基于IWRAP模型的跨海大桥建设通航风险研究

刘胜利，李勤荣，华昕培，郑欣蕊，董 敏

(交通运输部规划研究院，北京 100028)

0 引言

自2000年以来，我国相继在珠江、长江、杭州湾等入海河口和海湾建设跨海大桥,改变所在海域的船舶通航环境，给船舶通航条件造成一定影响。在大桥前期工作中，量化跨海大桥不同建设方案的通航风险变化情况，选取风险水平最低的最优大桥工程方案至关重要。

目前,常用风险分析方法有层次分析法、模糊综合评价法、贝叶斯网络法、灰色关联分析评价法、蒙特卡洛模拟法、人工神经网络法等。上述方法均需大量基础数据，且需要有经验的人员进行权值判断。在跨海大桥建设决策阶段，可预测建桥后通航风险的分析手段和资料有限，现有方法难以适应大面积海域的风险评价。对于决策阶段的跨海大桥通航风险分析，需要1种基于历史统计规律延伸、尽可能减少人为因素参与且操作简单的风险分析方法：柯冉绚等[1]运用IWRAP模型对船舶交通流数据进行拟合验证，筛选出拟合度最佳的分布函数，以提高IWRAP模型运行结果的准确性；甘浪雄等[2]根据IWRAP模型对交叉航路船舶的碰撞概率进行计算，为船舶交通事故的预防和监管提供参考；陈伟炯等[3]结合Bow-tie与模糊集合理论，构建跨海大桥船桥碰撞风险评估模型，并用敏感性分析方法揭示船桥碰撞的主要影响因素；高骁等[4]采用Ansys/LS-Dyna建立有限元模型，模拟船舶在不同水位和撞击角度下的碰撞情形，并结合AASHTO规范对船桥碰撞风险进行分析；杨祥睿[5]基于贝叶斯理论运用HUGIN软件验证船桥碰撞模型，并对危险因素进行排序；耿波等[6]利用AASHTO规范模型，对2010年、2020年和2050年通航密度下厦漳跨海大桥进行船撞风险分析，以可接受风险水平10-4为控制条件得到船撞设防代表船型。

本文综合考虑各种通航风险评估方法，以国际海事组织推荐的国际航标协会航道/航路风险分析方法(IALA Waterway Risk Assessment Programme，IWRAP)为基础，构建跨海大桥通航风险分析方法。IWRAP主观、人为因素影响较小，主要基于客观船舶流量情况进行预测，理论性较强，同时可量化通航风险。因此，本文将选取IWRAP方法对跨海大桥建设的通航风险进行分析和论证。

1 跨海大桥水域通航特征

跨海大桥通常建在河口或海湾水域，对于拟建跨海大桥的水域，建桥后桥区的通航态势会发生较大变化：在入海河口或海湾建设大桥通道，一般与相关港区产业发展、功能调整、岸线利用情况相关，桥梁建设改变水域内集疏运体系，水域内船舶交通随之变化；跨海大桥的建设带来显著的交通组织变化，通过布设桥墩形成几个或多个通航孔，迫使整个桥区所在水域的交通组织重构。受多年冲刷影响，海湾水域通常地势平坦水深充裕，船舶呈自由通航状态。桥梁建设后，自由通航的船舶逐渐归并至通航孔，航路宽度在通航孔附近大幅度缩窄[7]；部分通道受投资、风险控制等影响，在现有航路处不预留通航孔，致使部分现有航路消失；部分通道采用桥隧组合方案，在没有大幅增加航程前提下，部分船舶会优先选择隧道段通航。因此，跨海大桥的建设对桥梁选址水域的通航风险影响较大，须根据建桥后的交通组织方案，对跨海大桥建成后的通航态势进行预判和分析。

