载运工具运用工程硕士论文船舶实时航行安全指数研究.doc

学校代码：10254密 级：论文编号：上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY硕士学位论文MASTER DISSERTATION论文题目：船舶实时航行安全指数研究 学科专业： 载运工具运用工程 作者姓名： 指导教师： 完成日期： 二O O九年六月 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名： 日期： 论文使用授权声明本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名： 导师签名： 日期： 摘 要船队规模的迅速壮大、船舶类型的多样化、大型化、高速化，以及交通的拥挤、桥梁的建设、港湾设施的增加等等，导致航行环境发生了较大的变化，围绕船舶航行环境发生的变化，对于在这一环境条件下来完成安全高效操船任务的操船者来说，其压力很大，作为操船人员更渴望实时知道船舶的航行状态是否安全，从而采取有针对性的措施进行改善。再则随着人们对安全水平的要求越来越高，传统上静态的安全评价研究也早已不能满足人们的需求。为此，为了预防和减少海难事故的发生，实现安全、高效的海上运输，除了提高船舶驾驶人员专业技能、改善船舶性能、加强管理外，还要对船舶航行状态是否安全进行动态、实时的研究。首先定义“船舶实时航行安全指数”（Real-time Navigation Safety Index，NSI）是一种动态、实时反映本船在某一可航水域的安全程度，是在综合考虑本船的运动特性、航向、航速、位置、周围环境以及水文气象等条件下，将比较抽象的船舶航行安全程度量化，并采用数值形式表示，其范围是01。在这些影响船舶实时航行安全指数的诸因素中起决定作用的是本船到危险目标的距离、DCPA和TCPA。由于距离和TCPA可以通过相对速度联系起来，于是首先考虑NSI随距离变化的情况，然后再把其它影响因素考虑进去，得到符合实际情况的船舶实时航行安全指数。根据“船舶实时航行安全指数”的定义构建相应的模型，确定模型的系数和参数是难点，尤其是最小安全会遇距离、注意会遇距离和行动距离等参数的确定，而这些参数都是模糊的概念，影响它们的因素有：船舶密度、气象条件、可航水域和船舶性能等。为此本文采用属性数学理论的方法分别加以确定。根据构建的实时航行安全指数模型，通过具体的算例加以验证，对实时航行安全指数的计算结果进行深入分析，并咨询相关专家，得到的结论是：根据本文构建的实时航行安全指数模型求得的实时航行安全指数基本上能够反映船舶航行的安全状态。最后通过计算机模拟仿真的方法，把实时航行安全指数实时、动态显示在实时航行安全指数系统的界面上，指导驾驶员安全驾驶。 关键词：实时航行安全指数，属性数学，船舶领域，最小安全会遇距离，行动距离， ABSTRACTWith the rapid growth of shipping industry, great changes have taken place in the navigation environment, which results from the diversification of the ship types, the large-dimension and high-speed of the vessels, as well as the traffic congestion, building bridges, increasing harbor facilities and so on. Those navigation environmental changes have put great stresses on the ship-handlers to complete the task safely and efficiently. It is important for them to know the navigation condition timely and exactly, so they can take effective actions to ensure the safety of ships navigation. Furthermore, as people now have become increasingly demanding on the safety level, the traditional static safety assessment study cannot meet people's needs any