（交通信息工程及控制专业论文）内河桥区水域风、流、船速对船舶领域边界的影响及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着我国经济的快速发展，内河航道上修建了大量的跨河桥梁。跨 河桥梁的建设有利于促进两岸和周边地区的发展，进一步提升城市竞争力，对于 整个地区的经济、社会发展都具有重大和深远的战略意义。与此同时，我国沿海 及内河船舶交通流量迅速增加。船舶交通流量的加大，使桥区水域通航管理的难 度日益增大；一旦在桥区水域发生了重大的水上交通事故，就可能造成桥区航道 阻塞，航运将被迫中断，这将造成十分严重的经济损失和社会影响。这些情况对 航道的规划设计和桥区水域的通航管理提出了更高的要求。 通过能力的研究是航道的规划、设计和船舶通航管理中一项基础性工作。通 过对桥区航道船舶通过能力的研究，可以准确的界定桥梁建设对于航道船舶通过 能力的影响，确定桥区水域在正常通航条件下所能达到的最大船舶通过能力，为 航道规划、运输平衡、桥区航道的整治及桥区通航的管理提供科学依据，以适应 内河航运中船舶运输日益增长的需要。而船舶领域这一基本理论是研究船舶通过 能力的基础。通过对内河桥区船舶领域的研究可以更好地理解桥区船舶的通过能 力。 论文对以往交通领域船舶领域的研究成果进行了综合的比较，分析它们的共 性和不足，在以往研究的基础上，通过分析改进了其在内河桥区多种因素影响下 对船舶领域的影响。通过对影响船舶领域因素的分析，结合桥区航道船舶流的交 通特性和通航特点，建立了桥区航道船舶领域的基本模型。本文在研究过程中， 以桥区水域船舶实测资料为基础，使用了数理统计、运筹学等数学工具，并借鉴 道路交通工程学、海上交通工程学中相关的理论和分析方法。 本文共分为七章，从系统的观点和实际生产需要出发，参考既往研究成果， 对由自然条件、人工条件、交通条件、人员条件等有关影响桥区桥区船舶领域的 因素所组成的桥区通航环境进行分析，建立了桥区多因素影响下船舶领域模型； 并讨论了船舶领域在实践中的应用。论文最后为结论与展望，主要总结了本论文 的研究成果及存在的不足之处。 关键词：桥区水域；船速；风；流；船舶领域； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l ym a n yb r i d g e sa r eb u i l to v e rt h ei n l a n dn a v i g a t i o nf a i r w a y sw i t hr a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fo u rc o u n t r y , c o n t r i b u t i o no fc r o s sf i v e rb r i d g ei sb e n e f i c i a l t ot h ed e v e l o p m e n to fb o 也s i d e sa n ds u r r o u n d i n ga r e a sa n da l s ot oe n h a n c et h e c o m p e t i t i v e n e s so fc i t y s oi th a sf a rr e a c h i n gs t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n t o fl o c a le c o n o m ya n ds o c i e t y m e a n w h i l e , s h i pt r a f f i cv o l u m eo ft h ei m p o r t a n tc h a n n e l s i n c l u d i n gt h ec i v i li n s h o r ea n dy a n g z ir i v e rh a sb e e ni n c r e a s e dr a p i d l y t h ec o m p l e x i t y o fn a v i g a t i o nm a n a g e m e n ti nt h eb r i d g ew a t e r w a yh a sk e p tr i s i n gb e c a u s eg r o w i n g v e s s e lt r a f f i cf l o w i ft h e r ei sat r a f f i ca c c i d e n ti nt h ec h a n n e lt h a tc o u l dc a u s et r a f f i cj a m a n dc l o s et h en a v i g a t i o no fi n l a n dc h a n n e l ，i tc o u l dc a u s ee c o n o m i cl o s sw h i c hr e q u i r e s ah i g h e rs t a n d a r do nc h a n n e lp r o g r a m m i n ga n ds a f e t ym a n a g e m