IWRAPMKII軟件在長江口水域船舶碰撞和擱淺風險評估中的應用

黃 純， 陳國偉， 柴 田

(1. 東海航海保障中心 上海航標處， 上海 201208; 2. 大連海事大學 環(huán)境科學與工程學院， 遼寧 大連 116026; 3. 集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021)

IWRAPMKII軟件在長江口水域船舶碰撞和擱淺風險評估中的應用

黃 純1， 陳國偉1， 柴 田2,3

(1. 東海航海保障中心 上海航標處， 上海 201208; 2. 大連海事大學 環(huán)境科學與工程學院， 遼寧 大連 116026; 3. 集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021)

為更好地了解長江口水域船舶碰撞和擱淺風險，采用IWRAP MK II軟件對該水域的船舶碰撞和擱淺風險進行評估。評估結果顯示：該水域船舶發(fā)生碰撞事故的頻率為21.05起/a，發(fā)生擱淺事故的頻率為2.298起/a，與該水域2010—2015年發(fā)生船舶碰撞和擱淺事故頻率的平均值21.8起/a和1.8起/a吻合度較好。研究結果表明，該軟件可用于評估港口水域船舶碰撞和擱淺風險，為評價水域船舶碰撞和擱淺風險提供了一種新途徑。

水路運輸； IWRAP MK II軟件； 碰撞頻率； 擱淺頻率； 致事故系數(shù)

Abstract: The Yangtze River Estuary Area is one of the busiest marine traffic area in China. The IWRAP MK II software is used to evaluate the risk of ship navigation in the waters. According to the results of the assessment, the vessel collision frequency is estimated 21.05 per year and the vessel grounding frequency is estimated 2.298 per year in the area. The evaluation results are in good agreement with the actual statistics, the vessel collision frequency 21.8 per year in average and the vessel grounding frequency 1.8 per year in average during the period from 2010 to 2015. This suggests that the IWRAP MK II software can be used to evaluate the risk of ship navigation in port waters as a new approach.

Keywords: waterway transportation; IWRAP MK II software； collision frequency； grounding frequency； causal factor of accident

長江出?？谑沁M出長江沿岸各港口的必經水域。近年來上海國際航運中心建設不斷推進，長三角地區(qū)經濟迅速發(fā)展，長江沿線港口貨物吞吐量屢創(chuàng)新高。長江沿線港口貨物吞吐量的持續(xù)增長致使長江口水域船舶交通量不斷增加、通航復雜度不斷提高，這勢必會增大該水域船舶發(fā)生碰撞和擱淺的風險。對此，需客觀、科學地評價長江口水域船舶發(fā)生碰撞和擱淺的風險，以保證船舶安全航行。

楊曉東等[1]在對2004—2006年船舶碰撞事故進行統(tǒng)計分析的基礎上，給出上海港及其附近水域船舶碰撞事故的地理分布、特點及發(fā)生原因，并提出有針對性的預防措施。吳春杰等[2]在船舶交通流實測的基礎上，用計算機技術對長江口水域船舶交通風險進行評估，指出該水域船舶交通風險是動態(tài)變化的，同時評估出該水域有3個船舶航行風險高危區(qū)域。孫超等[3]使用綜合風險評估方法，結合實測及歷史挖掘數(shù)據(jù)對長江口外高橋水域船舶交通環(huán)境進行評估，識別出該水域的主要風險源及風險特征。張金奮等[4]以長江口2006—2010年的船舶事故數(shù)為基礎，使用正態(tài)和對數(shù)正態(tài)分布對事故數(shù)量進行擬合，探尋長江口水域事故發(fā)生時間和空間的規(guī)律性，并給出該水域水上交通安全的總體形勢。

