考虑多因素的工程船穿越航道时间计算模型

    吕木荣　张赫

    

    

    

    【摘 要】 为指导作业工程船安全穿过航道内船舶流，以船舶自动识别系统（AIS）获得的航道内运输船舶的位置、速度、类型等数据为基础，考虑水流、工程船穿越角度及安全距离对工程船穿越船舶流所需时间的影响，通过数学模型计算工程船的穿越时间。运用MATLAB软件验证模型的有效性，确定该模型可以为工程船穿越航道内船舶流提供时间选择，还可以为船舶交汇水域的交通规划和管理提供技术支持。

    【关键词】 工程船;船舶自动识别系统（AIS）;穿越时间;安全距离;航道管理

    0 引 言

    设有工程作业区的航道交通情况复杂，工程船在作业过程中会频繁穿过航道内的交通流。据调查，工程船穿越行为决策主要依据驾驶人员的主观判断或无线电沟通，缺乏定量分析，容易引发与其他运输船舶碰撞的交通事故。船舶自动识别系统（AIS）广泛应用于我国内河通航船舶，船舶AIS可获取航道内邻近通航船舶的位置、速度、类型及航迹向。因此，本文研究的是基于船舶AIS数据的工程船穿越时间计算模型，有助于工程船驾驶人员作出安全穿越航道内交通流的时间选择，也可为船舶交汇水域的交通规划和管理提供技术支撑。

    在与船舶穿越航道相关的研究中，程志友等[1]研究基于综合距离指标的交通冲突测量方法，建立了船舶选择的穿越距离大于临界距离的单船穿越定量关系模型;徐迪清等[2]应用可接受间隙理论，分析船舶到达规律和通过信息引入的船舶间距建立通过能力模型;何良德等[3]在此基础上提出空挡率概念，对可接受间隙理论模型进行了改进。这些研究主要分析船舶穿越过程所需考虑的影响因素，通过驾驶人员预估的船舶距离和驾驶人员判断的反应时间决定船舶穿越时间点。在船舶AIS数据应用方面，王维刚等[4]将船舶AIS数据应用于计算通航饱和度模型，潘晋等[5]将船舶AIS数据获得船舶位置、航速和偏航角等参数用于计算船舶碰撞概率，MOU等[6]和ZAMAN等[7]在研究船舶冲突问题时借助了船舶AIS数据。以上这些方法是通过处理船舶AIS的船舶动态信息来解决水上交通问题的。

    本研究则以船舶AIS获得的航道内船舶的位置、速度、类型等数据为基础，通过数学模型计算工程船的穿越时间。运用MATLAB软件编程，应用收集到的数据计算出案例中工程船最佳穿越时间，并加入改变安全距离值。

    1 相关概念

    1.1 基本定义

    工程船的穿越时间是指工程船可以在不影响航道内船舶正常航行的前提下安全穿过船舶流的时间。

    1.2 影响因素

    （1）水流。水流对航行船舶的影响主要是流速和流向。除非航道内存在横流区，通常航道内水流流向基本保持不变。航道内水流的速度一般从两岸最小水深处向航道最大水深处增加，且不同水位期流速也有差异。

    （2）工程船的穿越角度。由于航道内存在多个作业区，工程船因施工需要要经常转换作业区，航行角度必然会发生变化，即工程船穿越角度的改变。

    （3）安全距离。相关航行规范对航行中的船舶与其邻近船舶的安全距离有严格的要求。工程船在穿越过程中必须与航道内其他船舶保持一定的安全距离。

    2 穿越时间计算模型的建立

    2.1 航道基本情况

    以工程船穿越出发点为坐标原点建立航道的直角坐标系（见图1），结合船舶AIS数据可以得知航道内某时间段船舶交通流n艘船舶中第i通航船舶的位置坐标为（xi，yi），工程船的位置坐标为（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响，工程船穿越过程中的速度及航向均发生了改变，且发生了横向位移。在工程船航迹矢量图（图2）中，vh为工程船船速v0与水流速度vs合成后的航速，为工程船穿越角度，为水流速度方向角，为实际航迹向。

    工程船航速及轨迹方向角计算如下：

    （1）

    =arc tan （2）

    2.3 临界距离计算

    临界距离是在不考虑船舶间安全距离的情况下，工程船在穿越过程中与航道内其他通航船舶保持的距离。工程船穿越航道过程可分为两部分：

    （1）工程船船首恰好到达船舶i原位置

    当工程船出发航行至其船首恰好到达船舶i位置（见图3）时，工程船航行时间t1=（L为工程船船长）。

    由图3可见，受到水流和工程船穿越角度的影响，工程船的轨迹方向角发生变化，因此工程船在航行过程中发生了横向位移。根据工程船航行速度及轨迹方向角可以得出，工程船航行至其船首恰好到达船舶i位置时的横坐标x1 = x0 + vh cos t1。此时，航道内船舶i的横坐标 xi1= xi + vi t1 （vi为船舶i的航速）。

    根据坐标可以确定当工程船航行至其船首恰好到达船舶i位置时工程船与船舶i的临界距离z1。由于船舶的坐标点取船舶的中心位置，所以要考虑船舶的长和宽。

    z1=（3）

    式中： S为工程船的船宽; Li为航道内通航船舶i的船长。

    （2）工程船安全穿越船舶i

    工程船出发航行至完全离开船舶i（见图4）时，工程船航行时间 t2= （Si为船舶i的船宽）。同理，工程船航行至完全穿越船舶i时的横坐标x2=x0 + vh cos t2。此时，航道内船舶i横坐标xi2=xi + vi ?t2。

    同理，工程船与船舶i的临界距离z2为

    z2=（4）

    船舶在航行中须与其邻近船舶保持一定的距离，在计算出工程船穿越过程中与航道内船舶i的临界距离后，为保证工程船实现安全穿越，还需要加入安全间距值Q。工程船安全穿越的条件为

    min （z1，z2） ≥ Q（5）

    即满足两阶段中临界距离的最小值大于安全间距才能保证工程船的顺利穿越。