考慮多因素的工程船穿越航道時間計算模型

呂木榮　張赫

【摘 要】 為指導(dǎo)作業(yè)工程船安全穿過航道內(nèi)船舶流，以船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）獲得的航道內(nèi)運輸船舶的位置、速度、類型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮水流、工程船穿越角度及安全距離對工程船穿越船舶流所需時間的影響，通過數(shù)學(xué)模型計算工程船的穿越時間。運用MATLAB軟件驗證模型的有效性，確定該模型可以為工程船穿越航道內(nèi)船舶流提供時間選擇，還可以為船舶交匯水域的交通規(guī)劃和管理提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】 工程船;船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）;穿越時間;安全距離;航道管理

0 引 言

設(shè)有工程作業(yè)區(qū)的航道交通情況復(fù)雜，工程船在作業(yè)過程中會頻繁穿過航道內(nèi)的交通流。據(jù)調(diào)查，工程船穿越行為決策主要依據(jù)駕駛?cè)藛T的主觀判斷或無線電溝通，缺乏定量分析，容易引發(fā)與其他運輸船舶碰撞的交通事故。船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）廣泛應(yīng)用于我國內(nèi)河通航船舶，船舶AIS可獲取航道內(nèi)鄰近通航船舶的位置、速度、類型及航跡向。因此，本文研究的是基于船舶AIS數(shù)據(jù)的工程船穿越時間計算模型，有助于工程船駕駛?cè)藛T作出安全穿越航道內(nèi)交通流的時間選擇，也可為船舶交匯水域的交通規(guī)劃和管理提供技術(shù)支撐。

在與船舶穿越航道相關(guān)的研究中，程志友等[1]研究基于綜合距離指標(biāo)的交通沖突測量方法，建立了船舶選擇的穿越距離大于臨界距離的單船穿越定量關(guān)系模型;徐迪清等[2]應(yīng)用可接受間隙理論，分析船舶到達(dá)規(guī)律和通過信息引入的船舶間距建立通過能力模型;何良德等[3]在此基礎(chǔ)上提出空擋率概念，對可接受間隙理論模型進行了改進。這些研究主要分析船舶穿越過程所需考慮的影響因素，通過駕駛?cè)藛T預(yù)估的船舶距離和駕駛?cè)藛T判斷的反應(yīng)時間決定船舶穿越時間點。在船舶AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，王維剛等[4]將船舶AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用于計算通航飽和度模型，潘晉等[5]將船舶AIS數(shù)據(jù)獲得船舶位置、航速和偏航角等參數(shù)用于計算船舶碰撞概率，MOU等[6]和ZAMAN等[7]在研究船舶沖突問題時借助了船舶AIS數(shù)據(jù)。以上這些方法是通過處理船舶AIS的船舶動態(tài)信息來解決水上交通問題的。

本研究則以船舶AIS獲得的航道內(nèi)船舶的位置、速度、類型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)模型計算工程船的穿越時間。運用MATLAB軟件編程，應(yīng)用收集到的數(shù)據(jù)計算出案例中工程船最佳穿越時間，并加入改變安全距離值。

1 相關(guān)概念

1.1 基本定義

工程船的穿越時間是指工程船可以在不影響航道內(nèi)船舶正常航行的前提下安全穿過船舶流的時間。

1.2 影響因素

（1）水流。水流對航行船舶的影響主要是流速和流向。除非航道內(nèi)存在橫流區(qū)，通常航道內(nèi)水流流向基本保持不變。航道內(nèi)水流的速度一般從兩岸最小水深處向航道最大水深處增加，且不同水位期流速也有差異。

（2）工程船的穿越角度。由于航道內(nèi)存在多個作業(yè)區(qū)，工程船因施工需要要經(jīng)常轉(zhuǎn)換作業(yè)區(qū)，航行角度必然會發(fā)生變化，即工程船穿越角度的改變。

（3）安全距離。相關(guān)航行規(guī)范對航行中的船舶與其鄰近船舶的安全距離有嚴(yán)格的要求。工程船在穿越過程中必須與航道內(nèi)其他船舶保持一定的安全距離。

2 穿越時間計算模型的建立

2.1 航道基本情況

以工程船穿越出發(fā)點為坐標(biāo)原點建立航道的直角坐標(biāo)系（見圖1），結(jié)合船舶AIS數(shù)據(jù)可以得知航道內(nèi)某時間段船舶交通流n艘船舶中第i通航船舶的位置坐標(biāo)為（xi，yi），工程船的位置坐標(biāo)為（x0，y0）。

2.2 工程船航行速度計算

受水流和工程船穿越角度的影響，工程船穿越過程中的速度及航向均發(fā)生了改變，且發(fā)生了橫向位移。在工程船航跡矢量圖（圖2）中，vh為工程船船速v0與水流速度vs合成后的航速，為工程船穿越角度，為水流速度方向角，為實際航跡向。

工程船航速及軌跡方向角計算如下：

（1）

=arc tan （2）

2.3 臨界距離計算

臨界距離是在不考慮船舶間安全距離的情況下，工程船在穿越過程中與航道內(nèi)其他通航船舶保持的距離。工程船穿越航道過程可分為兩部分：

（1）工程船船首恰好到達(dá)船舶i原位置

當(dāng)工程船出發(fā)航行至其船首恰好到達(dá)船舶i位置（見圖3）時，工程船航行時間t1=（L為工程船船長）。

由圖3可見，受到水流和工程船穿越角度的影響，工程船的軌跡方向角發(fā)生變化，因此工程船在航行過程中發(fā)生了橫向位移。根據(jù)工程船航行速度及軌跡方向角可以得出，工程船航行至其船首恰好到達(dá)船舶i位置時的橫坐標(biāo)x1 = x0 + vh cos t1。此時，航道內(nèi)船舶i的橫坐標(biāo) xi1= xi + vi t1 （vi為船舶i的航速）。

根據(jù)坐標(biāo)可以確定當(dāng)工程船航行至其船首恰好到達(dá)船舶i位置時工程船與船舶i的臨界距離z1。由于船舶的坐標(biāo)點取船舶的中心位置，所以要考慮船舶的長和寬。

z1=（3）

式中： S為工程船的船寬; Li為航道內(nèi)通航船舶i的船長。

（2）工程船安全穿越船舶i

工程船出發(fā)航行至完全離開船舶i（見圖4）時，工程船航行時間 t2= （Si為船舶i的船寬）。同理，工程船航行至完全穿越船舶i時的橫坐標(biāo)x2=x0 + vh cos t2。此時，航道內(nèi)船舶i橫坐標(biāo)xi2=xi + vi ?t2。

同理，工程船與船舶i的臨界距離z2為

z2=（4）

船舶在航行中須與其鄰近船舶保持一定的距離，在計算出工程船穿越過程中與航道內(nèi)船舶i的臨界距離后，為保證工程船實現(xiàn)安全穿越，還需要加入安全間距值Q。工程船安全穿越的條件為

min （z1，z2） ≥ Q（5）

即滿足兩階段中臨界距離的最小值大于安全間距才能保證工程船的順利穿越。