以上研究均可為水上安全管理部門制訂船舶風險管理和控制措施提供參考。這里運用國際航標協(xié)會(International Association of Lighthouse Authoriies, IALA)推薦的風險評估工具IWRAP (IALA Waterway Risk Assessment Program)MK II軟件，在獲取長江口水域大量船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)交通流數(shù)據(jù)的基礎上，對該水域的船舶碰撞和擱淺風險進行定量評估。

1 IWRAP MK II軟件簡介

SOLAS公約第V章第12條和第13條指出：“各締約國政府在其認為可行和必要時，根據(jù)交通量和危險程度的需要，單獨或與其他締約國政府合作提供船舶交通服務和助航設備。”為更好地履行SOLAS公約相關要求，IALA組織相關成員國政府開發(fā)港口及受限水域風險管理工具，并建議各成員國使用IALA關于港口及受限水域的風險管理工具對其所轄水域船舶碰撞和擱淺風險進行評估。

IALA風險管理工具包括以下2個模型：

1) 由美國海岸警衛(wèi)隊開發(fā)的定性風險評估模型，即港口水域安全評估(Port And Waterway Safety Assessment，PAWSA)模型。

2) 由加拿大海岸警衛(wèi)隊與丹麥科技大學聯(lián)合開發(fā)的定量風險評估模型(IWRAP)。

在FUJII等[5]和MACDUFF[6]研究的基礎上，根據(jù)IWRAP獲取船舶碰撞和擱淺頻率模型的計算方法，即

F=NaPc

(1)

式(1)中：Na為可能發(fā)生碰撞或擱淺事故的船舶數(shù)；Pc為致事故系數(shù)。

IWRAP軟件可根據(jù)研究水域的船舶交通量及其特征參數(shù)計算出船舶在某一特定航線上航行時發(fā)生碰撞和擱淺事故的頻率。作為測試版，該軟件初期在博斯普魯斯海峽、坦帕灣及圣勞倫斯河部分航段得到成功應用。隨著該軟件進一步推廣使用及避免高估船舶發(fā)生碰撞和擱淺事故的頻率，IALA組織人員對該軟件進行改進，于2007年正式推出第二代IWRAP軟件，并將其命名為IWRAP MK II。2007年4月在馬六甲海峽對該軟件進行測試，測試結果與實際情況較為一致。

IWRAP MK II軟件能量化研究水域船舶碰撞和擱淺事故發(fā)生頻率，進而評估船舶碰撞和擱淺風險水平。通過定量評估發(fā)生船舶碰撞和擱淺的頻率來比較不同航道或航線的風險程度，從而對港口水域或航線進行優(yōu)化布局。

2 船舶碰撞和擱淺頻率建模

2.1潛在碰撞船舶數(shù)量計算模型

在利用IWRAP MK II 軟件計算船舶碰撞事故頻率時，碰撞被分為發(fā)生在直線航段上的碰撞(包括追越和對遇碰撞)和發(fā)生在交叉航線上的碰撞(包括交叉碰撞、匯合碰撞和彎道碰撞)2類。

2.1.1直線航段潛在碰撞船舶數(shù)量計算模型

2.1.1.1 對遇潛在碰撞船舶數(shù)量計算模型

在順直雙向航道上，可能發(fā)生對遇碰撞事故的潛在船舶數(shù)量的計算式為

(2)

(3)

(4)

2.1.1.2 追越潛在碰撞船舶數(shù)量計算模型

(5)

圖1 雙向航道中船舶潛在碰撞數(shù)量估算模型

2.1.2彎曲航段潛在碰撞船舶數(shù)量計算模型

圖2為2條交叉航路船舶碰撞風險區(qū)域。在2條相互交叉的航路中航行的船舶在一定范圍內存在潛在碰撞風險的船舶數(shù)量的計算式為

(6)