e n ti nt h eb r i d g e w a t e r w a y t h er e s e a r c ho ft r a n s i tc a p a c i t yi st h eg r o u n d w o r kf o rt h ec h a n n e lp f 0 粤钮n m i i l g a n dn a v i g a t i o nm a n a g e m e n ti nt h eb r i d g ew a t e r w a y b ys t u d y i n gt h et r a n s i tc a p a c i t yi n t h eb r i d g ew a t e r w a y , t h ei m p a c t so nt h et r a n s i tc a p a c i t yc a u s i n gb yt h ec o n t r i b u t i o no f b r i d g ec o u l db ea s s e s s e d ，a n dt h em a x i m u mt r a n s i tc a p a c i t yc o u l db ec a l c u l a t e du n d e r t h en o r m a ln a v i g a t i o nc o n d i t i o n s t h er e s e a r c hc o u l dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h e c h a n n e lp r o g r a m m i n g , n a v i g a t i o nc h a n n e lr e g u l a t i o na n dn a v i g a t i o nm a n a g e m e n ti nt h e b r i d g ew a t e r w a yw h i c hi sa b l et om e e tt h eg r o w i n gn e e d so fs h i p p i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e rt h et h e o r yo f s h i p sd o m a i n i st h eb a s i so ft r a f f i cv o l u m e s ，t h er e s e a r c ho f s h i p s d o m a i nw i l lh e l pc o m p r e h a n dt h ee s s e n c eo ft r a f f i cv o l u m ei nt h ev i c i n i t yo fi n l a n d b r i d g e i nt h i st h e s i s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs h i p sd o m a i ni nc h a n n e lh a sb e e n i m p r o v e dl e g i t i m a t e l ya f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c yo ft h ep a s tr e s e a r c h b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o 璐a n ds e l e c t i n gc o r r e s p o n d i n gm o d i f i e dc o e f f i c i e n t i n t e g r a t i n gt h et r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dn a v i g a b l ef e a t u r e , t h em o d e lo fs h i p s d o m a i nh a sb e e nb u i l t i nt h ep r o c e s s e so fs t u d y i n gs h i p sd o m a i n ，t h et h e o r i e s i n c l u d i n gm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sa n do p e r a t i o n a lr e s e a r c hh a v eb e e na p p l i e d , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gt h e o r i e sa n da n a l y t i c a lm e t h o d si nt h et r a f f i cc n g i n e e r i n ga n dm a r i n e t r a f f i ce n g i n e e r i n