摘 要

现有船舶领域中很少涉及有动态的三维船舶领域，且传统的船舶领域较为固定，实际应用不够灵活，无法满足多种状态下的需要。在VTS监管中，更是少有结合三维船舶领域的水上交通事故预警模型。

针对上述现状，本文将解析和统计的方法相结合，从VTS值班员的角度，对不同船舶在不同环境下的运动状态提出形状为类半椭球体的动态的三维船舶领域，提高了船舶领域在VTS监管中的实用性。并在此船舶领域模型的基础上建立两种预警模型，碰撞预警模型将船舶领域模型的水平面进行一定比例的放大，搁浅预警模型将水平面向前放大并在此范围内实时判断最小水深，使预警模型也具备动态特性。在这之后随机选取宁波—舟山港中一艘船为实例，对其建立上述领域模型，验证了模型的实效性。

关键词：船舶领域；VTS；预警；三维模型

Abstract

The existing ship domain rarely involves a dynamic 3D ship domain, and because the traditional ship domain is relatively fixed, the practical application is not flexible enough to meet the needs of a variety of states. In the VTS supervision, there is little combination of 3D ship domain in the early warning model for water traffic accidents.

In the view of the above-mentioned situation, this paper combines the analytic and statistical methods to propose a dynamic 3D ship domain with semi-ellipsoid shape for the movement state of different ships in different environments from the perspective of VTS attendants, it improves the practicality of the ship domain in VTS supervision. And the two types of early warning models are established on the basis of that model. The ship collision warning model properly enlarge the horizontal plane of the ship domain model, and the ship stranded early warning model extend the horizontal plane forward and judge the minimum water depth in this range so that the early warning model also has dynamic characteristics. After that, this paper randomly selected a ship in Ningbo-Zhoushan Port as an example, and established the above-mentioned model to verify the effectiveness of the model.

Key Words：ship domain; VTS; early warning; 3D model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 船舶领域研究现状 1

1.2.2 碰撞、搁浅预警研究现状 2

1.3 研究内容及方法 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 技术方案与技术路线 4

第2章 三维船舶领域影响因素 6

2.1 环境要素的影响 6

2.1.1气象因素 6

2.1.2水文因素 6

2.1.3航道因素 6

2.2 船舶要素的影响 6

2.2.1船舶尺度 6

2.2.2船舶类型 7

2.2.3船舶操纵性 7

2.3 船员因素的影响 7

第3章 三维船舶领域模型建立 8

3.1 前期参数选用 8

3.2 建模方法比较 8

3.3 模型的建立 9

第4章 预警模型建立 14

4.1 碰撞预警模型 14

4.2 搁浅预警模型 15

4.3 小结 17

第5章 模型的应用 18

5.1 实例选取 18

5.1.1 船舶选取 18

5.1.2环境因素 18

5.2 实际模型 20

5.2.1 船舶领域模型 20

5.2.2 碰撞预警模型 21

5.2.3 搁浅预警模型 22

第6章 结论与展望 24

6.1 主要研究结论 24

6.2 展望 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着近年来船舶在向大型化、高速化和专业化发展以及航运业整体趋势，由于交通环境状况复杂，船舶交通流密度较大，港口等受限水域成为水上交通事故频发地带，船舶交通管理的难度也随之增大。船舶交通服务系统（VTS）对于增进船舶交通的安全，提高船舶的航行效率及保护航行水域环境等方面扮演了不可或缺的角色。目前，VTS值守工作模式基本上是依靠人工对若干个单元进行监控，而日益复杂的交通态势对VTS的工作模式以及值班员的工作经验、预判能力和处理方式等提出了越来越大的挑战。本文期望能够解决目前VTS预警存在的一些不足，从三维船舶领域建模、避碰与搁浅预警建模等领域进行研究，达到对常见船舶交通事故险情进行预警的主要目的，减少船舶发生避碰或搁浅的事故。

第十届船舶交通服务国际学术研讨会议^[1]及2006年海事通航航测工作会议分别对VTS提出总体要求。“其一，继续深化对海事监管规律的探索及把握，提高水上事故预防预控的能力；其二，建立健全信息发布制度，加强海事信息服务，提高VTS预警能力，增强水上事故预防的针对性；其三，积极探索以及建立适用于航运经济发展的水上预警预控应急机制^[2]”。鉴于上述要求，本文从改善船舶交通管理系统预警系统的角度出发，分析当前VTS预警系统中普遍存在的问题，通过对VTS预警系统里的船舶领域模型、船舶碰撞及船舶搁浅预警模型等关键技术进行研究，提出相应的解决思路和技术措施。本文对于VTS服务水平的进一步提升、船舶交通事故的进一步减少、水上交通安全的保障等方面，具有一定的研究价值和实际意义。

1.2 研究现状

1.2.1 船舶领域研究现状

开创海上交通工程学的著名日本学者藤井先生于1963年提出了船舶领域这一概念，契机是对某一水道的交通容量进行研究，受道路交通工程的启发，他将“船舶领域”定义为绝大多数后继船舶驾驶员驾船时避免进入其前一艘在航船舶周围的领域^[3]。在这之后，Goodwin通过在欧洲北海南部水域开展海上交通调研和利用船员培训的机会在伦敦理工学院的雷达模拟器上做船舶避碰试验，提出在开阔水域即适用于大海情况的船舶领域模型。她提出的船舶领域被定义成是一艘船舶周围的有效区域，该船驾驶员需将他船和其他无运动状态的目标隔离在该有效区域之外，并且她认为该领域是任何一艘船舶保证航行安全都需要保持的水域范围。为此Goodwin将船舶领域按船舶桅灯、舷灯和尾灯的照射角度范围划分成三个不同的扇形区来考虑。英国学者P.A. Davis等人将Goodwin模型的三个大小不等的扇形相加并将这些扇形转换成为一个同等面积的圆形从而代替成为新的船舶领域模型。这一新模型不再将本船船位定在圆心，而是向圆形左下方移动一定距离到能使分割得到的三个新的扇形仍保留之前的大小比例。英国学者 Goldwell 在对受限水域中的海上交通行为进行分析研究时，建立了当船舶处于对遇情况时的船舶领域模型，并由此证实了由藤井建立的船舶处于追越情况下的船舶领域模型^[4]。

我国船舶领域研究起步较晚，但也有了诸多成果。郭志新教授从船舶避碰的实际出发，根据《国际海上避碰规则》和船舶驾驶员在避碰行动中的习惯做法，将船舶领域涉及的范围开展量化研究，使海上航行的船舶在不同的水域能始终保留出一个安全的区域，期望达到较好的避碰效果从而减少船舶碰撞事故的发生^[5]。陈厚忠和郭国平教授分析了内河布置并列跨河桥梁通航孔的特点规律，提出了可适用于这类桥区水域的船舶领域模型，利用这一船舶领域模型，经过一系列的计算可得到部分代表船型的船舶在该桥区水域的通过能力，从而为桥区水域通航安全管理、桥梁建设以及部分海事纠纷的处理提供依据^[7]。徐周华、牟军敏、季永清等对内河船舶的船舶领域进行研究，通过借鉴二维船舶领域模型的想法，结合内河船舶操纵与船舶避碰上的特点以及内河航道的特征的基础之上，第一次提出了三维船舶领域模型的概念，这种模型适用于内河狭窄水域，通过实船操纵性试验，得出有关数据并将这些数据结合实例通过系列计算给出了部分特定船舶的桥区避碰的三维船舶领域模型的尺度^[6]。