圖2 2條交叉航路船舶碰撞風險區(qū)域

2.2潛在擱淺船舶數(shù)量計算模型

在利用IWRAP MK II 軟件計算潛在擱淺船舶數(shù)量時，擱淺被分成操縱性擱淺和漂移性擱淺2類。

1) 操縱性擱淺：由于航行錯誤或船員缺乏警惕性造成擱淺(第I類)。

2) 漂移性擱淺：由于操作或推進裝置失效，船舶失去自航能力，在得到有效的拖拽或維修之前擱淺(第II類)。

船舶在兩側分布礙航物的航道上正常航行，可能發(fā)生第I類和第II類擱淺事故情況見圖3。發(fā)生第I類和第II類擱淺事故的船舶幾何數(shù)的計算式為

式(7)和式(8)中：ai為駕駛員2次定位的平均距離；d為障礙物與航線轉彎處距離，與船舶航跡分布有關；i為船舶種類；fi(z)為船舶航行軌跡與航道中線垂直距離的分布函數(shù)，即航道中船舶交通概率密度函數(shù)；NI為每年發(fā)生第I類擱淺事故船舶數(shù)量的期望值；NII為每年發(fā)生第II類擱淺事故船舶數(shù)量的期望值；Pc,i為致事故系數(shù)，既可是船舶擱淺事故數(shù)量與該航線上航行船舶總數(shù)的比值，又可取經驗值(見表1)；Qi為航道內每年通過的發(fā)生第i類擱淺事故的船舶數(shù)量；z為與航道中線垂直的坐標；Zmin和Zmax為障礙物橫坐標。通過對式(7)和式(8)進行積分可計算出發(fā)生第I類和第II類潛在擱淺的船舶數(shù)量。

圖3 給定航線上的航行船舶發(fā)生第I類、第II類

2.3船舶碰撞和擱淺頻率估算

根據(jù)F=NaPc，在計算得到潛在碰撞和擱淺船舶數(shù)之后，將該潛在船舶數(shù)Na乘以致事故系數(shù)Pc即可計算出研究水域中船舶發(fā)生碰撞和擱淺事故的頻率。Pc與眾多因素有關，為簡便起見，IWRAP MK II 軟件中默認的致事故系數(shù)的取值見表1。

表1 IWRAP MK II軟件中默認的致事故系數(shù)取值

3 應用實例

采用IWRAP MK II軟件對長江口水域船舶碰撞和擱淺風險進行評估。

3.1長江口水域地形數(shù)據(jù)建模

根據(jù)Google地圖并結合長江口水域近期海圖構建包含島嶼、淺灘、暗礁和陸地的評估水域地形圖。同時，采用IWRAP MK II軟件提供的多邊形工具對評估水域進行各類地形建模(見圖4)。

圖4 長江口水域地形建模圖

3.2不同航段交通流分布建模

地形數(shù)據(jù)建模完成之后，開始對航段交通流進行建模。該風險評估水域涉及到的航道主要有長江口深水航道北槽航道、外高橋航道、寶山航道、南槽航道(下段和上段)及南支航道等。采用IWRAP MK II軟件計算得到的船舶碰撞和擱淺頻率與航道寬度、航道彎曲程度、航道兩側礙航物分布及航道內交通流分布密切相關。因此，為精確計算長江口水域船舶碰撞和擱淺風險，將研究水域細分為25個航段。細分后的25個航段具有航道寬度基本上一致、航道順直、航道兩側礙航物分布均勻和航段內截面交通流分布差異小等特點，幾乎涵蓋長江出口水域所有航路。為計算航段內船舶碰撞和擱淺的頻率，截取25個斷面2015年前3個季度的AIS交通流信息，并分別對各個斷面的AIS交通流信息進行處理，進而獲得交通流量、速度、船舶尺度和交通流分布特征信息等參數(shù)。

若所研究航段的船舶交通流分布為典型的正態(tài)分布，則采用IWRAP MK II軟件計算發(fā)生潛在碰撞和擱淺的船舶數(shù)量最為方便。然而，實際中的船舶航跡分布并非典型的正態(tài)分布，這就需要對交通流分布進行擬合，將其與IWRAP MKII軟件提供的6種交通流分布函數(shù)進行比對，選擇最為接近的交通流分布函數(shù)進行計算。圖5為航段7的交通流分布設置圖，圖6為航段4船舶平均速度分布。

