徐才云, 鄭元洲,3, 甘浪雄, 周春輝, 張 磊, 程慧中

(1. 武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063; 2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063;3. 伊利諾伊理工大學(xué)， 芝加哥 60616)

福州港(閩江口)是我國沿海主要港口之一，近些年船舶通航密度逐漸增大，出現(xiàn)船舶航路縱橫交錯(cuò)和航行無序等現(xiàn)象。由于現(xiàn)有的管理手段滯后，通航環(huán)境逐漸惡化，致使該水域船舶碰撞事故時(shí)有發(fā)生，有必要對該水域內(nèi)的航路進(jìn)行規(guī)范和優(yōu)化。

船舶定線制[1]是國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)推薦的一種船舶航路優(yōu)化措施，在規(guī)范船舶交通流、保障船舶航行安全和提高交通效率方面起著重要作用。[2]定線制的種類和形式較多，其中分道通航制是目前最常見、最主要的形式。[3]雖然IMO已對其設(shè)計(jì)原則作出相應(yīng)規(guī)定，但在具體設(shè)計(jì)時(shí)仍涉及到一些關(guān)鍵的技術(shù)問題。在有關(guān)通航分道寬度的研究中：藤井彌平等[4]對在大洋、沿海及擁擠等3種交通類型的通航水域設(shè)置分道通航制的寬度取值給出建議；ABDEL[5]以藤井彌平提出的船舶領(lǐng)域模型為理論基礎(chǔ)，通過反復(fù)試驗(yàn)提出一種船舶間的標(biāo)準(zhǔn)分割概念，作為確定通航分道寬度的依據(jù)之一。在通航分道分隔帶的設(shè)計(jì)上，LEWISON[6]建議：在水域條件允許的情況下，使分隔帶寬度≥1 n mile；而在水域條件有限的情況下，采用帶寬較窄的分隔帶或在邊界線上設(shè)置浮標(biāo)以提醒過往船舶。

與國外相比，我國船舶定線制實(shí)施較晚，但發(fā)展較快。2011年，為加大力度改善我國的水上交通形勢，我國制訂出《全國沿海船舶定線制總體規(guī)劃》，期望3～5 a內(nèi)在全國沿海的交通密集區(qū)域、船舶交通流的匯聚區(qū)域及事故多發(fā)水域?qū)嵤┐岸ň€制，10 a內(nèi)全面落實(shí)。閩江口水域?qū)儆谠撘?guī)劃中的15個(gè)支線航路重要水域之一。

閩江口水域的雷達(dá)定位條件、燈塔、虛擬航標(biāo)等導(dǎo)助航設(shè)施及設(shè)備建設(shè)較為齊全，可為該水域船舶定位提供一定的保障。福州船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services, VTS)覆蓋轄區(qū)內(nèi)重點(diǎn)水域，可實(shí)現(xiàn)對閩江口水域近岸側(cè)的有效監(jiān)控，為定線制的實(shí)施提供有利的監(jiān)管支撐。

在對閩江口水域船舶交通形勢進(jìn)行較全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的定線制理論成果，應(yīng)用海上交通工程的理論和方法，提出閩江口水域船舶定線制推薦方案，實(shí)現(xiàn)對水域內(nèi)航路的規(guī)范和優(yōu)化，使有限的海域資源發(fā)揮更大的作用，提高通航效率、保障船舶航行安全和防止海域污染。

1 閩江口水域船舶交通流分布特征

船舶航跡是船舶交通流的基本要素之一，航跡分布表示水域內(nèi)所有航行路線的空間分布，可在一定程度上呈現(xiàn)水域內(nèi)船舶交通流的密度和危險(xiǎn)度。[7]研究航跡分布圖主要是對大范圍的水域交通流進(jìn)行分解，找出主要交通流的空間分布特征，是研究和建立船舶定線制的基礎(chǔ)。綜合考慮氣象、潮流和浪況等因素，隨機(jī)選取多個(gè)月份連續(xù)數(shù)天的船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS平臺分析解析后的交通數(shù)據(jù)，繪出船舶歷史軌跡(見圖1)，獲取船舶交通特征信息。