2 跨海大桥通航建模

2.1 建模理论基础

跨海大桥建设的通航风险还与船舶在桥区的行为和轨迹分布密切相关，因此，对桥梁选址水域交通流量进行模型化处理，量化船舶在桥区的行为和轨迹分布是通航风险影响研究的关键。IWRAP模型理论是以船舶交通流数据为基础，通过分析船舶交通事故致因类型，将各类船舶风险固化到系统中，其结果展示为区域内事故数量或频率，方便决策部门理解和运用。评估跨海大桥建成后面临的通航风险，包括船舶与桥梁的碰撞风险(船-桥碰撞风险)以及桥梁选址水域船舶与船舶之间的碰撞风险(船-船碰撞风险)。理论基础如式(1)所示：

N=C×PG×PC

(1)

式中：N为跨海大桥建设后发生碰撞事故的数量，即跨海大桥建设的通航风险水平，起/a；C为拟建大桥桥区的交通流量，艘次/a；PG为会遇概率；PC为事故致因概率。为确定碰撞事故数量，须先计算水域内存在会遇概率的船舶数量。

1)存在会遇概率的船舶数量测算

船舶会遇状况分为对遇、追越、交叉相遇和搁浅4种情形，各会遇情形如图1所示。

图1 4种事故会遇情形Fig.1 Four scenarios of accident encounter

①对遇情形下存在会遇概率的船舶数Nh如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

②追越情形下存在会遇概率的船舶数No如式(4)所示：

(4)

式中：No表示追越情形下存在会遇概率的船舶数，艘次/a；Po表示存在追越情形的船舶发生会遇的概率。

③交叉相遇情形下存在会遇概率的船舶数Nc如式(5)所示：

(5)

式中：Nc表示交叉相遇情形下存在会遇概率的船舶数，艘次/a；Dij表示碰撞直径，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搁浅情形Ⅰ是船舶以正常速度沿着计划航线航行发生的搁浅，其存在会遇概率的船舶数NⅠ如式(8)所示：

(8)

式中：NⅠ表示对遇情形下存在会遇概率的船舶数，艘次/a；Pci指致事故概率的系数；Qi指该船舶类型的船舶数量，艘次；fi(z)指该船舶类型的横向密度分布函数；z指障碍物边界的横坐标，m。

搁浅情形Ⅱ是船舶在障碍物附近的给定转折点未能改变航线发生的搁浅，其存在会遇概率的船舶数NⅡ如式(9)所示：

(9)

式中：d指障碍物与转向点之间平行于原航线方向的距离，m；ai指航海者检查船舶位置的距离间隔，m。

2)事故致因概率PC取值

事故致因概率PC的取值与人为失误、导助航设施配置、船舶系统先进性、船员素质、环境条件等多种因素有关。IWRAP在研发过程中，使用贝叶斯网络方法，并结合不同学者研究理论[7-10]给出PC取值建议，本文PC取9.0×10-5。

2.2 场景设置

在桥梁选址水域，通航孔所在的主墩、辅助墩、过渡墩等桥墩均为船舶通航障碍物，也是跨海大桥对桥梁选址水域通航影响的最直接因素之一[11-12]。一般情况下，通航孔两侧3倍设计船长以内的主墩、辅助墩、过渡墩都可能对船舶构成碰撞威胁。在4种会遇状况中，船—桥碰撞事故对应搁浅情形，即桥墩可视为浅滩类型障碍物，2类搁浅情形分别是船舶操纵与桥墩发生碰撞的2种可能情况，即船舶未采取转向行动与桥墩发生碰撞，或船舶采取转向行动但仍未躲避桥墩等障碍物与桥墩发生碰撞；船-船碰撞事故分别对应对遇、追越和交叉相遇3种船舶会遇情形[13]。

当船舶在航经通航孔时，通常在距桥梁轴线8～16倍设计代表船型船长的水域内[14]，调整船舶在航道内的相对位置，对齐通航孔，航道宽度约等于2倍的通航孔宽度；船舶航行至桥梁轴线8倍设计代表船型船长以内水域时，航道宽度略小于通航孔宽度。除此之外，其他水域航道宽度为原设计航道宽度，如图2所示。

