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限制航道容量的动态模型分析

1.简介

安全是水路运输的重要优先事项。为了避免在通航水域的交通冲突，船舶必须保持彼此之间的安全区，被称为船舶领域。在过去的几十年中，船舶领域的建模越来越引起人们的关注。航道安全分析是为了进一步认识船舶如何发生的碰撞，什么是最有可能导致碰撞的航道通航环境，哪些是最为重要的碰撞的因素。发达的领域模型已经普遍被用于评估船舶碰撞的风险，以及设计和综合分析内河通航渠道和海上航道设施、船舶智能交通控制系统的发展。对策可以有效地增强识别水路运输安全（邓，2009；王，2012）。

第一个船舶领域模型是由藤井裕久和田中发达（1971）应对日本在开放水域船舶航行安全。在这个模型中，船舶领域代表的一个椭圆形的半长轴和半轴的长度设置为8和3.2倍或6和1.6倍的船舶长度。为每艘船定义l 一个椭圆形的船舶域，这指导船舶保持间隔安全的距离，足以让船舶船员采取适当的行动，以避免碰撞的触发。古德温和坎普（1975；1977）提出了一个扇形领域模型来研究在北海南部基于由碰撞实验雷达模拟器生成的数据的水域的海上交通。在古德温和坎普模型中，船舶领域的定义是112·5°，112·5°和135°的三扇形区，以船舶的重心的0.7英里，0.85英里，0.45英里的半径。受益于此，藤井裕久模型、德和斯潘斯（1977）引入了一个新模型，还创建了一个椭圆形船舶领域，船舶的位置向后移动，船舶的头以一定角度转向端口，构成该地区的右舷、左舷和船尾比例的三个圆形的古德温（1977）的模型。为了解决船舶行为的差异，藤井裕久（1981）还建造了一个长卵形域模型修改的椭圆形的域模型。由于古德温模型中的三个圆形的边界建立了不同半径的边界不是一个光滑的曲线，它已显著限制了模型的实际应用。为了克服这个限制，戴维斯等人（1980；1982）利用模拟数据对该模型进行精细化，以创建一个由古德温模型建立的圆形船舶区域。

近年来，船舶领域建模的重点是解决船舶运营商的行为避免船舶碰撞的问题。例如，毕（2000）和毕等（2003）发展动态的避免碰撞船舶领域模型，有助于确定船舶领域的边界变化与碰撞风险的阈值。Smierzchalski和Michalewicz（2000）和Smierzchalski（2001）介绍了由船的速度和循环参数决定的六边形的船舶领域模型。该模型使用进化算法便于优化船舶的路径来避免碰撞。孙（2000）提出了一个船舶域模型来从防撞和安全导航的角度处理差的能见度。郭（2001）分析了交叉和追越的情况下，整体考虑船舶动态船舶领域边界，操船者的心理素质和航道条件。木岛和古河（2001；2003）构建了一个新的船舶领域模型，可以建立一个障碍区和可见区，当可见区可用于保护的警告时，障碍区则相反。Pietrzykowski和Uriasz（2004）提出了一个多边形的船舶领域模型使用来自不同方向的船舶的经验离散数据取得船舶碰撞风险评估。此外，Pietrzykowski和Uriasz（2006；2009）引入了模糊领域模型来有效地处理一个航道所需的安全水平的通航条件。Lisowskiet（2000）、朱等（2001）和Pietrzykowski（2008）王等人（2011）基于模糊理论和神经网络对船舶领域模糊边界进行了分析。王（2009），王（2010；2013），刘（2014）和徐（2014）提出了一个统一的分析框架，以提高现实全球模型的可操作性的四元船舶域模型。

虽然船舶领域模型的发展一直专注于船舶碰撞风险评估和寻求对策，以实现在公海避免碰撞，也努力使船舶通过限制航道时确保船舶的安全航行。在这方面，歌薇（1983）提出了一种适用于限制水域船舶行为的船舶领域模型。佳（1989）和温等（2013）提出了一种变椭圆型船舶领域模型，该模型与船舶的长度和宽度成正比，在拥挤的水通道中，与船舶的长度和宽度成正比。徐等（2004）介绍了一种三维域模型，可以很容易地处理航道水深和垂直间隙的限制。陈、郭（2008）提出了一种用垂直间隙限制桥高度的垂直间隙的船舶领域模型。对于特殊用途船舶领域，郭（2011）根据船舶操纵模拟和风险评估标准进行经济航道宽度研究超大型液化天然气船。此外，文等（2013）根据船舶碰撞危险性和风险评估标准，定义了液化天然气运输安全区的宽度。研究表明，船舶交通流的分布、位移和航行速度取决于液化天然气船的移动安全带宽度。

