王艷鋒

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

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內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

王艷鋒

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

文章從安全系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，根據(jù)內(nèi)河航道的評(píng)價(jià)特性，采用統(tǒng)計(jì)分析和專家咨詢相結(jié)合的方法，從航道操船環(huán)境角度選取影響航道水域船舶通航安全的指標(biāo)因子，對(duì)指標(biāo)因子篩選和細(xì)化，構(gòu)建內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

內(nèi)河航道：統(tǒng)計(jì)分析；專家咨詢；綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

航道是水上交通運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的組成部分，同時(shí)也是保障船舶貨物運(yùn)輸安全，促進(jìn)港口快速發(fā)展的主要交通資源，航道的安全、合理直接關(guān)系著船舶航行安全和港口發(fā)展。隨著近年來(lái)內(nèi)河港口吞吐量的持續(xù)攀升，內(nèi)河船舶數(shù)量和噸位的不斷增加，對(duì)內(nèi)河航道的等級(jí)要求和維護(hù)條件也提出了更高的需求，這就需要我們建立科學(xué)而有效的內(nèi)河航道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為內(nèi)河航道的綜合治理維護(hù)提供依據(jù)。

通過(guò)大量的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析和專家咨詢，目前關(guān)于內(nèi)河航道操船環(huán)境危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的研究已經(jīng)比較成熟，尤其是為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建和評(píng)價(jià)指標(biāo)因子選擇提供了相關(guān)理論依據(jù)。本文在參考有關(guān)學(xué)者文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，從影響內(nèi)河操船環(huán)境的諸多因素和借鑒已有研究成果來(lái)確定影響指標(biāo)因子，最終構(gòu)建出內(nèi)河航道方案的安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 操船環(huán)境系統(tǒng)概述

操船環(huán)境是指船舶駕引人員在船舶操縱過(guò)程中，受到環(huán)境條件的限制，使船舶運(yùn)動(dòng)和操船者的判斷和決策受到物理空間上的環(huán)境約束[1]。操船環(huán)境系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 操船環(huán)境系統(tǒng)

2 指標(biāo)選取原則及方法

內(nèi)河航道指標(biāo)因子的選取是綜合評(píng)價(jià)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)，是得到科學(xué)評(píng)價(jià)的前提，在對(duì)航道方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)遵循指標(biāo)體系建立的相關(guān)原則[2](如表1)。

3 航道評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

3.1 自然條件的分析

(1)能見(jiàn)度與航道危險(xiǎn)度分析。“能見(jiàn)度”是指船舶駕駛?cè)藛T在正常視力條件下所能夠看清楚目標(biāo)輪廓的最大海面水平距離。當(dāng)船舶處于能見(jiàn)度不良的環(huán)境下時(shí)，會(huì)直接限制駕駛員對(duì)該水域環(huán)境的認(rèn)識(shí)和對(duì)通航安全信息的獲得，從而影響到駕駛員對(duì)所獲取的不完整信息甚至是錯(cuò)誤信息的分析和判斷，如有不慎就會(huì)造成決策失誤，最終

表1 指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則

導(dǎo)致水上交通事故的發(fā)生。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出船舶發(fā)生事故的概率與能見(jiàn)距離成指數(shù)關(guān)系(如圖2)。表達(dá)式為N=90×D-8。其中：N為事故率；D為能見(jiàn)距離(單位km)。

圖2 船舶事故率與能見(jiàn)度函數(shù)

(2)風(fēng)與航道危險(xiǎn)度分析。船舶在水上安全航行時(shí)，風(fēng)作為一個(gè)不可忽略的因素對(duì)船舶交通安全有著明顯的影響。航道內(nèi)正常航行的船舶當(dāng)受到風(fēng)的作用時(shí)，根據(jù)船舶水面上建筑面積的大小引起船舶發(fā)生不同程度的漂移[3]，導(dǎo)致船舶偏離航線，尤其是復(fù)雜水域風(fēng)作用較強(qiáng)時(shí)，將嚴(yán)重影響船舶的航行安全；同時(shí)，風(fēng)的作用還會(huì)使船舶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而降低船舶的操縱性能；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，船舶受風(fēng)的作用很容易發(fā)生船舶傾覆，當(dāng)船舶遭遇橫強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，該作用效果更加突出。