3.3評估結果與分析

在地形、航道及交通流分布相關信息建模完成之后，對研究水域的船舶碰撞和擱淺風險進行評估。圖7為長江口水域分析結果視圖，可看出長江口水域船舶發(fā)生碰撞事故的頻率為21.05起/a，發(fā)生擱淺事故的頻率為2.298起/a。圖8為長江口水域船舶碰撞和擱淺風險空間分布，從該圖中可看出長江口水域船舶碰撞和擱淺率故高發(fā)航段為外高橋航道(圓圓沙警戒區(qū)至吳淞口警戒區(qū))航段、南槽航道上段九段沙警戒區(qū)至A38燈浮附近水域、南槽航道上段A43燈浮附近水域至圓圓沙燈船附近水域及長江口深水航道北槽航道D12燈浮附近水域至D35燈浮附近水域。長江口水域2010—2015年發(fā)生船舶碰撞和擱淺事故頻率的平均值分別為21.8起/a和1.8起/a。該水域2010—2014年事故位置見圖9，采用IWRAP MK II軟件所得評價結果與實際情況的吻合度較高。

圖5 長江口水域航段7的交通流分布設置圖

圖6 長江口水域航段4的船舶平均速度分布

圖7 長江口水域分析結果視圖

圖8 長江口水域船舶碰撞和擱淺風險空間分布

圖9 長江口水域2010—2014年事故位置

4 結束語

應用IWRAP MK II軟件對長江口水域船舶碰撞和擱淺風險進行評估。評估結果表明:在該水域的25個航段中，有7個航段的危險度在紅色危險等級及以上，其中外高橋航道(圓圓沙警戒區(qū)至吳淞口警戒區(qū))航段的船舶碰撞和擱淺風險最高;船舶事故發(fā)生頻率和事故地理分布與實際情況較吻合。IWRAP MK II軟件可用于評估港口水域船舶碰撞和擱淺風險，評估結果可為海事管理部門完善港口水域船舶交通服務設施和助航設備的配置提供參考。

[1] 楊曉東,蔣衛(wèi)東.上海港及附近水域船舶碰撞事故分析及對策[J].中國航海,2008,31(2):148-151.

[2] 吳春杰,胡甚平,陳錦標.吳淞口水域船舶交通風險的模擬分析與評估[J].中國航海,2009,32(2):62-67.

[3] 孫超,夏大榮,張錦朋,等. 外高橋水域通航環(huán)境風險評價[J].中國航海,2012,35(2):68-71.

[4] 張金奮,嚴新平,陳先橋,等. 基于概率分布的長江干線水上交通事故分析[J].中國航海,2012,35(3):81-84.

[5] FUJII Y, TANAKA K. Traffic Capacity [J]. Journal of Navigation, 1971,24(4):543-552.

[6] MACDUFF T. The Probability of Vessel Collision [J]. Ocean Industry, 1974(9):144-148.

IWRAPMKIISoftwareApplicationinShipCollisionandGroundingRiskAssessmentinYangtzeRiverEstuaryArea

HUANGChun1，CHENGuowei1，CHAITian2,3

(1. Shanghai AIDS to Navigation Department, Donghai Navigation Safety Administration, Shanghai 201208,China; 2. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. Navigation Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

柴 田(1981—)，男，安徽阜陽人，博士生，主要從事海上交通安全和防污染研究。E-mail:chaitian2006@163.com

U676.1

A

2016-12-09

福建省教育廳資助項目(JA09147)；李尚大集美大學學科建設基金(ZC2010010)

黃 純(1963—)，男，上海人，高級工程師，主要從事航標管理研究。E-mail:hch1963@126.com

1000-4653(2017)01-0079-04