1.1船舶领域的探讨

根据文献综述，现有的研究船舶领域的方法可分为统计方法、解析表达式和智能技术。

在20世纪80年代以前，在船舶领域的研究中，通常采用统计分析或聚类分析方法。这一数据来源于基于雷达模拟器的海上交通调查或实验，分析了基于概率方法的数据，并确定形状和基于交通密度考虑研究水域的船舶领域的大小，船的大小、速度和碰撞法规（国际海上避碰规则）。在这一时期，研究的基础是定性的方法，不考虑人为因素，环境和船舶性能，并且模型是采用了完全不同的形状和大小。

为了避免定性方法的不足，专家学者用解析表达式对船舶域进行建模。这把位置、速度、方向、自己船舶和他船作为输入和输出的大小船舶领域的特点，计算出最小距离的船舶屏障的基于船舶操纵运动方程的安全导航，转向模型和速度模型，进而确定不同方向的船舶领域的大小。与统计方法所确定的领域相比，它在量化的船舶领域的基础上考虑船舶性能的边界。然而，分析表达式模型不能满足复杂环境中的船舶领域的要求，它们忽略了人为因素和环境的影响。

近年来，专家和学者引入智能化技术揭示海洋交通调查与船舶领领域、人为因素和环境的关系。其中包括神经网络、复杂网络、细胞自动机、智能代理等现有研究只对船舶参数和经验数据构造简单的测验，而人的因素、通航环境等复杂因素尚未考虑。

1.2动机与学习目标

虽然船舶领域模型的开发大大有益于在开放水域和限制航道的船舶的安全作业，但它们也有一定的局限性。特别是，在考虑船舶领域计算的形状和大小主要是根据在开放水域收集的数据进行数值模拟。这样的数据不同于船舶操作限制航道和真实环境。同时，船舶经营者不同的船舶操纵技能水平都没有被纳入船舶领域模型。无法考虑到真实的限制水、船舶的形状和大小和运营商的技能，现有的船舶领域模型将不可避免地影响模型分析结果的精度和准确度（周，2012）。这促使开发新的船舶域模型，使用更适合于限制水通道的数据，并明确定义船舶领域的形状和大小，使改进的模型可以用来进行限制航道的设施设计和交通运营分析。

本文的其余部分内容如下。第2节简要介绍了限制航道的船舶行为的特点，并介绍了拟建立的动态船舶领域模型。第3节论述了天津港限制航道的模型应用。第4节比较了不同方法的航道容量估计的结果。最后，第5部分总结和归纳。

2.提出动态船舶领域模型

2.1限制水域中典型的船舶航行运动

一般而言，船舶航行行为的目的是不损害船舶安全性能的前提下保持最高的船舶流动性。具体而言，船舶的行为可能是指适当的导航和操纵船舶避免碰撞。在这种情况下，船舶行为的关注，不仅是一个单一的船舶的行为。在一定范围内，它涉及多艘船舶在一定范围内的航行行为，以保证航道安全。

对于受限制的航道，船舶航行行为主要可以分为四类：一是在航道中航行；二是交叉航道；三是另一种流的汇入；四是掉头。如图1所示，沿航道航行的船舶应沿主航道方向进入或离开内河航道。交叉航道是指船舶受从限制航道的一个侧面到接近垂直角度的另一边。另一种流的汇入是从一个特定的角度到达航道和合并成一个交通流下的航行规则。掉头导致了航道容量减少，在与船舶在码头前沿的转向运动有关。动态船舶领域模型分别定义为这些类别的航行。

图1 典型的船舶导航分类

从流体力学的角度来看,沿着航道领域为船只导航的形状被广泛承认是一个椭圆,最具代表性的模型是藤井裕久模式。本文将船舶沿航道航行的领域的形状设为一个椭圆,然后构造他船航行运动模式下基于椭圆的模型。

2.2船舶航行通道的领域模型

船舶在航道上航行时，需要在同一纵向方向行驶的船舶保持最小安全距离。这定义了船舶航行领域的主要轴。对于分道的航道，在航道上的船只需要保持与其他船只在相邻的航道上的安全距离，这决定了这艘船的短轴领域。

