（交通信息工程及控制专业论文）码头改造工程对操船环境影响的定量研究.pdf

囊 4 yi at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g y a n gl a n ( t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r 0 1 ) t h e s i ss u |a s s o c ip r o f e s s o rx i ehongt1 h e s l s 叁i u p e r v l s o r ： a s s o c i a t ep r o e s s o r h o n g b m j u n e2 0 11 ，l i i - i 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：搬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密一( 请在以上方框内打“ ) 敝储橼猕导师橼即象弓 日期：扣年6 月菇日 i j 中文摘要 摘要 近年来为适应船型、运量和市场的发展以及规模经济的需求，现有港口的改 扩建项目屡见不鲜。码头的新建和延伸等改造工程的实施，由于改变了原有的港 湾形状和水域通航环境，有可能会影响到船舶的通航安全。根据我国现行的法律 和法规，需对这一类工程项目进行通航安全评估。从评估内容来看，通航安全评 估只是分析各参数是否符合技术规范和安全管理的要求，没有量化危险程度。因 此，有必要进一步定量地研究码头改造工程对通航安全的影响程度。 为了定量评价操船困难度和危险度，日本学者提出了环境压力模型和不安全 操船状态模型。环境压力模型从操船者的角度出发，把环境状况给操船者带来的 压力程度作为评价指标对操船困难度进行评价；不安全操船状态模型从船舶运动 的角度出发，引入潜在操船水域的概念，给出评价操船状态是否安全的判定基准。 本文以日照港石臼港区西区木片码头泊位能力提升项目中的突堤加长改造 工程为背景，引入适合于该水域环境特征的操船环境压力模型和不安全操船状态 模型，对该工程对附近水域操船环境的影响展开定量研究。主要工作有： 1 、参阅井上欣三等人有关利用环境压力评价操船困难性和利用潜在操船水 域评价操船安全性的相关文献，引入操船环境压力模型和不安全操船状态模型。 2 、设计并实施船舶操纵模拟试验，获取操船环境定量评价基础数据。 3 、利用v i s u a lb a s i c 编程语言和m m g 模型实现操船环境压力值的计算和潜 在操船水域推定，分析突堤加长工程对附近水域操船环境的量化影响。 本文以操船环境( 包括自然环境、地形环境和设施环境) 为切入点进行安全 评价，力图解决现行的通航安全评估方法不能定量评价水域环境变化对通航安全 影响的不足。 关键词：操船环境；操船困难性；操船安全性；操船环境压力；潜在操船水域 7 p 、l 一 v ， 一一 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o l ea n dm o r ep o r te n g i n e e r i n gp r o j e c t ss u c h 嬲n e wj e t t y c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o nh a v e c h a n g e dn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n t a n dc o u l d s o m e t i m e sa f f e c ts h i p - h a n d l i n gs a f e t y a c c o r d i n gt or e l a t i v er e g u l a t i o n si nc h i n a ，i ti s n e c e s s a r yt oc a l t yo u tn a v i g a t i o ns a f e t ya s s e s s m e n tf o rt h i sk i n do fp r o j e c t h o w e v e r ，n a v i g a t i o ns a f e t ya s s e s s m e n ti so n l yt oa n a l y z ew h e t h e rc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r s a r e c o m p l i a n c ew i