more. In order to prevent and reduce the incidence of sea accidents and achieve safe and efficient maritime transportation, we should not only increase the level of the ship-handlers, improve the ships performance and enhance safety management, but also do much dynamic and real-time study on ships navigation safety conditions.First, NSI (Real-time Navigation Safety Index) reflects a ships safety degree dynamically and timely in the navigable waters, which gives comprehensive consideration of the characteristics of ship's movement, course, speed, position, as well as the surrounding environment, such as hydro-meteorological conditions. We quantify the relatively abstract navigation safety index by using of numerical form, which ranges from zero to one. Of all those factors affecting the ships NSI, the target distance, DCPA and TCPA are the most determining ones. Because the distance and TCPA can be linked by relative speed, firstly we consider the NSI changes with distance and then consider other factors. And finally, we get the actual situation to be in line with the NSI. We build mathematical model according to the definition of the “Real-time Navigation Safety Index”, and the difficulties lies in determining the coefficients and parameters of the model, especially to fix the parameters of minimum safety meeting distance, attention meeting distance, and action distance. All of those parameters are fuzzy concept, which can be affected by the ship density, weather conditions, navigable waters, ship performance and so on. To this end, this paper introduces attribute recognition theory to fix on those parameters respectively. According to the real-time navigational safety index model built in this paper, we in depth analyse the calculation results of NSI, and verify it through the specific examples, and further more, we consult some relevant experienced experts, then we get the final conclusion that the NSI getting from the rea-time NSI model in this paper