風(fēng)主要影響了船舶的操縱，應(yīng)從風(fēng)速、風(fēng)向兩個(gè)角度去進(jìn)行評(píng)價(jià)，風(fēng)速、風(fēng)向的不同對(duì)船舶產(chǎn)生的影響也不盡相同；如圖3、圖4所示，從船舶受風(fēng)作用示意圖可知，船舶受橫風(fēng)作用時(shí)，風(fēng)對(duì)船舶航行的影響比較顯著，當(dāng)風(fēng)從船首或船尾方向作用于船舶時(shí)，對(duì)船舶航行的影響較小。因此，為了兼顧風(fēng)速、風(fēng)向的共同作用，將橫風(fēng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)因子，即V橫風(fēng)=V風(fēng)速×sinθ，其中V風(fēng)速為風(fēng)速，θ為風(fēng)與航道軸線的夾角。

(3)流與航道危險(xiǎn)度分析。流在航道通航安全中的影響主要表現(xiàn)為船舶漂移和船舶操縱性能下降兩個(gè)方面。流作用力影響如圖5所示，橫流或流的橫向分量作用于船舶時(shí)會(huì)導(dǎo)致船舶偏離航道。

圖3 船舶橫風(fēng)受力分析圖

圖4 船舶側(cè)風(fēng)受力分析圖

圖5 流影響示意圖

為克服流壓差的影響，船舶就要進(jìn)行艏向調(diào)整，使得航跡帶寬度增加，這種情況下勢(shì)必要對(duì)航道的寬度提出更高要求。在船舶避讓的過(guò)程中，由于流的作用，導(dǎo)致船舶運(yùn)動(dòng)軌跡與航道軸線并不一致，給船舶避碰造成了較大的困難，極易造成交通事故。根據(jù)流作用原理分析，船舶在有水流存在的水域航行時(shí)，水線以下船體將受到流壓的作用，導(dǎo)致船舶的操縱性能下降，影響船舶通航安全。其中，流向是判斷船舶受風(fēng)威脅程度的重要指標(biāo)，流從船舶正橫方向作用于船體時(shí)，流對(duì)船舶的影響最大，船舶的偏航作用顯著；當(dāng)船舶受到來(lái)自船首向和船尾向的流作用時(shí)，流作用主要表現(xiàn)為影響航速和船舶舵效[4]。

在研究的內(nèi)河航道水域時(shí)，因其地理位置獨(dú)特，內(nèi)河船舶在航行時(shí)會(huì)受水流影響較大，容易發(fā)生水上交通事故，因此對(duì)流的作用分析至關(guān)重要。流對(duì)船舶航行安全的影響程度可通過(guò)最大流速、流向與航道交角來(lái)衡量，對(duì)流進(jìn)行分析時(shí)將橫流流速作為指標(biāo)因子，即V橫流=V流速×sinφ,其中V流速表示流速，φ代表流與航道軸線的夾角。

3.2 地理?xiàng)l件的分析

(1)航道寬度與航道危險(xiǎn)度分析。根據(jù)水上交通安全學(xué)分析，船舶操縱空間的大小，將直接影響船舶航行的安全系數(shù)。航道寬度與航道危險(xiǎn)程度的分析，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都進(jìn)行了大量研究。例如，井上欣三對(duì)航道寬度與環(huán)境壓力值之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬研究[5]，結(jié)論如圖6所示。據(jù)圖分析可知，操船環(huán)境壓力值隨航道寬度的增加呈線性減少，當(dāng)航道寬度較小時(shí)，船舶的環(huán)境壓力值較大，也就意味著船舶航行安全系數(shù)越低；同時(shí)，在分析航道寬度與船舶環(huán)境壓力值得關(guān)系時(shí)，還要考慮船速變化對(duì)壓力值的影響。

圖6 環(huán)境壓力值與航道寬度之間的關(guān)系

在對(duì)航道寬度進(jìn)行分析時(shí)，主要考慮航道寬度與水上交通事故的關(guān)聯(lián)性，又由于同一航道寬度對(duì)航道內(nèi)不同大小的船舶影響不盡相同。因此，選取設(shè)計(jì)代表船型的長(zhǎng)度與航道寬度的比值作為航道寬度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)航道長(zhǎng)度與航道危險(xiǎn)度分析。如果把航道看成立體空間，則航道寬度限制了船舶的橫向運(yùn)動(dòng)，水深影響著船舶可航行水域，而航道長(zhǎng)度是限制船舶縱向運(yùn)動(dòng)的因子。航道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，船舶航行時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，導(dǎo)致船舶所遇見(jiàn)可知和未知的危險(xiǎn)因素就會(huì)越多，從而發(fā)生交通事故的可能性就越大。因此，可以確定航道長(zhǎng)度也是影響通航安全的因素。