图2 桥区通航宽度示意Fig.2 Schematic diagram of navigable width of bridge area

2.3 交通流拟合

1)桥梁选址水域船舶流量观测线设置

首先须获取桥梁选址水域内AIS船舶航行轨迹分布总图，确定研究水域内的航道/航路分布情况，然后根据以下4个原则设置船舶流量和分布规律观测线：观测线数量覆盖通道水域内主要航道/航路；观测线走向与相应航路走向垂直；观测线长度基本覆盖相应航路通航船舶轨迹的主体部分；每隔1处航道/航路交叉点增加1处观测线。

2)观测线处的船舶交通量分布情况获取

利用AIS数据解析技术，结合VTS实态观测解析观测线处不同船型、不同尺度船舶交通量、在航路横向上的密度分布等特征。

3)交通流分布函数拟合

基于正态分布、对数分布、均匀分布、韦伯分布、耿贝尔分布5种基础数学分布规律，通过数学方法拟合截面横向分布柱形图确定分布函数及其参数。

4)桥区通航孔水域交通流分布模拟

分析水域内或附近相似桥区船舶在通航孔内的分布规律，进行函数拟合并类比拟建大桥得到大桥建成后交通流分布函数的特征值，如均值、标准差等参数。根据桥梁通航方案，对各航道航路远期预测流量进行适配性调整。

2.4 风险模型构建

依据各航道/航路的流量预测和分布函数，针对不同通道方案，分为未来不建桥航道/航路维持现状、未来不建桥航道/航路调整和未来建桥航道/航路调整3种情形，搭建拟建桥梁大范围水域内的IWRAP风险模型，并通过计算得出各情形下的风险水平。

3 实例应用

以舟山至上海跨海大通道某建设方案为例，对该跨海大桥建设的通航风险水平进行预测。舟山至上海跨海大通道建设所在水域主要涉及金山航道和岱山北航道2条航道以及西航路推荐航路、西航路习惯航路、东海大桥通航孔至鱼腥脑岛航路、鱼山大桥小船航路和鱼山大桥小船航路东支/西支6条航路，各航道和航路均为天然水道。该方案采用桥梁方式跨越金山航道和西航路习惯航路，采用隧道方式穿越岱山北航道，取消漕泾东航道。各通航孔布置及净空尺度要求见表1，其线位走向如图3所示。

表1 建设方案通航孔布置及净空尺度汇总Table 1 Summary of navigation hole layout and clearance scale of construction scheme

图3 跨海大桥线位走向示意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)航道地形数据建模

选用海军航保部出版《南汇嘴至火山列岛》(图号：13339)、《崎岖列岛》(图号：13341)和海事局出版的《马鞍列岛至岱山岛》(图号：52001)等海图校对水域内水深和岛礁环境，完成研究水域建模，并在通道水域设置25条AIS船舶流量观测线，如图4所示。

图4 舟山至上海跨海通道水域AIS船舶流量观测线分布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

在研究水域内划定25条航道段，依托观测到的各航道/航路船舶分布函数和未来流量预测值，完成不建桥情形下的风险模型搭建，运行后得到不建桥时的风险水平，作为桥梁引起水域通航风险变化的比对基准值,如图5所示。

图5 研究水域航段交通分布设置Fig.5 Traffic distribution and setting of studied water navigation segments

3)通航孔区域建模

对于该桥梁建设方案，须选择拟合该通航孔区域的交通流分布函数，确定分布函数的各项参数。因该桥暂未建成，其建成后的交通流具体分布情况无法得知，因此选取与拟建大桥位于同一海域的东海大桥和通航情况相似的平潭海峡大桥公路桥作为参考桥梁，借助其交通流分布情况进行类比。平潭海峡大桥公路桥主通航孔为双孔双向通航，通航孔宽度为2×180 m；东海大桥主通航孔为单孔双向航道，通航净宽为300 m。选取2019年2座桥梁主通航孔的AIS数据进行函数拟合,结果如图6所示。