1.1 船舶AIS航跡分布特點(diǎn)

1) 眾多島嶼的存在導(dǎo)致該水域內(nèi)的船舶航跡集中在寬度約1 n mile的航跡帶上，北上、南下的船舶在主航跡帶范圍內(nèi)存在明顯的對遇沖突問題。

2) 七星礁(見圖2)燈樁及洋嶼(見圖3)燈塔附近的船舶交通流呈現(xiàn)出北上、南下和橫穿等錯(cuò)綜復(fù)雜的交匯，形成船舶交通流大角度交叉或?qū)τ龅臎_突局面，會對船舶的航行安全產(chǎn)生較大的威脅。

3) 進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)的船舶交通流交匯點(diǎn)集中在七星礁燈樁正西1 n mile的“D1號浮”附近，進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)的船舶主要在此處轉(zhuǎn)向。

4) 通過閩江口水域南上、北下的船舶交通流主流位于七星礁燈樁東側(cè)。

5) 馬祖澳水域現(xiàn)有一處長為3.7 n mile的分道通航制，橫穿主航跡帶，由臺灣地區(qū)管轄，目前交通流量較少，幾乎沒有船舶使用。

1.2 船舶AIS交通量分布特征

根據(jù)水域內(nèi)船舶AIS航跡分布特點(diǎn)，閩江口水域交通密集區(qū)域主要集中在洋嶼水域與海壇海峽水域之間。因此，在對交通流進(jìn)行分析時(shí)，重點(diǎn)對洋嶼水域與海壇海峽之間的船舶交通流進(jìn)行觀測。采用門線反映交通量及其空間分布，主要選取洋嶼門線、四母嶼門線、馬祖門線和白犬門線等4條門線；各門線的長度分別為5 n mile,9 n mile,10 n mile和11 n mile，區(qū)間長度為1 n mile。白犬門線交通量及其分布見圖4，各門線船舶AIS日均交通量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各門線船舶AIS日均交通量統(tǒng)計(jì) 艘

由以上數(shù)據(jù)可知：

1) 所選4個(gè)區(qū)域日均船舶交通量相當(dāng)，四母嶼和白犬船舶交通量稍大，日均交通量分別達(dá)77艘和79艘，其中90%以上船舶船長不超過200 m。

2) 受水域條件和船舶航行習(xí)慣影響，所選區(qū)域主航跡帶寬度均較窄，為1～3 n mile，且距附近島嶼較近(白犬門線除外)，其中洋嶼和四母嶼的主航跡帶中心距離鄰近島嶼僅約1.5 n mile。

3) 單位區(qū)間(1 n mile)內(nèi)船舶日均交通量>10艘的區(qū)域主要在距離島嶼1～6 n mile范圍內(nèi)。門線上單位區(qū)間內(nèi)船舶日均交通量>20艘的區(qū)間分布為：距洋嶼1～2 n mile，距四母嶼4～6 n mile，距馬祖園臺山1～4 n mile，距梅花淺灘4～8 n mile。

2 閩江口水域船舶定線制的設(shè)計(jì)

根據(jù)對閩江口水域交通流分布特征的分析，該水域船舶交匯密集區(qū)域主要集中在七星礁和洋嶼燈塔附近(如圖1所示)，船舶軌跡也較為集中。由于馬祖和白犬列島等由臺灣地區(qū)管轄，且馬祖列島現(xiàn)存有分道通航制，若對閩江口水域整體設(shè)計(jì)定線制，將橫跨現(xiàn)有的分道通航制。

2.1 定線制形式及參數(shù)設(shè)置

本文主要采取分道通航制，因此必須確定的尺度參數(shù)主要包括通航分道的寬度、長度、軸線走向、邊界線離岸或島嶼距離及分隔帶的寬度等。結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)定線制尺度參數(shù)設(shè)計(jì)的規(guī)定和理論研究，設(shè)定閩江口定線制相關(guān)尺度參數(shù)的分析過程如下。

