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船舶安全领域综述——模型及应用

关键词：船舶领域、避免碰撞、碰撞风险、海上交通工程

摘要：船舶安全领域是一个广泛用于避碰和交通工程等研究的术语。经典船舶领域已在多个报告中被进行了比较。但是，到目前为止一直没有人总结这一领域的研究现状。本文对较新的船舶领域模型和相关研究做了一个系统而严谨的总结，讨论了定义船舶领域的多种不同方法：从定义和安全标准，到研究方法和考虑因素，到不同作者得到的结果大不相同的原因。本文还指出了一些与船舶领域相关解释的模糊性，并总结了船舶领域当前的发展和应用的趋势。

1. 介绍

船舶安全领域是对安全距离的概括，人们通过海上观测发现船舶在不同方向上的安全距离均不一样，于是首次在海上航行领域提出船舶领域概念。“船舶领域”一词被广泛使用，但通常具有不同的含义，这取决于特定作者的定义或建立领域模型的目的。这个可能会导致混淆，特别是如果对这些领域进行大小和形状的比较。

关于船舶领域的文章很多，很多作者简要的概述该领域的研究现状，关于船舶避碰方法的文献也总结了船舶领域的相关研究。但是，目前还没有完全致力于总结当前船舶领域模型及相关研究的文献。本文通过对关键的船舶领域进行总结来填补这一空白。

船舶领域可以大致分为以下几方面：基于理论分析、基于专家知识、基于历史经验，但是这三种方法并不是相互排斥的，有时也会组合使用。例如 （Dinh和Im，2016）。 基于经验的船舶领域模型通常比较简单，因为经验数据很难辨析多个参数的影响。由于其简单性，这些模型的潜在应用仅限于：笼统的尺度与大小可以满足统计层面的工作，精确尺寸不太重要。因此，经验领域成功地应用于确定局部水道的容量，但是通常不够详细，无法避免船舶碰撞。基于理论分析和基于专家知识的模型，它们的应用范围更广泛，从船舶避碰到险情检测和水路风险分析。因为它们的要求更高，领域严格参数化，以覆盖导致碰撞风险的多个参数。

所有船舶领域模型的共同点是它们都受水域的影响，但是影响的程度不同。在确定容量或水路风险时，主要关注特定水域的形状、交通密度和交通模式。在避碰领域中，存在多种水域类型：狭水道、受限（但宽度足够）水域、开放水域。

船舶领域的确定方法随着时间的推移而发展，早期模型通常基于统计处理的雷达数据（Fuji和Tanaka，1971; Goodwin，1975; Coldwell，1983）。这种经验方法仍在继续，但AIS已取代雷达作为数据源和更先进的统计方法，应用于数据处理（Hansen等，2013; van Iperen，2015）。当进行船舶避碰分析时，研究人员更倾向于基于驾驶员经验、基于理论分析的方法，或者两者结合。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍和分析了船舶领域的传统定义，第3节讨论了当代不同学者所确定的船舶领域的原因、方法以及结论。第4节介绍了各船舶领域模型的应用。第5节介绍了与船舶领域研究相关的可行的方法与措施。最后，第六节的结论部分包括船舶领域研究存在的难题以及未来的发展前景。

1. 船舶领域的定义、解释及其实际应用

尽管所有研究人员都确定或提出了他们各自船舶领域模型的尺度，但是这里必须强调的是，不同船舶领域的尺度取决于它们的定义以及相关安全标准，可能会有不同的船舶间距。因此，这里提到的三种典型定义以及对它们的解释和应用将在后面部分讨论。

1971年Fuji首次提出船舶领域的术语，他将船舶领域定义为：目标船周围不允许其他船舶进入的二维区域，也可以把它当作用来躲避危险的区域。该有效领域的尺度被认为是当地船舶密度达到最大值时，其他船舶必须保持与目标船舶的距离。

随后的两篇文章也出现了类似的定义。1975，Goodwin将船舶领域定义为，驾驶员希望与周围船舶或其他障碍物保持相对安全的有效区域。1983，Coldwell将船舶领域定义为传统的驾驶员实际上与周围船舶保持的相对安全的有效区域。两者明显的区别在于，后者的定义加重了参数的比重。

总体来说，上述定义大体接近，但是多数作者以不同的方式解释，导致他们研究中使用了不同的安全标准。在实践中，根据不同船舶周围的情况采用的船舶领域，可结合图一的四种安全标准：

1. 目标船舶（TS）不应违反本船（OS）的船舶领域
2. 本船（OS）不应违反目标船（TS）的船舶领域
3. 任何船舶领域都不应受到侵犯
4. 船舶领域不应重叠，它们的区域应保持相互独立（有效间距是指每个领域所产生间距的总和）