gh a v eb e e nu s e da sas o u r c eo fr e f e r e n c e t h i sa r t i c l ea l t o g e t h e rh a sb e e nd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s i na c c o r d a n c ew i t l i s y s t e m i cv i e w p o i n ta n dt h ep r a c t i c a ln e e do fp r o d u c t i o n ，t h ea u t h o rr e f e r st ot h e 武汉理工大学硕士学位论文 a c h i e v e m e n t so ft h ep a s tr e s e a r c h e s ，啪a t sm o r e ，t h i sp a p e l h a sa n a l y z e dt h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r sw h i c ha r ec o m p o s e do fn a t u r a lc o n d i t i o n s ，a r t i f i c i a lc o n d i t i o n s ， t r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n sp e r s o n n e lc o n d i t i o n sc t c ，a n ds e tu pt h em a t h c m a t i c a lm o d e l w h i c hh a sb e e na p p l i e dt oc a l c u l a t et h es h i p sd o m a i ni nt h ei n l a n db r i d g ew a t e r w a y ，i n t h em e a n t i m e ，t h ea p p l i a n c eo fs h i p sd o m a i ni np r a c t i c eh a sb e e nd i s c u s s e s i nt h eg r i di t i st h ec o n c l u s i o na n dt h ef o r e c a s t k e yw o r d s ：b r i d g ew a t e r w a y , s h i p ss p e e d ；w i n d ；c u r r e n t s ；s h i pd o m a i n i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究茂果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：聋! 逾! 三 日期：盟：兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅 和借阅本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：a 1 ) i r1 导师( 签名) ： ，l 以 1 日期 夕 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着全球航运事业的飞速发展，在不断地冲击着航海技术领域的各个方面， 并对航海技术提出了新的、更高和更智能化的要求。近年来，一方面世界船队的 规模在不断地扩大，船舶向着大型化、多样化和快速化方向发展；另一方面，随 着船舶自动化，特别是驾驶自动化水平的提高，许多以往航海技术界面i 临的问题 在一定程度上得到了缓解。交通运输业是国民经济重要的组成部门之一，它在整 个社会经济中起到纽带作用。在五种主要的运输方式中，水路运输( 内河运输和 海洋运输) ，既是一种古老的运输方式，又是标志着一个国家整体综合实力的运输 领域。在综合交通运输体系中，水路运输具有限制少、运输量大、能耗低、污染 小、占地少、运输成本低、基础设施建设投资少、综合投资效益大等优势，因此 一直以来都受到人们的重视，这种运输方式适合“节约型胗社会发展的需要。随 着全球经济的复苏，航运业出现了加快发展的势头，主要表现为船舶大型化、自 动化和船舶数量的增加，造成水上交通安全形势日益严峻，与此同时水上交通研 究也就成为国内外研究的热点。由于我国的水上交通研究起步较晚，在研究的广 度和深度及成果上都有不小的差距。 在水路运输中，相比较而言，我国内河运输较海洋运输发展滞后。一方面其运 输速度慢，运输时间受气候影响大等方面是不利因素；另一方面，航运的交通理 论研究也没有先行。同时这几年，随着经济的发展，大量新的沿海、沿江码头和 跨江桥梁的新建，使原有的航道变得更复杂，影响了船舶通航环境；大型船舶的 出现，也对现在的航道规划设计提出了更高的要求。为加快内河航运发展，交通 部做出了一系列的部署。根据交通部内河航运发展规划，从现在起到2 0 1 0 年将重 点推进内河航道建设，基本形成以长江、珠江及京杭运河为核心的水运主通道和 长江三角洲、珠江三角洲的水域网骨干航道的“两横一纵两网的航运体系，内 河航运事业正面临难得的发展机遇。