s′，则船舶航迹集中度可表示为

(1)

式中：当n>100时统计有效，m可取n的80%；wi为第i艘次船的换算系数；di为第i艘次船与截面s′的距离，m；dmax为截面s边界与截面s′边界间的距离，m。

若通过截面s′的船舶交通流密度m/ds′与通过截面s的船舶交通流密度n/ds的比值大于1.2且ρTCR>0.8，则可认为该水域船舶航迹集中度较高(ds′、ds为截面宽度)。为便于统计分析，可将总吨为500～2 999的船舶定义为“标准船”，对不同大小的船舶赋予一定的权重，即得船舶换算系数[19](见表1)。

图2船舶航迹集中度示意图

表1 船舶换算系数

2.2 船舶航行干扰度

沿海湾口水域通常会有多股船舶交通流汇集，在设计船舶定线制时，对于船舶交通流主流向的水域，可设置分道通航制或推荐航路，在船舶会聚区可设置警戒区或环形道，但定线制设置后可能会引起船舶冲突及相互干扰的潜在风险。为对船舶会聚区附近各向船舶交通流间的干扰程度进行分析，构建船舶航行干扰度模型。船舶航行干扰度是反映相邻且不同航向船舶间的相互干扰程度的一个量，与船舶最近会遇距离dCPA、最近会遇时间tCPA等参数密切相关。以两船会遇为例，船舶航行干扰度可简化为

(2)

若在某船舶会聚区附近存在多股交通流，其中有两股交通流相距较近，设置两个通航分道，现通过船舶航行干扰度模型分析相邻通航分道内船舶间的干扰程度。假设本船A1的航速和航向分别为Vo和Co，目标船B1的航速和航向分别为Vt和Ct，目标船相对于本船的方位为舷角q、距离为D，目标船相对于本船的航速和航向分别为Vr和Cr。图3为相邻通航分道内船舶航行干扰情况示意图。

(3)

图3 相邻通航分道内船舶航行干扰情况示意图

(4)

dCPA=DsinΔI

(5)

tCPA=(DcosΔI)/Vr

(6)

(7)

式中：k=Vt/Vo，ΔH=Co-Ct，ΔI=Cr-q，Cr∈(0，180°)，ΔI∈(0，90°)。

为便于对数据进行处理，将ρLIC进行无量纲化，且不考虑系数问题。假定两船航速大小都为“1”，则2ΔI=2Cr-2q=180°-ΔH-2q，ρLIC可以简化为

(8)

船舶航行干扰度表征量有相对航向Cr、航向交角ΔH、相对航速Vr、距离D和舷角q。对于船舶会聚区附近相互影响较大的两股交通流，在通常情况下，ΔH∈(30°，90°)且90°≤ΔH+2q<180°，则ρLIC与D成反比，与ΔH成正比。

2.3 沿海湾口水域船舶定线制设计

沿海湾口水域船舶定线制设计的基本思想：按照相关规定[2,16-18]要求，在遵循原有的船舶交通流模式的基础上，进一步优化船舶习惯航路，尽可能理顺船舶的避让关系，同时尽量少改变船舶航向。船舶会聚区和航路连接点的数量应尽量少，相邻通航分道内接近相反方向的交通流应尽可能远离，船舶间的航行干扰度应尽可能低。在船舶流量大且船舶航迹密集的区域可设置通航分道；在船舶总流量少且航迹集中度较低、交通流向差别较大的区域可设置推荐航路或推荐航向；在船舶会聚区可设置警戒区或环形道等。

沿海湾口水域船舶定线制设计的基本流程(见图4)：基于调研和数据统计分析，兼顾船舶习惯航路，初步选定船舶定线制设计区域，根据船舶航迹集中度分析初步确定船舶定线制方案，结合船舶航行干扰度分析进一步优化方案，对于其他需考虑的相关因素，通过专家咨询和问卷调查进行综合评判并对方案进行补充完善。

图4 沿海湾口水域船舶定线制设计流程

3 三都澳口水域案例分析

3.1 三都澳口水域基本状况

三都澳位于福建省宁德市东南部，是典型的湾口水域，三都澳港区码头等级多为万吨级及以下。近年来随着三沙湾和罗源湾大型码头建设投产，经过这两个海湾的大中型船舶不断增加。[20]三都澳口水域是进出三沙湾和罗源湾的咽喉要道，该水域暂无固定航道或航路，进出港船舶航迹分布范围较广，有大量商船、渔船、采砂船和客船等活动，由于锚地资源有限船舶无序锚泊现象也较为突出。如何理顺三都澳口复杂、无序的船舶交通流关系已成为该水域发展规划面临的难题。根据海事管理部门提供的资料，船舶习惯航路如图5所示。

图5 三都澳口水域船舶习惯航路

3.2 模型应用与计算分析

从航保中心和福建VTS中心采集三都澳口水域船舶交通流数据，统计和分析主要航路截面船舶交通流时空分布特征，定量计算船舶航迹集中度和航行干扰度，掌握三都澳口船舶交通流现状，为船舶定线制的设计提供参考依据。三都澳口水域一周内各主要航路截面船舶交通流见图6和表2。