t h t e c h n i c a ls t a n d a r d sa n d s a f e t ym a n a g e m e n t r e q u i r e m e n t s ，w i t h o u tq u a n t i z i n gr i s kd e g r e eo fs h i p h a n d l i n g i no r d e rt oe n h a n c e s h i p h a n d l i n gs a f e t y ，i ti sn e c e s s a r yt og a i l yo u tq u a n t i t a t i v es t u d yo ns h i p h a n d l i n g a s s e s s m e n tf o rs u c hk i n do fp r o j e c t i nt h ef i e l do fn a v i g a t i o ns a f e t ya s s e s s m e n t ，j a p a n e s es c h o l a r sh a v ep r o p o s e d e n v i r o n m e n t a ls t r e s sm o d e l ( e sm o d e l ) a n du n s a f es h i p h a n d l i n gs i t u a t i o nm o d e l sm o d e l ) e sm o d e li se s t a b l i s h e dt oe v a l u a t et h en a v i g a t i o ne n v i r o n m e n tb yu s i n g e n v i r o n m e n t a ls t r e s s ( e sv a l u e ) a sa l li n d e xw h i c hm e a n ss t r e s so nt h em a n e u v e r f o r c e db ye n v i r o n m e n t u sm o d e li se s t a b l i s h e dt oo b j e c t i v e l ya s s e s ss h i p - h a n d l i n g s a f e t yb yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to f p o t e n t i a la r e ao fw a t e r ( p a w ) t h i sp a p e ri st os t u d yt h ee f f e c to ft h ej e t t ye x t e n s i o np r o j e c tu p o ns h i p h a n d l i n g s a f e t yb yu t i l i z i n ge sm o d e la n du sm o d e l i nt h i sp a p e r , m a n e u v e r i n ge n v i r o n m e n t i sd e f i n e d 鹤a no b j e c tf o rs a f e t ya s s e s s m e n t ，i n c l u d i n gn a t u r a le n v i r o n m e n t ， g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ta n di n f r a s t r u c t u r ee n v i r o n m e n t t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：( a ) r e v i e wt h er e s e a r c hf i n d i n g so n n a v i g a t i o ns a f e t ya s s e s s m e n t i n t r o d u c et h ee n v i r o n m e n t a ls t r e s s m o d e la n d u n s a f es i t u a t i o nm o d e l ( c ) d e s i g na n dc a r r yo u ts h i pm a n e u v e r i n gs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ；c