can basically reflect the safety status of ships.Finally, relying on computer simulation, we can timely and dynamically show the NSI on the interface of the NSI system, which can correctly guide the officers to navigate ship with safely. YangYang(Vehicle Utilization Engineering)Supervised by Associate Prof. Jin Guozhu and Prof. Xiao Yinjie KEYWORDS: real-time navigation safety index，attribute recognition theory，ship domain，minimum safety meeting distance，attention meeting distance目 录摘 要IABSTRACTII引 言1第一章 概述21.1 研究背景21.2 研究内容和意义31.3 国内外研究现状51.4 本文的篇章结构6第二章 船舶领域与危险目标信息获取82.1 船舶领域82.1.1 船舶领域的研究现状82.1.2 船舶领域在避碰中的应用82.1.3 船舶领域模型92.2 本文所用船舶领域模型132.3 危险目标的定义162.4 危险目标位置信息的确定162.4.1 移动危险目标位置信息的确定172.4.2 固定危险目标位置信息的确定192.4.3 船舶富裕水深的确定23第三章 船舶实时航行安全指数模型253.1 安全和指数的概述253.1.1 安全的定义253.1.2 指数的定义253.2 船舶实时航行安全指数的定义263.3 实时航行安全指数研究的事故类型273.3.1 水上船舶交通事故现状分析273.3.2 研究的事故类型293.4 船舶实时航行安全指数的意义323.5 船舶实时航行安全指数模型333.5.1 确定船舶碰撞危险度的方法333.5.2 船舶实时航行安全指数模型的确定36第四章 实时航行安全指数模型相关参数确定404.1 属性理论概述404.2 属性识别模型414.2.1 指标属性测度分析414.2.2 属性识别分析434.3 指标权重确定434.3.1 指标主观权重的确定434.3.2 指标客观权重的确定464.3.3 指标综合权重的确定464.4 最小安全会遇距离和注意会遇距离的确定474.4.1 最小安全会遇距离和注意会遇距离影响因素分析474.4.2 各因素等级划分表534.4.3 最小安全会遇距离和注意会遇距离的确定544.5 行动距离的确定594.5.1 行动距离的确定方法594.5.2 航向改变率临界值和航速改变率临界值的确定61第五章 实时航行安全指数计算机模拟695.1 数据来源及获取695.1.1 交通密度的计算695.1.2 其他评价指标数据的获取705.2 实时航行安全指数的计算机模拟705.2.1 计算机模拟流程705.2.2 实时航行安全指数的模拟71第六章 结束语776.1 总结776.2 展望78致 谢80参考文献81攻读硕士学位期间的科研工作和论文发表情况85附 录86引 言海洋早已成为世界各国交通运输、发展贸易、互通有无、增强友谊的一条纽带。统计表明：到目前为止大约90%95%的世界商贸、2/3的石油和天然气都通过海洋运输,可见海上运输在国际贸易和经济发展的过程中扮演着举足轻重的地位。近年来，随着各种新技术、新材料、新设备广泛应用，海上交通事故的发生率有所减少，并维持在一个相对较为稳定的水平上，但由于船舶的大型化、高速化，一旦发生碰撞、搁浅、触礁等事故，其产生的破坏性将是空前的，这不仅给人类生命、财产造成了极大的损失和威胁，而且对海洋生态环境构成了严重威胁。统计资料也表明，尽管海上交通事故总量有所减少，但产生的经济损失、人员伤亡、环境污染却成上升的趋势，这也再次证明海上航行安全的形势仍不容乐观。人们也意识到了海运行业的风险，对于造成海事的原因需要有更进一步的认识，对于事物的本质规律需要有更加科学的把握。我国也早已把交通安全提到了战略高度，在国家安全生产发展规划纲要2004-2010中明确提出各生产领域中的安全生产分类目标、监管体系建设目标等重要规划内容。“国家中长期科学和技术发展规划战略研究”中交通科技问题子专题研究指出：依靠科技创新，优先解决交通安全问题，改善交通安全状况。随着人们对安全水平的要求越来越高，传统的静态安全评价，已不能满足人们的需求，对于海航这个高风险的行业，更是这样。