为确保航运发展规划具有前瞻性，能满足其 腹地经济的可持续发展，就要保证航道规划设计时考虑到航道的通过能力。而船 舶领域是计算航道通过能力的基本理论，对船舶领域的研究直接关系到规划设计 的方面的工作。 武汉理工大学硕士学位论文 总之，我认为水上交通基本理论的研究应先行，为航运规划和船舶智能化、 水上交通安全做好理论上的准备，这也是我这次选题的背景和推动力。 1 2 论文研究的目的及意义 我国从七十年代实行改革开放，国家经济出现的突飞猛进的发展，尤其工业 化及全球贸易的增多，国内和国际间货物的运输量呈现逐年增长的趋势。据有关 数据分析表明，目前大宗货物的运输特别国际间运输方式9 0 以上采用船舶运输， 这是因为船舶运输具有运量大、运费低等特点。目前我国沿海、沿江很多地区为 了满足日益增长的货运量需求，正在建造或打算建造大量的跨江、跨海桥梁和码 头，而在这些建设之前，有关主管部门会根据本地区目前及以后的经济发展状况， 制定一个规划，使当地的码头和航道满足船舶通过量的需求。目前水上交通工程 的相关理论研究取得了较大发展，尤其船舶领域作为一个基本理论，在计算船舶 通过量时，起着非常重要的作用。此外在船舶智能化研究、船舶交通安全控制、 分析船舶撞桥危险和船舶碰撞危险等方面也起着重要作用。而以前船舶领域理论 大多从整体因素考虑领域的边界问题，对船舶尺度、船舶速度、风、浪、流等因 素对船舶领域边界的影响只是以模糊的定性方式表示因此我结合和导师做项目 时获得的启发，在导师的指导下，应用相关的统计和分析、交通工程中相关的排 队论、跟驰理论、船舶操纵理论等，探讨船舶尺度、船舶速度、风、流等对内河 桥区船舶领域边界的影响。 1 2 1 论文研究的目的 本课题以船舶速度、风、流等对船舶领域边界的影响为研究对象，探讨各因 素与船舶领域的关系，希望通过对本课题的研究，达到以下目的： ( 1 ) 通过实地观测、试验和理论分析等方式为基础，分析整理得到各影响因 素与船舶领域的关系，可表示为：船舶领域边界d = f ( 船舶尺寸、船舶速度、风、 浪、流等) 。 ( 2 ) 通过对船舶领域的研究，为一定水域的长期规划提供依据和参考，同时 在分析船舶碰撞危险、智能化等方面也具有指导意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 论文研究的意义 本研究在船舶领域方面尚属一种尝试，也是一个良好的开端，论文的研究方 法和思路，对于分析各影响因素对船舶领域边界的影响具有一定的参考价值。 同时本课题的研究成果能为海事部门对桥区水域交通管理措施的决策与实施提供 依据。 1 3 论文主要研究内容 1 3 1 研究内容 本课题以船舶尺寸、船舶速度、风、流等影响因素为研究对象，通过对内河 桥区船舶领域的进行探讨，研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析比较目前的船舶领域理论的积极成果和存在的不足。 ( 2 ) 根据所获的相关的理论、计算机知识，结合相关的操船理论，对各因素 对船舶领域的影响进行分析，得出相应的模型。 ( 3 ) 通过实例分析所得内河桥区水域船舶领域模型的意义。 ( 4 ) 应用船舶领域理论来分析船舶领域在实际中的应用。包括航道规划设计 时计算航道的船舶饱和通过量、船舶碰撞危险的判断、在船舶智能化、无人驾驶 方面的应用等。 通过以上几部分的工作，可望形成一个较完整的理论结构，对内河桥区水域 船舶领域的影响因素进行探讨。 1 3 2 研究方法及技术路线 本人在研究过程中将采用理论分析、现场调研、统计分析、试验等多种手段 和方法。以获得的船舶资料为基础，分析船舶尺寸、船舶速度、风、流等在桥区 影响因素的特点及对桥区船舶领域的影响。论文中拟采用的研究方法主要有数理 统计分析、船舶领域理论及借鉴交通工程理论研究的相关方法和分析工具。 具体的研究路线如下： 武汉理工大学硕士学位论文 对国内外领域研究的分析和比较 根据研究需要采集数据，分析 建立因子与领域的关系模型 通过实例分析模型 否上 丽赢 通过对目前船舶领域方面研究成果的分析、整理，比较各领域模型的特点，指出 其优缺点及应解决的问题。 ( 1 ) 根据研究的需要，通过现场调研、统计分析等多种手段和方法，采集所 需的数据，对所获得的数据运用数学工具进行分析和整理。 ( 2 ) 通过分析，建立内河桥区水域船舶尺寸、船舶速度、风、流等影响因素 与内河桥区船舶领域边界的模型。 ( 3 ) 把桥区船舶领域的基本模型应用到实践分析中，包括为制定有关法规提 供基础数据、向船舶驾驶员提供船舶在航行、操纵方面的宏观规律和模式。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船舶领域的综述 在道路交通中，一条道路是朝一个方向行驶的前后车辆之间总会保持一定的 距离，前后车辆之间存在的这种间隔反映了后一辆车的汽车驾驶员为防止与前一 辆车相撞所留的安全余地。这一距离间隔与车速、车的停车性能、后车驾驶员的 反应即觉察前车行动变化并随即采取相应行动的能力等因素有关。正是受到道路 交通工程研究成果的启发，日本开创海上交通工程学的著名学者藤井在研究一条 水道的交通容量时于1 9 6 3 年提出了船舶领域的概念。