o l l e c t d a t af o ra s s e s s m e n tm o d e l s ( d ) c a l c u l a t em a n e u v e r i n g e n v i r o n m e n t a ls t r e s s ( e s l ) a n dp o t e n t i a la r e ao fw a t e r ( p a w ) ；a s s e s ss h i p h a n d l i n g d i f f i c u l t y a n ds a f e t yu n d e rg i v e nm a n e u v e r i n ge n v i r o n m e n t ，a n da n a l y z eh o w m a n e u v e r i n ge n v i r o n m e n ti sa f f e c t e db yj e t t ye x t e n s i o n k e yw o r d s ：m a n e u v e r i n ge n v i r o n m e n t ；m a n e u v e r i n gd i f f i c u l t y ；m a n e u v e r i n g s a f e t y ) m a n e u v e r i n ge n v i r o n m e n t a ls t r e s s ) p o t e n t i a la r e ao fw a t e r 、；妒 ，1叫、 厂：啊 目录 第l 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 海上交通安全评价的发展3 1 2 2 操船环境定量评价研究综述4 1 3 本文主要工作。6 第2 章操船环境压力模型8 2 1 操船困难度与操船环境压力8 2 2 操船环境压力模型9 2 2 1 操船环境压力模型的建立。9 2 2 2 操船环境压力模型评价标准ll 2 3 操船环境压力模型的解算1 2 2 3 1 操船环境压力模型解算流程图1 2 2 3 2 对方位权重和外力干扰的修正1 2 2 4 本章小结14 第3 章不安全操船状态模型1 5 3 1 不安全操船状态1 5 3 2 不安全操船状态模型。1 6 3 2 1 不安全操船状态模型的建立1 6 3 2 2 不安全操船状态模型评价标准1 7 3 3 不安全操船状态模型的解算1 7 3 3 1 不安全操船状态判定流程图1 7 3 3 2 预测航迹的描绘。1 8 3 3 3 最短停船时间的计算1 9 3 4 本章小结2 0 第4 章码头改造工程对操船环境影响的定量评价2 l 4 1 数据的获取2 l 4 2 操船困难性评价分析2 4 4 2 1 操船环境压力值的计算2 4 4 2 2 突堤延伸对操船困难性的影响2 7 l - p 目录 4 3 操船安全性评价分析2 8 4 3 1 船舶运动m m g 数学模型简述2 8 4 3 2 潜在操船水域的推定2 9 4 3 3 突堤延伸对操船安全性的影响3 4 4 4 操船环境压力模型与不安全操船状态模型的比较3 5 4 5 本章小结3 5 第5 章结论与展望3 7 5 1 本文结论3 7 5 2 存在问题及展望3 7 参考文献一3 8 附录a4 万吨级木片运输船操船模拟试验记录一4 2 附录b4 万吨级木片运输船操船模拟试验记录二_ 。4 6 附录c7 万吨级木片运输船操船模拟试验记录一4 8 附录d7 万吨级木片运输船操船模拟试验记录二5 2 致谢k 错误l 未定义书签。 研究生履历错误l 未定义书签。 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 在当前航运市场形势下，随着市场需求增加和企业规模扩张，对海上运力的 要求也越来越大，船型大型化带来的规模经济效益成为港口航运业关注的热点。 近年来为适应船型、运量和市场的发展以及规模经济的需求，现有港口的改扩建 项目屡见不鲜。码头的新建和延伸等改造工程的实施，由于改变了原有的港湾形 状和水域通航环境，有可能会影响到船舶的通航安全。 日照港石臼港区西区木片码头突堤改造工程就是典型一例。 图1 1日照港西港区木片码头地理位置图 f i g 1 il o c a t i o no fw o o d c h i pw h a r f 日照港西港区木片码头现已建设3 个4 万吨级泊位( 木l 、木2 、木3 ) ，地 理位置如图1 1 所示。