船舶的安全航行是这个环节的最重要一环。当船舶在海上航行时，船舶的航行状态是否安全？安全的程度如何？是每个驾驶员都最关心的问题。如何对船舶航行安全状态进行动态评价，并把评价结果实时、动态的反馈给船舶驾驶人员，然后对评价结果进行判断，如不安全，显出不安全的程度，并能够把影响的主要影响因素识别出来，反馈给驾驶员，指导其采取有针对性的措施，避免事故的发生。这种理念必将成为未来航海安全研究工作的趋势。第一章 概述1.1 研究背景海上运输历来都被认为是高风险的行业，虽然事故发生率比陆地上的汽车事故率低得多，但是其事故造成的财产损失、人命和环境污染却远远高于陆上交通。1978年3月利比里亚籍超级油轮AMOCO CADIZ号在法国布里塔尼海域舵机损坏，救助不及时而触礁断裂，22万吨原油溢出，污染了180公里的海岸，损失数亿美元1。1999年11月的“大舜”号客货滚装船在从山东烟台驶往辽宁大连港途中失火，造成了280人的死亡。2007年4月5日，“海洋钻石号”邮轮在爱琴海桑托林岛附近触礁。2007年5月14日，“北方皇后”在阿拉斯加东南部朱诺市西南方约15英里处触礁搁浅。在现在航海仪器先进，导航定位非常准确的情况下，还是会有搁浅触礁事故发生。所以，在这些事故发生之前，给予相关人员以预警，是很有必要的。从事故类型的角度进行分析，尽管各国在海事研究统计分类方法中的分类有所不同，但是碰撞、搁浅都是其中的重要分类。实际统计表明，该二类海事在海事总数中所占比例较大。图 1-1 图1-1是2007年香港海事监管部门对香港水域内和香港水域外事故统计资料，共395起，其中碰撞、触碰、搁浅、触礁类事故占到了81%。另据国外资料统计2，每年失事的船舶约200艘，总吨位数为120万吨，占世界船队的0.4%左右，这相当于每15天失事一艘5万吨级的船舶，其中碰撞事故就占到将近一半（43%）。我国也早已把交通安全提到了战略高度，在国家安全生产发展规划纲要2004-2010中明确提出各生产领域中的安全生产分类目标、监管体系建设目标等重要规划内容。“国家中长期科学和技术发展规划战略研究”中交通科技问题子专题研究指出：依靠科技创新，优先解决交通安全问题，改善交通安全状况。随着航运事业的飞速发展，船队的规模也在快速的壮大，船队规模的壮大必然导致可航水域的船舶交通流量和通航密度不断增加，据相关资料显示，在世界上的一些可航水域，其交通的水平甚至达到了繁忙和拥挤的程度，这无疑给船舶的安全航行带来了很大的隐患；再则，随着造船技术的革新，以及新材料、新设备、新技术广泛应用，在一定程度上确实减少了海难事故的发生，但和其他行业相比，事故的发生率仍旧保持在一个很高的水平，由此造成的人身伤亡、环境污染、财产损失为人们所无法承受；退一步说，尽管海难事故发生的水平较以前有所减少，但由于船舶的大型化和高速化，其潜在的危害是巨大的，一旦出现海难事故，产生的危害也是空前的，其整体上造成的财产损失、人员伤亡、环境污染将是灾难性的。由此可见，船舶安全航行的形势仍不容乐观。为此，为了预防和减少海难事故的发生，实现安全、高效的海上运输，除了提高船舶驾驶人员的素质和船舶性能、加强管理外，还要对船舶航行状态是否安全进行动态、实时的研究。随着人们对安全水平的要求越来越高，传统上静态的安全评价研究已不能满足人们的需求，作为船舶驾驶员更渴望实时的知道船舶的航行状态是否安全，如果不安全，其不安全的程度如何？其主要的影响因素是什么？从而采取有针对性的措施进行改善。1.2 研究内容和意义长期以来，船舶航行安全一直依赖于航海驾驶人员的一系列操作来完成的，即：首先，驾驶员通过正规、有效地瞭望，及时发现危险目标；然后对当前航行条件及危险目标的性质、会遇局面、碰撞危险等进行分析、判断；最后，依据避碰规则及自己的航海知识和航海经验，并综合当前的判断结果，经头脑进行推理，作出相应的避让决策。在整个“发现判断避让”的避让决策制定过程中，不仅要求航海驾驶员要集中精力了望，还要在面临各种压力的条件下，在避让危险目标的决策过程不出现任何的差错。而且在某些特殊条件，驾驶人员能否迅速估计局面并采取正确的行动，在很大程度上取决于人的个性和心理状态。如驾驶人员情绪紧张，就会变得反应迟钝，造成操作上的失误；另外，过度疲劳也是造成失误的一个原因。可见，如果能够及时将船舶的安全状态预警给驾驶人员，使驾驶员直观、实时的知道船舶在当时条件下的安全程度，这势必对保障航行安全、避免发生碰撞、搁浅、触礁事故、减少生命和财产损失、保护海洋环境都具有重要的意义。