2.1.1通航分道寬度

ABDEL[5]提出的船舶間標(biāo)準(zhǔn)分隔的寬度值可作為確定通航分道寬度的依據(jù)之一。圖5為船舶間的標(biāo)準(zhǔn)分隔示意，其中：外圍區(qū)域是根據(jù)水動力和其他相關(guān)因素確定的船舶間的標(biāo)準(zhǔn)分隔；內(nèi)側(cè)區(qū)域是根據(jù)水動力因素確定的船舶領(lǐng)域。根據(jù)該理論，得到船舶標(biāo)準(zhǔn)分隔的尺度見表2。

表2 船舶標(biāo)準(zhǔn)分隔的尺度 n mile

目前閩江口水域船舶的最大船長為366 m，考慮日后船舶的大型化發(fā)展，取船長為400 m。由表2可知，3 000總噸以上的船舶以相同航向航行時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)分隔的橫向尺度約為0.79 n mile。實(shí)際上，船舶大小、航跡帶寬度、定位精度、交通密度、船吸作用和能見度等均是確定通航分道寬度時(shí)需考慮的要素。[8]由于七星礁水域船舶航行時(shí)受風(fēng)浪影響較大，考慮到該水域內(nèi)的通航密度和船舶避風(fēng)操縱的需求及水域內(nèi)島嶼眾多、航行水域較為狹窄的實(shí)際情況，將該水域通航分道寬度取為1 n mile。

2.1.2分隔帶寬度

根據(jù)IMO對分道通航制的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)分隔帶寬度時(shí)應(yīng)考慮水域內(nèi)可利用的定位手段的精度，在條件允許的前提下，分隔帶寬度應(yīng)至少為對應(yīng)定位精度的標(biāo)準(zhǔn)誤差橫向分量的3倍。[9]

本文設(shè)計(jì)的分道通航制附近均有孤立、顯著且容易辨認(rèn)的近距離物標(biāo)可供雷達(dá)觀測定位，如高登島、七星礁等。在該航行條件下，船員的習(xí)慣做法是使用雷達(dá)兩距離定位或雷達(dá)方位距離定位。雷達(dá)的特點(diǎn)使得單目標(biāo)雷達(dá)方位距離定位的精度比雙目標(biāo)雷達(dá)距離定位低、誤差比其大。因此，先計(jì)算單目標(biāo)雷達(dá)方位距離定位精度的標(biāo)準(zhǔn)誤差，再以該誤差為依據(jù)確定分隔帶和通航分道寬度。

雷達(dá)方位距離定位精度的計(jì)算式[9]為

(1)

式(1)中：D為物標(biāo)的距離,n mile；MB為雷達(dá)測方位的均方誤差，一般取±2°；MD為雷達(dá)測距離的均方誤差，以觀測距離的百分?jǐn)?shù)表示，一般取±1.5%。將以上數(shù)值代入式(1)并計(jì)算得：M=0.038D。

由以上計(jì)算可知，若在閩江口水域使用分隔帶，則根據(jù)定位精度計(jì)算要求，洋嶼燈塔附近分隔帶宜取0.2 n mile，七星礁水域宜取0.4～0.7 n mile。由閩江口船舶交通流特征分析可知，閩江口南北航行船舶區(qū)域集中，航跡帶寬度約為1 n mile，而七星礁與臺灣地區(qū)管轄水域之間水域?qū)挾燃s為3 n mile(如圖3所示)，0.4～0.7 n mile帶寬的分隔帶設(shè)計(jì)在航跡帶中心處時(shí)將過多地占用船舶航行的“黃金水道”，會給船舶的航行安全帶來一定影響。因此，若在七星礁水域設(shè)置分隔帶，則分隔帶不宜過寬。表3為各航段最大定位誤差與分隔帶、通航分道寬度。