图6 三都澳口水域各主要航路截面船舶交通流

由表2可知，三都澳口水域各航路截面船舶流量差异较大，其中62%为长度50 m以下的小型船舶，27%为长度50～100 m的船舶，11%为长度100 m以上的船舶。由外海南下进出三都澳口的船舶流量较少且航迹较为分散，但船舶尺度较大，一般会通过截面13进出；由外海北上进出三都澳口的船舶流量较多且航迹较为集中，但船舶尺度一般，一般会通过截面11、3、7进出；沿岸航行的部分船舶会通过截面2、4、5、6、8、10进出。由图7可知，通过截面4、5、12的船舶航迹密度ρ都在100艘次/(n mile)以上，通过截面6、8、9、13的船舶航迹密度ρ都在50艘次/(n mile)以上；由图8可知，除通过截面1、4、5、6、7的船舶外，通过其他截面的船舶航迹集中度ρTCR均大于0.8，集中度较高。由于通过截面1、2、3、4、5、6、10的航路主要为小型船舶沿岸习惯航路，通过截面7的为已有航路，通过截面12(位于外航路)的航路上船舶流量大且不易监管，故通过以上截面的航路不考虑设置船舶定线制。分析船舶航迹集中度和船舶航迹密度，初步选定在船舶航迹集中度较高但密度不过大的通过截面8、9、11、13、14的航路附近水域设置船舶定线制。

表2 三都澳口水域各主要航路截面船舶交通流

图7 通过各截面的航路上的船舶航迹密度ρ

图8 通过各截面的航路上的船舶航迹集中度ρTCR

结合图6和式(8)可以计算出船舶会聚区附近各向交通流间的船舶航行干扰度，见表3。通过截面11与13的船舶之间、通过截面8与13的船舶之间、通过截面14与9的船舶之间航行干扰度较大，因此为降低潜在干扰及风险，不建议在这些截面处全部设置分道通航制；进出罗源湾、沿岸航行、通过截面5的与通过截面7、9的船舶间存在明显的干扰。

3.3 三都澳口水域船舶定线制设计

根据第3.2节中船舶航迹集中度和船舶航迹密度，初步确定船舶定线制的设计区域和大致方案。结合船舶航行干扰度分析进一步优化初步方案，三都澳口水域船舶定线制详细设计方案如下：

表3 各向船舶交通流间的航行干扰度ρLIC

(1)在三都澳口与罗源湾口之间的船舶交通流的交汇处设置半径为1.5 km的圆形警戒区。

(2)在东洛岛北侧罗源湾口主航道的起始段与进出三沙湾的船舶交通流的交汇处设置警戒区。

(3)沿东洛岛北上进出三都澳口的主流向船舶交通流，航向大致为130°/310°，通过截面11、14的船舶航迹集中度较高(约为0.86)，设置两处分道通航制水域。参考日本学者藤井对拥挤水域通航分道宽度的建议，通航分道宽度一般为分隔带宽度的3.2倍。结合该水域船舶交通流现状，将该水域的通航分道宽度定为500 m，分隔带宽度定为200 m。

(4)经西洋岛南侧南下进出三都澳口的大型船舶习惯航路，航向大致为095°/275°。该航路船舶流量较小且船舶航迹集中度较高(约为0.82)，但通过截面11与13的船舶之间航行干扰度较大(约为0.83)，将该航路设置为推荐航线。

(5)经马鞍岛西侧南下进出罗源湾的船舶习惯航路，航向大致为050°/230°。该航路船舶流量较小但船舶航迹集中度较高(约为0.85)，通过截面13与8的船舶之间航行干扰度较大(约为0.90)，将该航路设置为推荐航线。

(6)为方便进出三都澳口的船舶交通流与三沙湾主航道衔接，避免通过截面11的交通流与沿岸交通流在荷叶礁处会聚、干扰，将进出三都澳口的船舶习惯航路设置为推荐航线。

(7)经小西洋岛与马鞍岛之间进出罗源湾的船舶习惯航路，航向大致为050°/230°，船舶流量较小但与通过截面7的船舶干扰度较大且航迹集中度较高(约为0.86)，为便于与罗源湾主航道的衔接，将该航路设置为推荐航线。

综上，三都澳口水域船舶定线制方案包括2处分道通航制水域、2处警戒区和4条推荐航线，设计方案见图9。

图9 三都澳口水域船舶定线制方案示意图

通过对三都澳口水域船舶交通流的梳理，利用提出的模型和方法设计了三都澳口水域船舶定线制初步方案，旨在降低船舶航行风险，改善船舶航行秩序和通航环境。该方案通过了海事、引航、港航及渔业等部门专家的评审，得到了专家组的肯定。通过对相关部门、码头企业和船员的问卷调查可知，该方案既遵循现有主要船舶交通流形式，也符合船员的习惯航法，具有较强的科学性和可行性。

4 结束语

船舶定线制是改善船舶航行秩序、降低船舶碰撞风险、对船舶进行有效管理的一个重要手段。沿海湾口水域船舶交通流通常较为复杂，其管理要求较高。为对沿海湾口水域船舶定线制设计方法进行探讨，构建了船舶航迹集中度模型和船舶会聚区的船舶航行干扰度模型，并提出了沿海湾口水域船舶定线制设计方法和流程。以福建三都澳口水域为例，在遵循现有船舶习惯航路的基础上，结合航保中心和VTS中心数据，不仅考虑了船舶流量、密度和经验分析方法，还考虑了集中程度和潜在干扰，设计了三都澳口水域船舶定线制初步方案，为沿海湾口水域船舶定线制的设计方法提供一定的理论参考。