每一个标准都有代表的研究学者，Fuji的定义意味着，让路船应该尽量不违反直航船的船舶领域，而根据Coldwell的说法，驾驶员应注意自己的领域而不是目标船的领域。至于Goodwin，文章中提到的“中心船”术语并不明确表示船舶是否应避免违反自己或目标船的船舶领域。为了避免两条船相遇时出现争议，他提出了任何船舶领域都不应该受到侵犯，支持了上述列出的第三条标准。第四条（领域不应重叠）近期也被应用（Rawson et al，2014; Wang and Chin，2016）。

这四个标准之间的实际差异十分重要，本文将详细分析。总体来说，他们的影响与领域的大小和形状同样重要，因为它主要影响船舶之间的有效间距。

前两个标准可能被认为是不对称的，即使是使用相同的领域，它们可能会导致不同的安全性判定，这取决于评估哪条船。另外两个是对称的，只要应用相同的领域，不管角度如何，对局势的评估结果就会一样。最后一个标准是迄今为止最强的标准，这里必须明确说明它不符合上面给出的任何领域的定义。根据这些定义可以知道，船舶领域是保留或应该远离其他船舶的区域，而不是其他船舶的领域（后者会表示递归定义，对于导航仪器来说是不直观的）。

遗憾的是，这四个标准，包括最后一个，都被研究人员用来比较自己的领域与他人的领域的不同，标准的不同失去了意义。即使选择了相同的领域模型，但是选择了上述不同的标准，船舶之间应保持的最小距离也不同。根据不同的作者，在实践中由于使用不同的标准，船舶领域的差异将是可比较的，有时甚至差异很大。细节将在后面提到。

为了使分析更容易被理解，我们根据Coldwell的理论假设一个船舶领域的形状和大小，领域尺寸如图二所示。

Coldwell规定不同会遇局面的领域尺度（对遇、交叉、追越）。但是他的领域没有尾部部分（这对于对遇局面来说可以理解，但对于交叉局面存在一定的问题），这个会遇领域已经根据经验进行了调整，以符合大多数研究者的总体研究趋势（尾部领域小于首部领域），如图三所示。

该船舶领域的尺度如下所述：

1. 对于追越局面：长半轴6L，短半轴1.75L
2. 对于对遇或交叉局面：长半轴5L，短半轴2.5L

此外，对于对遇合交叉局面，船舶位于椭圆中心偏左0.75L，椭圆中心偏前1.1L，因此得到的各部分的安全距离为：

1. 船首6.1L；
2. 船尾3.9L；
3. 左舷1.75L；
4. 右舷3.25L；

为了强调结果的差异，我们假设船舶的尺寸是：本船：长160m，宽20 m。 目标船：长度320 m，宽40m。

基于四种安全标准和七种会遇局面的最小间距的值如表一表二所示。我们从表一中挑选了三种会遇局面的领域模型进行解释，如图4、5、6所示。

根据当前结果，我们可以得出以下结论：

1. 应用第一条标准，可以得出目标船首部或尾部的来船相对较小的间距，当船舶位于目标船左侧（直航船）时，领域尺寸大于交叉局面，这与ＩＭＯ1972年避碰规则相符合。但是，当船舶位于目标船右侧时，领域的形状又不一样，如图５ａ所示：当目标船作为让路船，在极小的间距内超越目标船是有问题的。如果让路的目标船不采取行动，本船应采取避让行动，而不是接受当前这么小的间距。
2. 第二个标准与第一个标准类似，但对于追越船，留出了更大的空间。但是，必须注意的是，如果目标船追越本船，在这种情况下，这个标准将给出与第一个标准相同的评估。
3. 第三个标准给出了所列出所有情况的合理间距。
4. 最后一个标准给出了一个较大的间距，因此此间距是两个独立间距的总和。
5. 对于前两个标准，从两艘船的角度来看，预期的最小间距是不同的（特别是在横穿的情况下），这可能有助于对同一情况进行不同的评估。 1993年Zhao等人已经提出过这个问题，他用非对称理论分析了两条船的对于局面。当然，在实践中，两条船分析出来的结论会有轻微的不同，但是因为定义而大不相同，这不应该发生。

综合上述所有情况，可以得出结论：第三个安全标准（图1c，图4和6c）是唯一一个既安全又符合经典的船舶领域定义的标准。并且，必须强调的是，上述分析涉及到避碰规则第13至16条所提到的情形。其他的规则可能应用于港口内水域（区域特定法规和避碰规则第10条都涉及到了分道通航制）或狭窄水道（避碰规则第9条），一些船舶领域的相关研究中也考虑到了这一点。（Pietrzykowski 2008, Rawson et al. 2014, Wang and Chin, 2016）。