(3)航道彎曲半徑與航道危險(xiǎn)度分析。彎曲航道水域是水上船舶交通事故多發(fā)區(qū)，根據(jù)船舶旋回性能分析，航道彎曲半徑越小，船舶旋轉(zhuǎn)的角度就越大，船舶操縱難度就越大，則航道的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)就越高。當(dāng)船舶航行于彎曲航道時(shí)，船舶需要轉(zhuǎn)向操作，航道彎曲程度越大，轉(zhuǎn)向的舵角也就越大，整個(gè)航道水域的限制空間就越大，船舶的操船風(fēng)險(xiǎn)也就越大。在此過(guò)程中，船舶還會(huì)受到風(fēng)、流等外力的干擾，導(dǎo)致船舶操縱困難，加大了船舶安全航行的難度。所以，在彎曲航道處極易引發(fā)船舶交通事故。

根據(jù)文獻(xiàn)查閱，井上欣三對(duì)航道彎曲度與環(huán)境壓力值之間的關(guān)系進(jìn)行了分析研究[5]，得出結(jié)論如圖7所示。從圖中可以看出彎曲角度越高，環(huán)境壓力值就越大，當(dāng)航道彎曲角度超過(guò)30°時(shí)，航道危險(xiǎn)程度顯著增加，船舶航行該水域需提高警惕、謹(jǐn)慎駕駛。

圖7 航道彎曲角度與環(huán)境壓力值的關(guān)系

(4)航道交叉狀況與航道危險(xiǎn)度分析。如圖8所示，根據(jù)航道交叉水域示意圖分析，當(dāng)兩條或多條航道在同一水域交叉時(shí)，航道交匯處往往會(huì)具備以下特征：船舶交通密度大，船舶頻繁用舵，船舶會(huì)遇局面復(fù)雜等，常常將該水域劃定為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，也屬于水上交通事故頻發(fā)區(qū)域。決定船舶交叉狀況對(duì)通航安全的影響應(yīng)從交叉航道的最大交叉角度和交叉區(qū)域的航道數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，本文主要考慮航道的最大交叉角度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖8 航道交叉狀況

(5)障礙物與航道危險(xiǎn)度分析。障礙物在航道上以及周圍水域的空間分布，不僅惡化了航道水域的通航環(huán)境，而且在一定程度上限制了船舶在航道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空間和操縱性能，給船舶安全航行帶來(lái)了較大影響。根據(jù)研究和實(shí)踐表明，在航道附近的障礙物對(duì)通航安全的影響主要體現(xiàn)在障礙物的個(gè)數(shù)和障礙物到航道的距離。

學(xué)者井上欣三分析障礙物距離與操船富裕值的關(guān)系[5]，如圖9所示。

圖9 富裕值與距礙航物距離的關(guān)系

如表2所示，通過(guò)分析可知，距障礙物100m以內(nèi)時(shí)，富裕值隨著距離的增加而增加，且變化較明顯。而當(dāng)距離大于500m后，富裕值的變化基本平穩(wěn)。因此，航道距障礙物的距離是影響水域交通安全的重要因素，將距障礙物距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的重要指標(biāo)之一。

表2 距障礙物的距離與富裕值之間的關(guān)系

3.3 交通條件的分析

(1)船舶交通流量與航道危險(xiǎn)度分析。船舶交通流量不僅可以反映出該水域繁忙程度和通航效率，同時(shí)，也能反映出航道的危險(xiǎn)程度。因此，航道水域的交通流量是制約航道通航效率，影響船舶通航安全的重要因素。船舶交通流量大的水域，因其較高的交通密度，船舶的操縱受到周圍船舶運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)空間受限，通航環(huán)境變得相對(duì)復(fù)雜，船舶航行安全受到嚴(yán)重威脅。

根據(jù)公式：Q=ρ×V×W

其中，Q為交通流量(艘/小時(shí))，ρ為交通流密度(艘/海里2)，V為交通流速度(節(jié))，W為交通流寬度(海里)

通過(guò)公式可知，船舶交通密度與船舶交通流量、速度、交通流寬度有關(guān)。因此，選取交通流總量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)助航標(biāo)志的分析[6]。助航標(biāo)志是一種重要的助航設(shè)備，特別是在沿海、內(nèi)河以及特殊水域有著廣泛的應(yīng)用。它可用于界定航道、標(biāo)識(shí)危險(xiǎn)物及危險(xiǎn)物的方位、標(biāo)示特定水域或水域特征、船舶定位等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的導(dǎo)航功能，在指引船舶安全航行上有著重要作用，也是交通條件安全評(píng)價(jià)的一個(gè)不可或缺的因素。航行標(biāo)志配布不完善或損壞，是建立通航環(huán)境危險(xiǎn)程度的主要標(biāo)準(zhǔn)。航標(biāo)配備率是指包括通航水域的助航標(biāo)志數(shù)量足夠，配置合理，容易辨識(shí)的合格率[7]。本文以航標(biāo)配備率作為助航標(biāo)志評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