船舶碰撞从几何学上讲就是 会遇船舶的距离为零。为了防止碰撞事故的发生，确保船舶安全有效地航行，船 舶之间就要保持一定的安全距离。这一安全距离在避碰规则中是“宽一的概念， 而在海上交通工程中就是船舶领域半径。船舶领域的概念最早是由日本的藤井弥 平等人提出的，他们建立了日本水域的船舶领域模式。g o o d w i n 确立里开阔水域的 船舶领域模式。后来g o l d w e ll 从事发展船舶领域在限制水域( 如港口航道和狭窄 航道) 的应用研究。目前船舶领域已广泛应用于船舶避碰、航道设计、危险度评 估、航道疏浚的确定、港口锚地的设计及海上交通水域中离岸设施的建立等项研 究中。尽管船舶领域理论已得到世界的公认，许多专家学者都致力于船舶领域理 论和应用的研究，但自船舶领域理论诞生到现在，对其存在的问题进行分析的文 献不多见f 2 】。 2 1 船舶领域的概念 船舶领域最早是6 0 年代初由藤井博士等日本学者提出的，后于7 0 年代初介 绍到欧洲。他将船舶领域定义为绝大多数后继船舶的驾驶员避免进入的前一艘在 航船舶周围的水域。对船舶领域的研究不是偶然的，而是降低海上事故的需要。 通过对海上事故的分析提出这样的一个问题，即海事是怎样发生的，并且表明了 最能引起海事发生的环境。此外，可以得到作为评估事故危险，评价所提出建议 的有效性，以便改进该水域航行安全和效率所需的基本信息资料【3 】。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 相关研究现状 2 2 1 研究现状 船舶领域概念是日本学者藤井受道路交通工程研究成果的启发，于1 9 6 3 年在 他开创的海上交通工程学中研究一条水道的交通容量时提出的。他将船舶的领域 定义为绝大多数后继船舶的驾驶员避免进入的前一艘在航船舶周围的领域。 2 2 1 1 藤井模型 为了确定船舶领域的边界，藤井以一密度均匀的交通流通过一条航道中的一 个障碍物的情况为例进行了研究。通过在日本沿海水域海上交通调查并对船舶相 对位置的二维频率分布分析研究，藤井提出了船舶领域的模型，即以船舶被避让 船舶为中心，长半轴沿船舶首尾方向短半轴沿船舶正横方向的一个椭圆。他认为 船舶领域的具体尺寸与船速、密度和潮流等因素有关。另外，他又通过长期以来 多次观察日本沿海水道的交通实况，获得了船舶领域尺寸的数值，长轴为7 倍船 长( l ) 和短轴为3 倍船长通常航行条件下被追越船舶的领域尺寸为长轴8 l 和短 轴3 2 l ，如图4 1 。当航行在需要减速的港口内部和狭窄的海峡时，船舶领域尺 寸减小到长轴6 l 和短轴1 6 l i 墨：塾- 如 阱 ab 图2 - 1 藤井的船舶领域模型 2 2 1 2g o o d w in 模型 藤井等在1 9 7 1 年将船舶领域介绍到英国后，英国女学者g o o d w i n 在北海南部 水域进行海上交通调查和在雷达模拟器上利用船员培训机做了大量的避碰试验， 6 武汉理工大学硕士学位论文 研究并建立了开阔水域即大海情况的船舶领域模型。g o o d w i n 认为国际海上避碰规 则对船舶避让行为有影响，对不同方位上的来船规定不同的避让行动规则。故船 舶领域的几何图形不会是对称的。为此她将船舶领域按船舶的号灯范围划分成个 扇区。但在确定船舶领域的位置时，g o o d w i n 和藤井的思路不同。她认为，如果存 在船舶领域，则给定均匀船舶密度时的他船船位分布以离开中心船一定距离的他 船数目表示是一条直线，其斜率取决于船舶密度和扇形的大小。 图2 - 2 开阔水域船舶领域模型 2 2 1 3 平滑不等扇形领域边界的圆形模型 英国学者d a v is 等在利用船舶领域模型进行海上交通计算机模拟来研究船舶 会遇和避碰时，发现g o o d w i n 的不等扇形领域模型边界不连续，很不方便，就开始 了平滑g o o d w i n 领域模型边界的研究并取得了成功。其具体做法就是将g 0 0 d w i n 领 域模型的三个面积大小不同的扇形面积相加并用一个面积相同的圆代替原来的领 域模型。为了保留原来扇形不同的优点，新模型不将本船置于圆的中心，而是向 左下方偏移到能使新获得的三个扇形仍保留平滑边界的大小比例。这种兼顾 g o o d w i n 原始船舶领域模型的优点和便于实际运用的特点的新船舶领域模型在海 上交通计算机模拟中显出优越性。为了描述这一船舶领域，将一艘假想的船舶置 于圆心，真船( 本船) 的位置可根据相对于假想船的距离和方位来确定。 7 武汉理工大学硕士学位论文 真船位置 假想船位置 图2 - 3 平滑后的圆形船舶领域模型 2 2 1 4 变更中心船位置和船首向的椭圆领域模型 荷兰的学者v a nd d rt a k 等在利用船舶领域模型计算船舶会遇和会遇率以评估 海上交通危险标准时，将藤井和g o o d w i n 的船舶领域模型的各自优点结合起来，提 出了新的领域模型。具体做法是，领域外形仍定为椭圆，但将中心船位置向后移 动且使船首向左偏转1 。角度，使得中心船右舷、左舷、和尾后的三个领域部分的 面积大致与g o o d w in 领域的三个扇形面积成比例。 