1. 方法，考虑因素及主要发现

表3列出了很多学者在确定船舶领域时使用的各种安全标准和方法。有两种安全标准没有在表3中列出：1975 Goodwin没有在文章中确切提到，2013 Hansen et al.的文章中也没有明确提到船舶避碰问题。至于确定船舶领域的方法，可以分为三组：基于经验、基于知识和基于安全分析。3.1-3.3部分列出了这三种分析方法的代表模型。值得一提的是，这三种方法并不相互排斥，两种或三种方法的组合是可能的。

当代船舶领域模型通常用多个影响船舶会遇的安全距离的参数来描述。对于那些基于安全分析或者专家知识得到的领域，这极其正确。这两种方法都可以分别调查每个因素的影响，这使得影响因素可以转换成模型的参数。表4、5列出了不同领域模型主要考虑的影响因素，表4列出了与船舶参数有关的因素，表5列出了环境影响因素。某些表中的“N / A”单元格表示某个因素由于领域模型的目的或不直接影响此类问题而无关紧要。

3.1、基于经验的船舶领域模型

2013年Hansen et al.将 AIS数据应用于船舶领域的确定及项目记录，他利用了丹麦水域AIS数据进行了研究，他假设一个域（图7），认为船舶领域与船长成比例，并通过强度图分析领域的形状，对船舶间距进行了可视化。对于船舶最小间距小于3500m且不可能发生交汇的情况也进行了考虑。结果显示，椭圆形领域大致与1971 Fuji and Tanaka和1983 Coldwell一致。在此之后，人们选择多种类型的水域进行船舶领域长度和宽度的确定。

我们重点关注驾驶员更倾向于选择的水域类型：

1. 一个狭窄的Drogden水道已被用来确定船舶在通航分道内没有追越情况下的椭圆领域的长轴。
2. 费马恩带海峡的主航道船舶交通和轮渡交通的交汇被用来研究的船舶交叉相遇时的船舶领域模型。

研究得到了以下的结论：

1. 船与船间或船与桥塔间的距离通常是1.4-1.8倍船长，因此选择1.6倍船长作为椭圆的短半轴。
2. 选择4倍船长作为椭圆长半轴，船舶位于椭圆中心偏后的0.5倍船长处。

只有在追越（当规则允许从两侧追越时）情况下才确定船舶左舷与右舷的安全间距，因此两舷侧的间距相等。作者认为右舷部分应比対遇和交叉局面更为宽广。他们还认为，领域尺度应取决于交通条件，如果条件允许，驾驶员会更希望间距大一些。但是，他们认为该船舶领域模型是非常适合模拟该研究水域的安全交通情势的。此外，它已被应用于估计费马恩带海峡拟建桥梁分道通航制的交通效率（Jensen等，2013）。

经验船舶领域的另一个例子是Wang and Chin, 2016针对新加坡港口与海峡特定水域提出的模型。（图8）数据来源于新加坡海事及港务管理局的船舶交通信息系统（VTIS）数据库。一共分析了624条船舶，发现2NM范围内共有264,975次船舶会遇。假设船舶领域的尺寸是船长的线性函数，是航速的二次函数，每个方向上的安全距离还取决于船舶的真北航向。利用遗传算法（GA）的校准过程，以上假设有可能获得与角度相关的、以及长度和速度系数的精确值。在这个过程中较小权重已分配给最小间距较大的船舶以减少他们对领域大小和形状的影响。该作者假设一个自由形状的不对称多边形顶点，以免受到传统的偏心圆或椭圆形状的影响。并将这个新提出的领域与圆形、椭圆形、多边形等船舶领域进行了比较。

Goerlandt et al., 2016研究另一种基于经验的船舶领域模型，作者对冰情条件下的ＡＩＳ数据进行了分析，在此研究中，护航船跟在破冰船后面。研究得出，保持与特定船舶之间的安全距离是必要的，安去距离取决于冰情。

3.2、基于知识的船舶领域模型

基于知识的船舶领域可以利用神经网络（朱等人，2001年）。朱的研究由两阶段组成：1、详细的问卷调查，收集驾驶员对不同情境下的分析。2、建立反向传播神经网络。收集导航员对各种评估的详细调查然后开发反向传播神经网络（BPNN），然后用它来概括收集的数据并将其塑造成规则。这种方法能够同时考虑本船和目标船的船长、本船的机动性、避碰规则以及天气条件。

Pietrzykowski，2008;Pietrzykowski和Uriasz，2009也使用了类似的方法，两篇文章分别致力于研究狭窄水域（图9）及开阔水域船舶（图10）的领域模型。两篇文章都可以被视为（1993）赵等人、（2001）朱等人的作品的综合及延伸，因为他们利用专家知识和神经网络确定了模糊领域。主要的方法差异是：区分两个领域的应用（这使得结果更具有针对性）和应用模糊神经网络。在船舶相关因素方面（表4）Pietrzy-kows

资料编号：[4008]