2.1.3分道通航制長度

本文在設(shè)計(jì)分道通航制長度時(shí)堅(jiān)持宜短不宜長的原則，并盡量確保通航分道的長度可使船舶在一定時(shí)間內(nèi)保持航向的穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧船舶定位的便利性。取船舶保向時(shí)間為20 min，船速為10 kn，則得到分道通航制長度的最小值應(yīng)為3 n mile。

表3 各航段最大定位誤差與分隔帶、通航分道寬度 n mile

2.1.4軸線與邊界線

在設(shè)計(jì)分道通航制時(shí)，應(yīng)盡可能地使其中心軸線與主航跡帶的中心軸線貼近，在滿足通航分道和分隔帶寬度要求的前提下確定內(nèi)外邊界線的具體位置。

2.1.5警戒區(qū)

警戒區(qū)用于在通航分道交匯處的規(guī)定界限內(nèi)提醒船舶駕駛員謹(jǐn)慎駕駛。警戒區(qū)的形狀和尺度主要是在結(jié)合國內(nèi)外已有的經(jīng)驗(yàn)和對現(xiàn)有船舶交通流的空間分布進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從對船舶交匯區(qū)域的有效覆蓋及有利于船舶判斷是否進(jìn)入警戒區(qū)2個(gè)角度設(shè)計(jì)。

2.2 定線制方案

2.2.1洋嶼定線制設(shè)計(jì)

洋嶼附近的交通流主要為NE-SW向進(jìn)出閩江口水域及在洋嶼燈塔附近轉(zhuǎn)向進(jìn)出羅源灣的船舶，針對附近的交通形勢及地理環(huán)境因素，提出定線制方案見圖6。

2.2.2七星礁定線制設(shè)計(jì)

通過對交通形勢進(jìn)行分析可知，七星礁附近的船舶交通流較為集中，對遇形勢明顯，船舶交通流在七星礁南北及閩江入海口各形成一個(gè)交匯區(qū)域。七星礁以北為進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)的船舶與南北航行船舶的交匯區(qū)，七星礁以南為進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)、海壇海峽和其他南北航行船舶的交匯區(qū)?？紤]以上交通形勢，共提出3種定線制方案，具體布置及設(shè)計(jì)參數(shù)見圖7和表4。

方案方案一方案二方案三第一分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.20.5通航分道長/nmile6.52.22.0通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)010/190000/180000/180第二分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.50.3通航分道長/nmile5.04.01.4通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)027/207033/213000/180第三分道通航制分隔帶寬/nmile0.50.50.5通航分道長/nmile5.03.02.5通航分道寬/nmile1.01.01.0推薦交通流向/(°)160/340160/340000/180與馬祖列島/白犬列島最近距離/nmile1.0/1.91.5/1.81.5/2.2七星礁避航區(qū)/nmileR=0.7

2.3 七星礁定線制方案比選

(1) 方案一：僅分隔南北航行船舶交通流。對閩江口水域交通流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：南下進(jìn)閩江口內(nèi)港區(qū)(或出閩江口內(nèi)港區(qū)北上)的船舶日交通量為16艘,出閩江口內(nèi)港區(qū)南下(或北上進(jìn)閩江口內(nèi)港區(qū))的船舶日交通量為20艘，船舶交通流相對較少，可不考慮對其進(jìn)行分隔。該方案嚴(yán)格根據(jù)船舶習(xí)慣航法設(shè)計(jì)，分道通航制與七星礁之間的距離較遠(yuǎn)，形式明了，警戒區(qū)的范圍較小，有利于減少船舶在警戒區(qū)內(nèi)航行的時(shí)間，減輕在警戒區(qū)內(nèi)航行的壓力；但是，簡單地進(jìn)行警戒區(qū)設(shè)計(jì)未有效簡化警戒區(qū)內(nèi)的交通組織，較大的交通流量使得警戒區(qū)內(nèi)的航行壓力和監(jiān)管壓力均較大。