随着市场的需求和企业的发展，码头管理部门决定将现有3 个木片泊位靠泊能力从4 万吨级提升到7 万吨级，由于现有泊位长度不满足7 万 吨级船型靠泊条件，需将突堤延长3 0 7 m ，并对泊位水域和回转水域进行拓宽和浚 第1 章绪论 深。突堤加长改变了原有的港口设计规划，使突堤端头至对面岸线间的水域宽度 减小，理论上将对突堤附近水域中船舶的通航安全造成影响，有必要对具体的影 响程度作进一步定量研究。 为了预防进出港船舶事故的发生，保障船舶航行安全，除了要提高操船者的 素质和船舶性能，加强船舶管理外，更重要的是确保港口水域良好的通航环境【l j 。 根据我国现行的法律和法规【2 】，对码头、船坞、船台等港口类建筑物建设，以及航 道和港池疏浚、航标、锚地、泊区等港口类建设项目，当项目涉及的水上水下施 工作业对通航安全有重大影响时，需要进行通航安全评估。评估要求主要包括： ( 1 ) 符合设计规范；( 2 ) 符合通航参数和安全系数要求；( 3 ) 符合远期船型航 行要求；( 4 ) 符合港口发展和长期规划的要求；( 5 ) 不存在隐患性影响，或存 在隐患性影响但已采取措施消除或缓解；( 6 ) 具备安全监管设施，并处于随时可 用状态；( 7 ) 具备系统性的安全保障条件；( 8 ) 船舶操作技术和通航环境符合 安全要求；( 9 ) 满足其它必要条件。从内容来看，通航安全评估只是分析各参数 是否符合技术规范和安全管理的要求，没有量化危险程度。因此，选择码头改 造工程对操船环境影响的定量研究这一课题是非常有意义的。 通航安全评估通常借助船舶操纵模拟试验来完成，利用模拟试验结果进行船 舶航行安全分析常用的评价指标有：( 1 ) 船舶航道航行危险性指标，( 2 ) 转向、 掉头控制危险性指标，( 3 ) 船舶靠泊操纵危险性指标。危险评价指标的取值一般 采用i 级、级、级、级的定性的等级划分标准，分别表示灾难性危险、严 重危险、临界危险、可忽略不计的危险。通航安全评估的最终结论是通过船舶航 行安全的综合评价指标来体现，该指标是上述三个指标的综合评价结果，其取值 仅赋予“成功刀或“失败 两种情况。这样的评价方法类似于风险分析中早期的 故障模式和影响分析( f a i l u r em o d e le f f e c t sa n a l y s i s ，f m e a ) 【3 】，不能体现故 障发生的难易程度或发生的概率；因此，现行的评估方法也只能定性地评价通航 安全性，不能定量地分析水域环境的变化对通航安全改善或恶化的具体影响程度。 本文以操船环境( 包括自然环境、地形环境和设施环境) 为切入点进行安全 评价，力图弥补现行的评估方法不能定量评价水域环境变化对通航安全影响的不 码头改造工程对操船环境影响的定量研究 足。本文旨在研究码头形状变化对操船环境的影响程度，从定量的角度分析码头 改造工程对附近水域通航安全的影响。为量化操船难易程度，考虑到最大船型单 船通过的通航模式，忽略交通环境压力的影响，选取操船环境压力值指标，引用 操船环境压力模型进行操船困难性评价；为量化操船风险，基于潜在操船水域概 念，以不安全操船状态为评价指标，引用不安全操船状态模型进行操船安全性评 价。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 海上交通安全评价的发展 海上交通是指定区域内个别船舶运动的组合或所有船舶行为的总体，它反映 了船舶、操船者、海上交通环境的相互作用 6 1 。海上交通安全评价就是对“人船一 环境一这个系统的安全状况进行估计和评价。安全与危险是相对的，所以安全评 价也可以通过对系统的危险水平评价来实现。其目的是判别系统是否达到规定的 安全目标或是否符合安全要求，并根据评价结果，对系统进行调整或采取某些完 善和加强安全的措施【1 1 。海上交通安全的研究一般可分为定性研究与定量研究。一 般意义上的定量研究是指在对问题的论证中采用数学工具，从量上进行分析研究， 从中找出其普遍规律性，揭示其内在联系，抓住其主要矛盾，从而为管理提供科 学依据，管理者做出最佳决策。 在安全评价中，必须依据安全科学理论和指标理论设计科学、合理的安全评 价指标、指标体系及评价方法，以定量化、可操作地评估系统安全水平及动态趋 势【7 1 。在制定i s m 规则以前，海运安全评价研究进展缓慢。国际上一直用“事故 数 、“事故死亡人数一、。千船事故率一、“沉船率一作为海上交通安全评价 指标【8 1 1 】，其后又提出“f - n 指标 1 2 1 。我国多年来都采用“事故数、“直接经 济损失一、“死亡人数 、“受伤人数一、“沉船率一5 个事故绝对数指标和1 个 “安全面 指标来评价水域或航运企业交通安全状况【1 3 j 。在专家的推荐下，1 9 9 6 年交通部在全国水上交通机关推广“安全指数 【1 4 】评价法。