內(nèi)河航道方案評(píng)價(jià)是由多指標(biāo)因素共同作用的復(fù)雜體系綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性和全面性是決定評(píng)價(jià)效果好壞的關(guān)鍵。因此，在研究指標(biāo)選取原則和體系建立方法的基礎(chǔ)上，從操船環(huán)境角度分析影響船舶通航安全的指標(biāo)因子，初步建立航道方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)，通過(guò)向航道安全領(lǐng)域?qū)＜业淖稍?，參考相關(guān)研究成果，結(jié)合評(píng)價(jià)對(duì)象的特征分析，確定內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指標(biāo)因子，力求使更具可操作性和實(shí)用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)能真實(shí)地、全面地反映出內(nèi)河航道方案的安全性。

指標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建思路：(1)依托內(nèi)河航道的特征分析選取評(píng)價(jià)指標(biāo)；(2)根據(jù)影響船舶操船環(huán)境的指標(biāo)進(jìn)行安全分析；(3)初步構(gòu)建指標(biāo)體系并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和修改；(4)征求專家意見(jiàn)進(jìn)行指標(biāo)體系的優(yōu)化。

根據(jù)以上指標(biāo)體系構(gòu)建的基本思路，選取指標(biāo)因子，初步確定內(nèi)河航道綜合指標(biāo)體系如下：

在自然條件中為了兼顧風(fēng)速、風(fēng)向?qū)降腊踩墓餐饔煤土魉?、流向?qū)降腊踩墓餐饔?，選取了以下三個(gè)指標(biāo)作為自然條件下的評(píng)價(jià)因子：能見(jiàn)度、橫風(fēng)風(fēng)速(風(fēng)在垂直于航道軸線上的分量)、橫流流速(流在垂直于航道軸線上的分量)。在地理?xiàng)l件中主要考慮航道的主尺度和航道距障礙物的距離。其中，考慮到航道寬度與航道內(nèi)航行的船舶長(zhǎng)度有重要關(guān)聯(lián)性，在考慮航道寬度時(shí)選取了航道寬度與代表船型船長(zhǎng)的比值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在交通條件指標(biāo)選取中，主要分析了船舶交通流量和航道助航標(biāo)志配備率兩方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。綜上分析，內(nèi)河航道方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖10所示。

圖10 內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)學(xué)者研究，并結(jié)合內(nèi)河航道特性，運(yùn)用專家咨詢的相關(guān)方法，構(gòu)建內(nèi)河航道綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在排除影響船舶通航安全的人為因素和船舶自身?xiàng)l件等因素的作用后，該體系從自然條件、地理?xiàng)l件和交通條件三個(gè)方面著手，綜合分析影響內(nèi)河操船環(huán)境系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)因子，為內(nèi)河航道未來(lái)的綜合維護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

[1]譚志榮.港口操船環(huán)境危險(xiǎn)度的評(píng)判方法的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2002.

[2]吳兆麟,翁躍宗.廈門港船舶航行環(huán)境系統(tǒng)的安全分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,(2): 37-45.

[3]Kiyoshi Hara, Shiny Nakamura. A Comprehensive Assessment System for the Maritime Traffic Environment[J].Safety Science,1995,(19):203-215.

[4]Tsou, M. C. and Hsueh, C. K. The Study of Ship Collision Avoidance Route Planning by Ant Colony Algorithm[J].Journal of Marine Science and Technology，2010，(5)：746-756.

[5][日]井上欣三.基于操船者危險(xiǎn)感的操船環(huán)境評(píng)價(jià)[C]//日本航海學(xué)會(huì).日本航海學(xué)會(huì)論文集, 1972:189-197.

[6]丁振國(guó).通航環(huán)境危險(xiǎn)度影響因子評(píng)價(jià)與研究[J].廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2012,(3): 14-18.

[7]CheeKuang Tam, Richard Bucknall Path-Planning algorithm for ships in close-range encounters[J]. Journal of Marine Science and Technology, 2010,(4):395-407.

2016-04-21

王艷鋒(1982-)，男，河南駐馬店人，武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與航運(yùn)學(xué)院教師，主要從事交通信息工程及控制研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.02.017

U697

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1672-9846(2016)02-0077-05