随着航海技术的发展，船舶的安全航行也一直是航海界关注的焦点，船舶安全航行的研究工作也取得了阶段性的成果的，欧洲、日本等国在这方面作出了探索性的研究，而我国的研究工作还停留在较为落后的阶段，概括来说，主要围绕以下几个方面展开：（1）船舶自身安全状况的研究；（2）航道危险度的研究；（3）可航水域的危险度的研究；（4）船舶碰撞危险度的研究；我们可以发现，以上几个方面的研究，静态的研究居多，动态的研究偏少，随着人们对安全水平的要求越来越高，显然，上述的研究远远不能满足航海技术发展的需求：首先，上述的研究都是在宏观上对船舶和通航水域的安全状况给出一个整体的评价，远远不能满足船舶安全个性化的需求。其次，研究方法的科学性和客观性不足，不能全面的反映实际的安全状况，缺乏实际的指导作用。再次，上述的研究工作都是建立在静态的基础上进行研究的，而安全是一个动态的过程，我们需要实时知道船舶的安全状况，显然上述的研究工作是不能够解决动态安全的问题。通过对上述问题的仔细分析，可以得出问题的核心主要围绕在三个方面：（1）在某一水域航行的船舶，其航行的状态是否安全；（2）如果不安全，其不安全的程度如何？（3）其主要的影响因素是什么？这是每个船舶驾驶员都渴望实时知道的。正是基于这一需求，本文考虑构建船舶实时航行安全评价模型，对船舶的航行状态是否安全进行合理的评价，实时地把船舶航行的安全水平反馈给船舶驾驶员，如果评价的结果是不安全，则找出影响船舶航行状态不安全的主要因素，反馈给船舶驾驶员，指导其采取有针对性的措施，避免事故的发生。由“人机环境管理”的理论3可知，海事的致因条件众多，各条件间相互影响、相互制约，关系错综复杂，考虑到研究的可行性，本文假设船舶条件、人员条件、管理条件固定不变，仅基于环境条件的变化来对船舶航行安全的影响展开实时、动态的研究。究其意义，主要有以下四点：（1）确定船舶的动态领域模型； （2）确定船舶实时航行安全指数定义，建立实时航行安全指数模型，实现实时航行安全指数动态显示，把传统的静态安全研究工作引向动态的安全研究；（3）对实时的、动态的船舶航行安全做一些基础性和尝试性的工作；（4）尽可能为船舶驾驶员实时、动态提供船舶航行安全指数，让驾驶员随时知道船舶航行的状态是否安全、不安全的程度、其主要的影响因素，以便提高警惕、采取有针对性的措施避免海难事故的发生。1.3 国内外研究现状1972年国际海上避碰规则以下简称为避碰规则中多次提到碰撞危险（Risk of collision）的概念，但对其大小并没有明确定义。于是，国内外航海学者纷纷发表文章量化这一概念，并试图用来指导避碰实践，这也说明量化碰撞危险的重要性。日本东京商船大学今津隼焉教授在1983年著的避让与碰撞预防系统一书中首先提到了碰撞危险度的概念，并对碰撞危险的评价作了全面的分析和研究。日本学者新井康夫在航行安全评价中的自然环境条件的影响一文中，对操船能力的自然环境要素提出了量化的指标值，并验证了这些指标与操船者的主观操船感觉的关系，为客观判断各要素的影响，采取对策改善航行环境提供依据；日本学者井上欣三在操船负担的定量评价一文中，从两个方面定量处理了某水域潜在的碰撞危险度，一是船舶航行于该水域期间有多少与他船会遇的机会，一是每次会遇给操船者增加了多少压力，并以此作为定量表示该交通环境下的船舶航行潜在危险水平的指标；英国Vldimierm.Trbojevic & Barryj.Carr提出了基于危险度的航道航行安全管理系统，先对船舶交通安全进行分析评估，然后提出安全管理的改进方案。我国学者和韩国学者运用模糊数学、神经网络以及模糊神经网络的方法确定船舶碰撞危险度的大小，其变量是DCPA和TCPA456。文献78还提出空间碰撞危险度、时间碰撞危险度、几何碰撞会遇、非几何碰撞会遇以及会船时的碰撞危险的概念。此外，大连海事大学的吴兆麟教授较早地从人、船、环境的角度对船舶交通危险程度进行探讨研究。1998年上海海运学院的陈伟炯教授基于综合安全科学和管理科学，构建了用于船舶安全管理的“人-机-环境-控制管理”系统模型3，提出海事预防策略和典型海事的预防措施。在交通安全分析中，集美大学的翁跃宗和大连海事大学的吴兆麟在厦门港船舶航行环境系统的安全分析文献中，提出了航道水域危险度的分析和评价。大连海事大学的郑中义教授和马会副教授在影响船舶航行安全的环境因素分析和评价等方面进行了分析和研究。武汉理工大学的谭志荣在硕士论文航道航行环境危险度的评判方法的研究中，提出了使用灰色理论对航道船舶交通事故主致因灰色关联的分析，对计算机模型的改进提出了自己的见解。本论文是在前人研究的基础上对这一问题作进一步的研究，提出船舶实时航行安全指数的概念，建立实时航行安全指数模型，基于船舶的航行环境，实时、动态地确定船舶航行的危险程度，让船舶驾驶员随时可以知道船舶航行状态是否安全，如果不安全，可以及时的采取行动，从而减轻船舶驾驶员的操船压力和心理压力，减少和避免事故的发生。