他们将通过调查确定的船舶吨位为1 6 0 0 - - 1 5 0 0 0 吨之间的杂货船和干散货船 的船舶领域作为标准领域，并根据船舶的操纵性、驾驶员资历、心理因素、反应 时间和环境确定不同吨位大小种类的其他船舶的领域的乘法因子，这样就可获得 各种船舶的领域尺寸。 2 2 1 5 对遇情况的船舶领域模型 英国学者g o l d w e l l 在研究受限水域中的海上交通行为即船舶行为时，建议了 对遇情况的船舶领域模型，并证实了藤井建立的追越情况的船舶领域模型。 g o l d w e l l 进行海上交通观测的水域是英国一个河口处海上航道，故多数的船舶会 遇情况为对遇和追越。根据所得数据大量数据进行处理之后，g o l d w e ll 建立的对 遇情况的船舶领域模型是中心船向左偏移的半个椭圆，而追越情况的船舶领域模 型确实是中心船位于领域中心的椭圆。 从以上我们可以看出中心船舶首线两侧领域大小不同即右舷领域部分大于左 舷领域部分，表明国际海上避碰规则要求对遇船舶各自向右转向的规定确实 武汉理工大学硕士学位论文 对船舶的避让行为产生重要影响。这一模型也证实了g o o d w i n 在建立不等扇形船舶 领域时的假设【4 】。 2 2 1 6 船舶领域模型边界量化 2 0 0 1 年我校郭志新老师对船舶交叉相遇和追越时的领域边界进行了探讨。在 海上避碰的过程中，第一避碰的行为都包含着3 个要素，采取行动的时间、方式 和结果。从这3 个因素中找出与目标船的最近会遇距离( d c p a ) 、转向避碰行为的 幅度、两船实际通过的距离这4 个量中两船的实际通过距离可以类似于船舶领域 模型的尺寸。实际通过的距离与驾驶员的心理素质、本船条件和外界条件等3 方 面因素有关，研究表明驾驶员的反映时间的长短是一个与驾员的心理、生理特征及 经验与技术素质相关的指标，它也是确定船舶领域大小的一个关键因素【卯。 船舶交叉相遇时领域边界可按下式计算： d54 d j + d 刍+ 2d d c 0 8p + 1 2 xl dj = y _ r ，o 上) j = yj t $ 9 0 式中：d - - 船舶领域的边界； d 一经过r 一咿时a 船的航程； d j 一经过r 脚一时b 船的航程； y 。，y - 一为a 、b 两船的航速； r 棚，r - o 一为a 、b 两船转过9 0 。时所需的时间； 0 一两船航向线的夹角。 另外，船舶航行过程中船体间会产生水动力现象，当两船平行接近处于追越 关系时，就会受到追越船或被追越船的船舶波浪的影响，引起吸引和排斥作用。 在船的首尾部分水位升高时，使水压上升而产生相互的排斥作用，船体中部附近 的水位下降，水压降低造成给它船的吸引力，在力学中称为无索牵引现象。水动 力的变化与航道水深、航速、船舶的排水量等因素有关，按t a b l o r 说法，同样船 长的两艘船在接近并航时当其间距为船长的2 0 时，吸引力为船舶总阻力的7 5 ： 当间距在船长的3 0 时，吸引力为船舶总阻力的3 5 。此时，即使用舵也无法抗 衡船吸的影响。船舶在追越时的横距大于一定的量时，其船吸的大小对船舶的安 全航行无太大的影响，这个量可以认为是船舶追越的最小安全横距。设b 船追越a 船，则 舶舶追越时领域边界可如下计算： d 。i 。= ( l 口k + 三) s ，口( 1 一k cos 口) o 武汉理工大学硕士学位论文 式中：dm i - 一最小安全横距； ，三皇一船舶的长度； i ( 追越船与被追越船的船速比； q a 船受排斥力后所驶的航向与b 船航向的夹角。 2 2 1 7 船舶领域的三维模型 2 0 0 4 年我校徐周华、牟军敏等老师共同对内河船舶的领域进行了研究，内航 道复杂多变：浅窄航道，则水深、航宽不足，船舶易发生浅水效应和出现岸壁现象： 桥区航道，如净空高度或净宽不足，则船舶无法安全通过可见二维的船舶领域模 型在内河水域中应用的局限性较大，因此借鉴船舶领域( 二维) 模型的思想，在结合 内河船舶操纵与避碰以及航道特点的基础上，首次提出了狭窄水域船舶领域三维 模型的思想综合实船操纵性试验的结果，并通过实例计算，给出了一些特定船舶 的桥区避碰的三维领域模型的尺度 内河船舶领域三维模型应该是包容在一个长方体( 如图a ) 内的内切蛋形模型 ( 如图b ) ，其中长方体的长度即为船舶领域的长度，长方体的宽度即为船舶领域的 宽度，长方体虚线所在即船舶的水线面所在位置，虚线以上的高度应大于等于船舶 的水上，而虚线以下的深度也应大于等于船舶的吃水加上安全航行必须的富余水 深所得的值三维模型之水线面的切面所以选椭圆型，则是借鉴于建立在水道中的 藤井模型同时，不管有无其他在航船舶存在，这一领域是由本船条件( 船长、航速、 性能等) 、驾驶人员的心理因素和外界条件( 交通密度、会遇形势、水文地理和天 气情况等) 三方面因素所决定而动态地存在由于内河航道自身的特点，同一艘船 舶( 或船队) 在不同的航向、季节或不同的航行区间，以及不同的驾引人员、不同的 会遇态势下，相关参数也会发生变化，其三维的船舶领域模型也就随之变化当船 舶处于靠泊状态，模型大小应基本接近实船大小：若船舶处于单锚泊状态，则模型 的水平切面近似于圆形；若船在前进中，则模型就如图b ) 的情况嘲。 