停车视距范围可以被引入来以确定船舶领域沿航道的主要轴航行。在道路交通工程中，停车视距范围是指当司机看到障碍或前车停车时制动的最小距离。停车视距范围包括反应距离、制动距离和安全距离。

图2 船舶航行的动态船舶领域

类似地，船与前船沿航道航行时也有停车视距范围。因此，船舶的停车视距范围可以定义为：

S=S₀ S₁ S₂

S₁=vt

S₂=v²/2a

其中S是船舶的停车视距范围，S0是约四分之一的船舶长度的安全距离，S1是操船者的反应距离，S2是船舶的制动距离，V是船舶的初速度，t是船舶操作的响应时间，a是在这艘船的制动率。

航道通航标准规定船舶在前方或后方的安全距离，规定的安全距离可作为船舶航行的主要轴线。

船舶航行在航道上的短轴线可根据航道设计指引、海上港口总体规划的设计规范和适用于受限水域的设计规范。

如图2所示，纵向和横向的船舶领域分别定义如下：

Anav=S0 S1 S2

Wnav=A c

Anav是长轴，Wnav是短轴，A是轨道的宽度，C是安全宽度。

船舶域模型提出如上所述的大小不同的船舶领域的船舶沿航道航行决定于船舶在纵向的船舶长度和横向的安全宽度的基础上。这反而有助于创造航行在受限水域航道的安全间距标准。它也将协助制定限制航道的设计规范，以安全地适应预计船舶交通流量。

图3追越时的吸力，图4追越过程

追越时船舶领域的短轴应考虑船舶之间的相互作用。如图3所示，船舶之间的横向距离应保证吸力不影响航行安全。船到达的时间交汇点（O）应该超过船B。如图4所示，船舶超越领域的短轴可以计算如下：

T_shipA是船A到达交汇点（O）的时间；T_shipB是船B到达交汇点（O）的时间；L_shipA是船A的长度；L_shipB是船B的长度；V_shipA船是船A的速度；V_shipB船是船B的速度；d是安全的横向距离；alpha;是船A和船B方向的夹角；K是船A和船B的速度。

因此，船舶纵向和横向的船舶领域追越分别定义如下：

2.3穿越航道的船舶领域模型

船舶穿越航道如图5所示，船舶穿越领域被定义为另一艘船舶不能进入该船舶的虚拟领域的船舶的安全水域，说明船舶穿越航道红色虚线范围（它被认为是穿越沿航道航行的船舶的领域）。这表明穿越船舶航行在沿航道航行的船舶附近的时间应该比穿越船舶穿越主航道的时间更长。

图5 穿越航行的船舶领域动态模型

穿越领域的尺度可以确定如下：

A_cro是长轴，W_cro是短轴，Dⁱⁿ是从来船的安全距离，D^out是从驶离的船舶的安全距离，theta;是主航道1和穿越领域的主要轴线的交角，A_nav-1是沿主航道1航行的船舶长轴，A_nav-2是穿越航道2领域的船舶长轴，D_cro是穿越航道2的宽度，L_cro是船舶长度，B_cro是船舶宽度，V_navⁱⁿ 是入流船的航行速度，V_nav^out是出流船的航行速度，W_channel是航道1的宽度。

该模型考虑了穿越主航道的船舶航行的影响，操船者必须判断交叉口的安全。同时，航行在主航道或穿越航道的同一方向的船舶领域仍然可以使用沿航道航行的船舶领域模型。

2.4“另一个流汇入”的船舶领域模型

在另一个航道汇入一个交通流，一般情况下，“另一个流汇入”可分为2种类型。第一类不需要通过反向流量，而第二类则需要穿越反向流量。

如图6和图7所示，另一个流连接的领域被定义为另一个船舶不能进入该船舶的虚拟域的安全水域，以黑色虚线范围说明（它被假定为域的交叉船舶航行沿通道）流汇入。这表明沿航道航行的穿越船舶抵达汇入点的时间应该比西药加入流的这艘船的时间更长。

图6 船舶在不影响反向流时加入另一个流的动态船舶领域

图7 船舶加入反向流影响反向流的动态船舶领域

如图6所示，不需要通过反向交通流的船只加入另一个流的安全领域可以被确定如下：

图8 船舶转向影响单项交通的类型

A^a_join是长轴，W^a_join是短轴，V_navⁱⁿ是入流船舶的速度，T_join加入流时间，A_nav-1是沿主航道1航行的船舶长轴，A_{nav-2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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