1.4 本文的篇章结构本文共分六章，第一章为概述，第六章为结束语，第二到第五章为本文的研究内容，具体安排如下：第一章 概述：阐述本文的研究背景、研究的意义、研究的现状，以及本文的篇章结构。第二章 船舶领域和危险目标信息获取：介绍了船舶领域模型和本文所使用船舶动态领域模型的构建，以及危险目标的信息如何获取，其信息主要包括位置信息和动态信息。第三章 船舶实时航行安全指数模型：详细介绍了实时航行安全指数的意义、取值范围、模型的构建，以及相关系数的求法。第四章 实时航行安全指数相关参数确定：介绍了属性理论的方法、指标权重的确定方法，构建最小安全会遇距离、注意会遇距离和行动距离的属性识别模型，并给出相应的算例来加以验证。第五章 实时航行安全指数计算机模拟：编程实现船舶实时航行安全指数仿真试验平台，实现实时航行安全指数在计算机上显示。 第六章 结束语：总结本文研究成果，并指出今后的研究方向。第二章 船舶领域与危险目标信息获取2.1 船舶领域2.1.1 船舶领域的研究现状20世纪60年代初，日本学者藤井弥平提出了船舶领域的模型和概念。随后，七八十年代，英国学者E.M.Goodwin36等西方和日本学者又对船舶领域理论进行了充实和完善，认为船舶周围存在一个领域界限，一旦有他船侵入，说明对本船构成碰撞危险，并规定领域的范围左右不对称、前后不一致。我国学者对其边界进行模糊化处理，认为应取不同的值37。船舶领域概念的提出开辟了避碰研究的新天地，可是理论与实际却有出入。首先，不是每条位于或进入本船领域界限范围内的船舶都对本船构成碰撞危险，这无形夸大了领域界限范围。其次，有些没有进入领域界限的船舶对我船又确实构成相当的威胁。第三，船舶领域除了受到环境的影响外，还应随目标船的不同有所不同。就是说，不能一概地给所有的目标船制定一个统一的领域界限范围。2.1.2 船舶领域在避碰中的应用从Goodwin对于船舶领域的定义以及很多的后继研究37388可以看出，船舶领域可以延伸到海上船舶避碰的研究中，船舶周围同样存在着一个不可侵犯的领域，犹如避碰几何中所设定的安全DCPA圈，只是它是基于统计调查的结果而来，与安全DCPA的来源不同。一般将这样的领域称为避碰领域，该领域是排他性的为使船舶领域不受侵犯，英国学者Davis等设计了被称为“动界Arena”的避让行动区域。该区域是以某一点为中心的一个圆，需要和船舶领域配合使用。为了消除碰撞危险本船不允许它船侵入该领域。这与海上交通工程中定义14的船舶领域的概念很接近。但是，在实际应用和研究中又有所区别60。海上交通工程中提出的定义，反映的是交通的容量，也即某一水域所能容纳的船舶流量或者说是船舶的通航能力，在一定程度上它是相对固定的，是船舶所需水域的一个宏观指标。而在海上船舶避碰的研究和实践中，需要确定的是保证船舶安全航行的最小水域，它是一个具体、微观的指标。存在这种区别的主要原因是海上交通工程中提出的船舶领域的概念，以及经观测和实验所建立的模型在很大程度上反映的是船舶驾驶员操船行为和心理因素，并不一定是保证航行安全的最小值。因此，建立避碰数学模型和进行船舶避碰自动化系统的研究时，应对船舶领域的概念重新定义，从而使之在船舶避碰的研究中成为判断碰撞危险的依据，采取行动的衡准，成为安全会遇距离的量化指标。国内学者孙立成等在研究船舶避碰决策数学模型60时指出，根据船舶发生碰撞事故的过程和研究自动避碰系统的需要，船舶领域可定义为：“船舶领域是为保证航行安全避免发生碰撞事故所保留的水域，如果来船进入该水域，则形成紧迫局面”。2.1.3 船舶领域模型国内外专家学者在船舶避碰的研究中，引入船舶领域作为判断碰撞危险的标准，并对不同的航行区域及会遇状态建立了各自的船舶领域模型，本文将基于不同会遇情况对其进行总结，并根据本文研究的目的选择合适的船舶领域模型。2.1.3.1 互见中开阔水域船舶领域的模型对于船舶领域的研究，原本属于交通工程学的范畴，但从船舶碰撞的角度出发，研究船舶领域是出于降低海上事故的需要，寻找最能引致海事发生的环境因素。同时，这种研究可以得到作为评估事故危险，评价防止事故措施有效性的研究以达到改进该水域的航行安全状况和提高通航效率的目的。（1）Goodwin模型目前关于船舶领域的研究中，Goodwin所进行的研究的水域是从各个方向汇集、船舶尺度范围很大、相对开阔的北海南部的航线焦点水域，所以Goodwin得出的船舶领域模型最接近于开阔水域的领域模型。她在文献中61指出对于所有船舶来说，船舶领域的形状和尺度并不都一样，而是随着如航速、船舶尺度、交通密度和船舶所航行的特定水域的自然限制等因素的变化而变化的。