a ) 船舶领域三维模型的尺度 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 b ) 船舶领域蛋形模型的构想 图2 - 4 船舶领域三维模型 2 3 对以往船舶领域研究的比较分析 藤井、g o o d w i n 和g o l d w e l l 各自从不同角度给船舶领域下了定义，并进行了研 究。藤井给船舶领域下的定义为“绝大多数后继船舶驾驶员避免进入前一艘在航 船舶周围的领域。一领域边界的大小被定义为密度达到局部最大值时距中心船的距 离，领域模型是椭圆形的。g o o d w i n 将船舶领域定义为“一船驾驶员将其他船舶和 固定物体保持在外的围绕该船的有效水域一。g o l d w e l l 给船舶领域下的定义为“典 型驾驶员考虑到其他船舶的存在所实际保持的围绕该船周围的有效水域。一领域边 界尺度定义为距中心船达到局部最大点。 由此可见，藤井、g o o d w i n 和g o l d w e ll 给船舶领域下的定义及得到的模型是各 不相同的。下面来分析它们的相同点和不同点。 2 3 1 以前船舶领域模型的相同点 ( 1 ) 从本质上讲，他们提出的船舶领域的概念是相同的，都是指每一船舶周 围都存在着一个为保证航行安全、避免发生碰撞事故所需的水域。 ( 2 ) 从他们提出的船舶领域模型中都可看出，避碰规则对船舶行为起着重要 的作用。 ( 3 ) 从定义看，他们都认为船舶领域是由会遇双方驾驶员中的一方保持的。 ( 4 ) 从船舶领域的形式来看，他们提出的领域都围绕会遇双方中的一方船舶， 而船舶领域所包含的安全航行所需的水域是两船共有的，着主要是由其目的决定 的。 ( 5 ) 从目的来看，主要都是为了海上交通工程研究的目的而提出的。 ( 6 ) 他们所使用的研究方法都是海上交通调查和模拟器实验的方法。 ( 7 ) 他们都承认船舶领域受中心船的船长、船速、交通密度和水域状况等因 武汉理工大学硕士学位论文 素的影响，其中特别强调的是船长和水域因素的影响，指出船舶领域不是一个围 绕中心船的固定界限，而是驾驶员随环境的变化所采用的水域。 尽管他们提出的概念和模型有上述共同点，但由于各自调查的水域、目的和 思路不同，因而存在以下几个方面的差异。 2 3 2 以前船舶领域模型的不同点 ( 1 ) 从船舶领域的定义来看，藤井提出的围绕中心船( 被追越船) 的领域是 由大多数追越船舶驾驶员所保持的；g o o d w i n 提出的船舶领域是围绕本船的，由本 船驾驶员所保持的；g o l d w e l l 提出的船舶领域是围绕本船的，由本船驾驶员保持 的，但也特别强调了模型所反映的情况是典型驾驶员的情况。 ( 2 ) 从研究的水域和会遇形势来看，藤井提出的船舶领域模型适用于一条水 道中追越会遇的情况；g o o d w i n 提出的船舶领域模型适用于开阔水域中各种会遇综 合的情况；g o l d w e l l 提出的船舶领域模型适用于限制水域或港口水道中的对遇会 遇的情况。因此，由于避碰规则的原因，藤井提出的船舶领域模型是左右对称的， 而g o o d w i n 和g o l d w e l l 提出的船舶领域模型都是非对称的，这是合理的 ( 3 ) 从确切船舶领域边界位置的方法来看，藤井和g o l d w e l l 都是采用船舶 密度局部最大值点的位置；而g o o d w i n 采用的是周围船舶实际密度第一次等于平 均密度时的位置点。两种方法中，前者适用于航道中交通容量和航行安全的研究； 而后者适用于涉及交通危险标准的研究。 ( 4 ) 从建立船舶领域模型的船舶数据来看，藤井的观测对象主要是2 0 - 5 0 总 吨的沿海小船；g o o d w i n 观测对象是开阔水域中的大中型船舶，且吨位分布很广； g o l d w e l l 在研究中未指出所观测船舶的吨位情况。 ( 5 ) 从能见度情况来看，藤井认为“能见度下降看起来会使有效领域范围增 加，但是能见度的进一步恶化却对领域范围没有明显的影响。g o o d w i n 从模拟器的 实验数据得到的领域却明显表明了能见度的影响。g o l d w e l l 在报告中未表明能见 度的情况。 2 4 船舶领域产生的原因 船的行为实际上反应的是驾驶员的行为，因此，我们可以将船拟人化，将之看 成是特殊的“人一“船人一。“船人以人的大脑为“脑一，以船体为“身躯， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 而“船人 的个人空间就是船舶领域。如前所述，“船人 的个人空间实际是驾驶 员个人空间的延伸。因此船舶领域不仅是航行安全的需要，其基本原因是近体学 中的个人空间。既然船舶领域是“船人 的个人空间，它也应有个人空间的一些 特征。又由于它不是自然人的个人空间，因而具有一些特殊性。 ( 1 ) 船舶领域同样也受“种族一的影响，这里的。种族就是船旗。不同的 船旗，其领域也是不同的。这主要是由于各个国家或公司的规章制度的不同造成 的，同时也是与海员的培训、要求、船员配置和船舶设备有关。 ( 2 ) 船舶尺度影响船舶领域的大小，船舶大，领域越大。 ( 3 ) 船舶种类影响船舶领域的大小，如果两船都是普通货船，则领域较小； 如果其一是危险品船、油船或客船，领域会大一些。 ( 4 ) 周围水域影响船舶领域的大小，开阔水域的领域大，限制水域的领域小。 ( 5 ) 两船相对速度影响船舶领域的大小，相对速度越大，领域越大。 ( 6 ) 通航密度越大，船舶领域越小。 ( 7 ) 来船接近的方位对本船领域的大小有影响。 从以上内容来看，影响船舶领域的因素很多，但各因素的影响程度不同。在 所有的因素中，有些因素的信息和数据是船舶驾驶员决策操船方案时所必需的， 如船舶的静态及动态特性、风、波浪及流、可航水域或航道宽带等；某些因素则 是决策操船方案的约束条件，如会遇状态、视度、照度、航道上的视野范围等； 某些因素则是决策操船方案的参考内容，如助航标志信息、助航服务、交通管制 等。必需的信息和数据是进行操船决策和判断船舶领域的基本的、不可缺少的依 据。 如果缺少这样的信息或数据，或者缺少其一部分，再或者掌握的信息和数据 的精度不高，都会导致错误的船舶领域判断和操船决策，甚至导致海难事故的发 生。那么，自然这种因素对船舶领域的影响最大，甚至有决定性的作用。作为约 束条件的影响因素也是船舶驾驶员进行操船决策的先决条件。 当然，通过船舶交通信息服务，船舶驾驶员可以获得尚未掌握的信息，进而 影响驾驶员对船舶领域的判断。同时，来自驾驶员方面的影响因素直接影响着其 主观思维、分析、判断及决策，也即船舶、交通环境等客观因素对船舶行为的影 响还在很大程度上受到了船舶驾驶员主观因素的制约，所以说船舶驾驶员方面的 影响因素也是船舶领域的重要影响因素。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章内河桥区航道和影响船舶领域因素的分析 3 1 概述 随着建设的发展和需要，在天然河流上架设桥梁的数目日益增多。它沟通了公 路和铁路运输，但却给水路运输带来很多限制和困难。首先，原有的航道条件起 了变化。缩减了航道尺寸，主要表现为航道宽度与桥下通航高度的变化。然后在 桥区范围内出现了不正常的水流，由于桥墩和桥台的建筑，使河槽的过水断面有 所缩减，水流不得畅泄，在桥台和每个桥墩的上方形成雍水，下方出现花水等不 正常水流。有时候由于桥台和矶头的挑流，还可能在桥区范围内出现较大的横流 区。另外，桥梁的水平垂线与主流流向的夹角不宜太大，最好不要超过9 度，否 则主流就形成一股强大的横流，使船舶在驶过桥孔的过程中发生显著的偏移，甚 至因此而发生事故，船舶的实际航迹，是由航速与横流的合速度方向决定的，因 此航速的变化也可以引起偏移横距的变化，即航速高时偏移量小，反之，则偏移 大用。 3 2 桥区的界定和船舶通过桥区航道时应注意的问题 在水运技术词典中对于通航桥梁安全管理水域定义为：通航桥梁安全管 理水域是指桥梁通航安全管理法规规定的桥轴线上下游一定距离范围内的水域， 该水域的划定取决于航道条件、通航环境、水文气象及通过桥孔船舶尺度等因素。 左右岸界限处应设定界限标志。但是关于通航河流桥区范围的界定，目前航道规 划和海事管理部门对此还没有统一的标准。这一问题对于船舶流量大的桥区航道 尤为突出。随着我国内河沿线城市经济的快速发展，跨越内河通航河流的桥梁越 来越多，如何有效的保障通行桥区的船舶航行安全是当前海事管理部门面临的一 个主要问题。而准确的界定桥区水域的范围是规范通行桥区水域船舶的航行安全 的一个首要方面m j 。 通航河流桥区范围可以从以下两个角度来考虑：一、从桥梁对河道的影响来 看，桥区范围是已建桥梁对通航河流的水文( 流速、流向等) 的影响所及的范围。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 如桥梁建成后形成的壅水范围等；大量长江上桥区水流数值模拟研究结果表明， 长江上桥区水域的壅水范围约为l k m 1 5 k m 。二、从船舶操纵的角度来看，桥区 范围界定的目的是保证船舶通行的安全，因此从这一角度来说，桥区范围是指保 证船舶安全通行桥区所需要的最小水域范围。本文将从船舶操纵的角度来计算桥 区水域范围。 3 2 1 相关标准和法规对于桥区水域范围的规定 3 2 1 1 有关通航标准的规定【9 1 0 】 涉及到桥区水域范围的标准有内河通航标准( g b j 5 0 1 3 9 2 0 0 4 ) 和通航海 轮桥梁通航标准( j t j 3 1 1 - 9 7 ) ，标准中并没有对桥区水域范围做出明确的界定， 只是在跨河水工建筑物的选址上规定了其相对于弯道、汊道、滩险、分流口、汇 流口、港口作业区、锚地的距离； 2 倍代表船型或控制性顶推船队长度或1 5 倍拖带船队长度 跨海桥梁参照跨河桥梁标准，必要时通过实船试验确定 3 2 1 4 标准中规定的不足 从以上的相关规定可以看到，在国家标准中，并没有针对具体的通航环境而制 定桥区水域范围的条款，而是在桥位的选址上和相邻桥梁的间距上对桥区范围作 了一些规定。这些规定只是针对桥梁的选址和建设，而不是桥区水域的通航。实 际上，通过对一些典型桥区的调研知道， 过桥区水域时风、流对它们操纵的影响， 这些规定并没有反映不同类型的船舶通 也就是说这些规定并没有反映桥区水域 的通航环境。因此从船舶操纵的角度来说，这些规定并不能完全保证桥区水域船 舶的通行安全。同时，在相邻两座桥梁的间距上，标准规定了距离为代表船队长 度和代表船队下行3 m i n 或5 m i n 的航程之和，但是并没有规定这个航程是洪、中、 枯哪个季节的航程。基于此，我们有必要从桥区水域通航环境出发来计算桥区水 域范围。 3 3 内河桥区水域范围的