(2) 方案二：對南北航行船舶和進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)船舶交通流均進(jìn)行分隔。該方案主要考慮南北向航行的船舶會遇和在水域范圍內(nèi)交匯的情況，將進(jìn)出閩江的船舶考慮在內(nèi)，對其進(jìn)行一定引導(dǎo)，并在警戒區(qū)內(nèi)設(shè)置分隔帶和推薦交通流向，對區(qū)內(nèi)交通流進(jìn)行分流和引導(dǎo)。大范圍警戒區(qū)的設(shè)置可減小警戒區(qū)內(nèi)的船舶交通密度，但會對主管部門監(jiān)管船舶航行提出更高要求。

(3) 方案三：簡化方案，不對七星礁南部交通流進(jìn)行分隔。由于目前七星礁南部交匯區(qū)至海壇海峽方向的船舶多為小型船，可暫不考慮。該方案去除方案一和方案二中的第二分道通航制，并對警戒區(qū)范圍進(jìn)行調(diào)整，著重考慮南北線較大船舶交通流的分流。簡化后的方案更易于實(shí)施，但也會在一定程度上影響水域內(nèi)船舶的航行習(xí)慣。

李松等[10]和鄔惠國等[11]發(fā)現(xiàn)船舶定線制中的警戒區(qū)是事故多發(fā)區(qū)域，因此深入分析警戒區(qū)內(nèi)的交通組織特征，并運(yùn)用交通沖突技術(shù)對警戒區(qū)航行危險(xiǎn)度進(jìn)行識別和診斷，提出對應(yīng)的優(yōu)化和修正措施。

提高警戒區(qū)交通安全性的一個(gè)重要原則就是減少沖突點(diǎn)。[12]方案三對七星礁南部交通的組織進(jìn)行了簡化，因此交通沖突點(diǎn)(見圖8和表5)明顯少于方案一和方案二，船舶操縱難度也會隨之降低。方案一和方案二中的第二分道通航制主要為小船習(xí)慣航線，較為復(fù)雜，目前實(shí)施存在較大難度。方案三雖然會在一定程度上改變該水域內(nèi)船舶的航行習(xí)慣，但其更有助于理清水域內(nèi)的交通組織，實(shí)施起來更為容易。因此，將方案三作為閩江口定線制一期的推薦方案。

方案方案一方案二方案三警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)第一警戒區(qū)第二警戒區(qū)交叉點(diǎn)819-11合流點(diǎn)415-11分流點(diǎn)415-11合計(jì)16319-33總計(jì)19196

考慮到進(jìn)出閩江口內(nèi)港區(qū)及去往海壇海峽和臺灣海峽的船舶交通流量及密度不斷變化，有必要對七星礁水域的交通流作進(jìn)一步的梳理，二期實(shí)施方案可從方案一與方案二中選取較優(yōu)者。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)閩江口船舶AIS數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS平臺對軌跡分布、交通量等船舶交通特征進(jìn)行分析研究。根據(jù)IMO有關(guān)規(guī)則、參考國內(nèi)外類似水域定線制規(guī)劃的思路，確定閩江口水域定線制的規(guī)劃原則、

形式及各設(shè)計(jì)要素的參數(shù)取值，提出幾種符合閩江口水域通航特征的船舶定線制方案。從交通沖突、方案可行性等方面對各方案進(jìn)行比選后得出推薦方案，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 在盡可能保持現(xiàn)有船舶交通流不變的同時(shí)，兼顧航行安全要求，與周邊島嶼保持適當(dāng)?shù)木嚯x。

2) 對洋嶼至白犬列島間狹長水域南北向交通流進(jìn)行分離，使有限的海域資源發(fā)揮更大的作用，在提高通航效率的同時(shí)保障航行安全。

3) 考慮到方案的可行性及福州港的遠(yuǎn)期發(fā)展，將七星礁水域分為2期規(guī)劃，既能滿足管理及功能性需求，又能順利銜接。

閩江口水域定線制的研究及定線制方案的提出對指導(dǎo)閩江口水域船舶安全航行、提高航行效率和緩解海事主管部門的監(jiān)管壓力具有重要意義。

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