Goodwin对船舶领域的研究最终模型见图2-1所示，它根据规则要求，在遇到来自不同方位的海上威胁时要采取不同的避让行动，因此该模型将围绕本船的水域划分为三个部分，由中心船测得的来船舷角Q确定。它们分别为：右区：0°Q112.5°，左区：247.5°Q360°和尾区：112.5°Q247.5°。如图2-1所示，由此可以看出所形成的模型是针对各个方位来船的。247.5°000°0.85海里0.7海里0.4海里112.5°图 2-1 Goodwin船舶领域模型（2）孙立成等基于问询建立的模型：QbacODs 图2-2 安全距离模型为了研究和分析船舶驾驶员的避碰行为，孙立成等39对船舶驾驶员的避碰行为进行了一次问询调查，通过对问询调查结果的整理，得到了船舶在开阔水域中安全会遇距离的统计结果，如表2-1所示。通过对统计数据的分析和处理，发现安全距离的数据分布可近似地看作如图3-10所示的椭圆。该椭圆长轴为a=0.9海里，短轴为b=0.75海里，短轴向下偏移c=0.25海里，Q为来船相对于本船方位，Ds为本船到领域边界的距离。会遇局面安全距离均值（海里）对遇1.07右对右0.74左对左0.625交叉1.0追越0.65能见度不良1.76表2-1 安全距离统计由此得到的船舶领域形状与藤井和Goodwin经观测得到的船舶领域的形状有所不同，但它们反映出了相同的特点。首先是反映出船舶驾驶员对领域形状的处理是从安全航行的需要出发的，其次是问询得到的数据和领域的形状反应出了规则的影响。2.1.3.2 能见度不良时船舶领域的模型在能见度不良时，国内学者孙立成在文献59中建议了理论上的船舶领域：在能见度不良时，按规则规定不存在让路船与直航船之分，各船负有同等的避让责任；互见中规则对船舶领域形状的影响将不复存在。因此，对正横前和正横后来船取左右对称型的船舶领域模型应该是合理的；按照前述船舶领域的定义，参考国内外知名专家学者所推荐的关于安全会遇距离的具体数值，从安全航行、防止碰撞的角度出发，这样确定船舶领域的大小和范围是可以满足避碰操纵和安全航行需要的；这样定义的领域面积大小和形状是与海上船舶避碰的实际做法基本一致的。2nm2nm2nm1nm图2-3 能见度不良时领域模型能见度不良时，船舶领域的形状和大小建议采用如图2-3所示的形式。正横前取半径为2海里的半圆，正横后取船尾处1海里并向左右正横2海里处连接的等腰三角形。 2.1.3.3 狭水道或航道中船舶领域的模型在狭水道或航道中确定船舶领域时，因为受限水域的特殊条件，周围环境以及规则规定的限制，在这种水域中会遇的形势多为对遇和追越，因此船舶领域模型与上面的模型有很大的区别。在船舶领域研究中，关于狭水道航行时对遇的船舶领域模型很多，较典型的有藤井模型，Coldwell模型，饭岛模型，杉崎模型，本文只介绍前两种模型：（1）Coldwell模型英国学者T.CiColdwell对英国Humbe水道中的交通流状况进行了观测统计，由于该水域中船舶的会遇状态多为对遇和追越，因此，经过对观测数据的整理分析，建立了对遇和追越中椭圆形的船舶领域模型，如图2-4所示。 6.01.753.25对遇图2-4 Coldwell模型（单位：链） 6.01.75追越 该模型在同类模型中领域范围最大，根据目前的研究和海上的实际情况，这一模型基本可以适用于开阔水域的情况。因此，在狭水道或航道中，使用这一模型则显得过于保守。但他所得到的模型是海上避让行为的真实反映，是海员处理问题的实际做法，易于被海员接受，并具有一定的合理性。（2）藤井也研究了对遇情况船舶航向相反下的船舶领域，他在自己提出的追越会遇的椭圆形船舶领域图2-5a的基础上作了一些修改，提出了长卵形船舶领域14，如图2-5b所示。在领域形状上，它保持了左右对称而改变了前后对称；领域大小与椭圆形领域相仿。此外，藤井还将简化的矩形领域图2-5c取代椭圆领域，使其更加便于实际应用。船舶同向航行（椭圆形）船舶反向航行（长卵形） 简化型（矩形）4L4L1.6L1.6L1.6L1.6L1.6L4L4L1.6L1.6L6.4Labc图2-5 藤井模型图中可以看出，正横后的领域形状是以船中为圆心，1.6倍船长为半径的圆，在海上两船相遇时，如果各自到达对方船的正横处，即可认为两船已安全通过，即使任一船采取意料之外的行动也不会导致碰撞的发生。因此，不用再将正横后的水域再列入船舶领域中，禁止它船“侵入”。2.2 本文所用船舶领域模型在各种航行条件下的宽水域航行，本船与危险目标相遇，驾驶员就危险目标对本船所构成的碰撞危险性程度的判定是在综合考虑了许多客观和主观的因素，例如，能见度、通航密度、本船操纵性能、目标舷角、避碰规则等因素的基础上，再通过各个目标的DCPA（Distance of closest point of approach）和TCPA（Predicte