图6 2座桥梁AIS数据函数拟合Fig.6 Fitting of AIS data function for two bridges

基于2座桥梁桥区交通流拟合的函数特征，类比得到金山航道桥和西航路习惯航路桥的通航孔水域的交通流函数特征，设置金山航道桥通航孔交通流分布均值为397.87 m，标准差为61.53 m；西航路习惯航路桥通航孔交通流分布均值为346.81 m，标准差为81.29 m。根据预测数据，按照该方案建设通道时，拟建桥梁水域范围内的建模情形如图7所示。

图7 拟建桥区水域远期航段交通分布设置Fig.7 Traffic distribution and setting of long-term navigation segments in water area of bridge to be built

3.2 风险预测结果

根据将跨海大桥建成后的风险水平值同不建设大桥情形下的风险水平进行比较，具体如下：

1)模型可靠性验证

根据舟山至上海跨海通道水域AIS船舶流量观测数据，运用所建模型计算预测该水域发生事故总数为6.584起/a。据舟山海事局和洋山海事局统计，2008—2016年该水域发生船舶事故数据共计59起，年均6.556起，预测数据与实际年发生事故平均值吻合程度较高，证明模型预测的可靠性。

2)大桥建成前后通航风险变化

大桥建成后该水域远期发生搁浅事故的概率为2.68起/a，发生碰撞事故的概率为8.303起/a，总风险评估值为10.983起/a，而远期不建大桥的风险评估值为10.729起/a，建设该跨海大桥使桥区水域风险上升2.37%，计算结果见表2。

表2 拟建大桥水域建桥后船舶发生碰撞风险评估结果Table 2 Results of risk assessment on ship collision after bridge construction in water area

3)船-桥碰撞风险分析

船-桥碰撞风险变化在模型计算中体现为搁浅事故数量在大桥建设前后的变化：建桥前，拟建大桥水域发生搁浅事故的风险为1.669起/a；建桥后，拟建大桥水域发生搁浅事故的风险为2.680起/a，风险绝对值增加1.011起/a，建设该跨海大桥使桥区水域船-桥碰撞风险上升60.58%。

4)船-船碰撞风险分析

拟建大桥水域由于船舶可航水域变窄、船舶密度增加、交叉相遇节点增多等因素，船-船碰撞风险增加较为明显。建桥前，拟建大桥水域发生船-船碰撞事故的风险为7.644起/a，建桥后，拟建大桥水域发生船-船碰撞事故的风险为8.303起/a，风险绝对值增加0.659起/a，建设该跨海大桥使桥区水域船-船碰撞风险上升8.62%。具体到2个通航孔，风险变化见表3。

表3 拟建大桥通航孔处船-船碰撞风险变化Table 3 Changes in ship-ship collision risk before and after bridge construction in the waters of the proposed bridge

5)风险评估结论

拟建大桥水域风险评估地图如图8所示。研究水域中金山航道通航孔水域、岱山北航道、鱼山岛西侧多航道/航路交汇水域风险级别相对较高。其他风险水域主要分布在漕泾东与金山连通航道附近水域，洋山港主航道交汇水域和洋山至衢山航路等。

图8 拟建大桥水域风险评估地图Fig.8 Map of risk assessment on water area of bridge to be built

4 结论

1)依托IWRAP理论建立的跨海大桥风险模型可对拟建大桥所在水域的通航风险进行量化，能够预测出新建跨海大桥选用不同方案建设后的通航风险变化。

2)预测数据与实际年发生事故平均值吻合程度较高，模型拟合度较好，预测具有一定的可靠性。

3)舟山至上海跨海大通道该方案建成后该水域的远期风险评估值为10.983起/a，船-桥碰撞风险为2.680起/a，船-船碰撞风险为8.303起/a；金山航道通航孔水域、岱山北航道、鱼山岛西侧多航道/航路交汇水域风险级别相对较高。