上述指标大多数为事 故指标，侧重以事故发生情况来考察海上交通安全状况，较少考虑系统危险因素 第1 章绪论 的安全状态，使得对海运系统的安全评价停留在事后评价的阶段 7 1 。英国于2 0 世 纪8 0 年代到9 0 年代在船舶安全领域中推出和应用了规范化安全评估( f o r m a l s a f e t ya s s e s s m e n t ，简称f s a ) 方法【1 5 1 ，并取得了较好的效果，后又将f s a 的概 念引入航运界，逐步在安全规则的制定、船舶设计及船舶营运中运用这一原理。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着对事前预防型安全管理的要求及对安全评价重视度 的提高，研究者提出了很多安全评价方法，如事故树分析评价法 1 6 , 1 7 】、概率风险 评价法【1 引、模糊综合评价法【1 9 - 2 2 、灰色系统安全评价法【2 3 2 4 1 、计算机模拟安全评 价法【2 5 ，2 6 】、神经网络评价法 2 7 1 、综合安全评价法 2 8 , 2 9 1 等。在这一时期，安全评价 研究摆脱了安全评价应用事故评价的局限，大多数研究者以海运系统中的危险因 素作为评价对象，所选取的评价指标和建立的评价指标体系对于特定条件下的安 全评价，具有一定的指导意义和应用价值 7 1 。 1 2 2 操船环境定量评价研究综述 对操船环境定量评价的研究，国内外专家学者均做了大量的研究工作 2 1 , 3 0 , 3 1 】。 港口航道水域操船环境危险度的综合评价 2 1 1 j 文引入了操船环境危险度 指标，对港口各航道操船环境的危险程度、整个港口航道水域操船环境的总体危 险程度以及操船环境各项评价指标对航道内船舶航行安全的影响程度进行了定量 的分析与评价。为了实现对操船环境危险程度较全面客观的评价，该文将船舶航 行安全评价中的模拟评价与数学评价相结合，以有关的操船模拟结果和研究结论 为依据，确定操船环境危险度的评价标准，选择灰色系统理论为数学评价工具， 实现了对港口水域操船环境危险度的综合评价。文中选取了能见度、风、流、航 道长度、航道宽度、航道弯曲角度、航道交叉状况、碍航物状况等八项因素对港 口航道水域操船环境危险度进行评价。 港口船舶航行环境危险度的灰色评估数学模型【3 0 】一文引入了航行危险度 指标，利用灰色系统理论指标定权聚类方法，通过分析选取了影响港口船舶航行 安全的下述主要因素：能见度，大风，港口最大流速，港口主航道长度，主航道 - 4 - 码头改造工程对操船环境影响的定量研究 与次航道交叉点和转向点的个数，船舶宽度与航道宽度之比，港口船舶交通量， 船舶交通密度，对我国沿海十个港口船舶航行环境的危险度进行了评估。 海上交通环境的综合评价方法 3 1 】一文提出了海上交通环境危险度的概念， 并选定影响海上交通环境的主要因素作为评价指标，利用层次分析法( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 和解析方法相结合的综合评价模型对海上交通环境进行定 量评价。文中考虑了影响海上交通环境潜在危险度的十项主要因素，其中交通条 件用会遇频率作为衡量指标，自然条件包括能见度、台风、大风、航道最小宽度、 航道最小水深、最大流速、航道离碍航物最近距离、转向点个数、交叉点个数九 个因素。 根据邵哲平等人对9 0 年代海上交通定量研究成果的统计分析 3 2 1 ，可以看出， 在交通安全评价研究领域，日本占据主导地位。上世纪8 0 年代末至9 0 年代初， 日本学者就航行环境的定量评价进行了一系列研究【3 3 彤】，提出了很多针对操船环 境评价的量化指标。 在对自然环境和地理环境的研究方面，新井康夫等在航行安全评价中的自 然环境条件的影响【3 3 】一文中，对影响操船能力的地理环境条件( 航道形状和潮 流因素) 与操船信息( 视程和光线因素) 提出了量化的指标，并验证了这些指标 与操船者的主观操船感间的关系。该评价方法适用于顺( 逆) 流航道自然环境条 件的现状评价，为客观评价各要素的影响，采取对策改善航行环境提供依据。 在对水域设施的研究方面，中村绅也在水域设施对船舶操纵安全评价影响 的研究【3 4 l 一文中，提出了港口水域和狭水道中适用的系统的安全评价方法，评 价得出在复杂的港湾设施环境中的主观操船困难度和潜在操船危险度；井上欣三 在基于操船者安全感的港湾水域设施的评价基准【3 5 】一文中，通过对5 6 2 名引 水员进行问卷调查，得到操船者的评价基准，并利用这一基准来评价港湾水域设 施的安全水平，以此改善港湾设施航行环境。 在操船环境综合研究方面，原洁在航行环境综合评价手法i 蚓一文中，采 用操船困难度( d e g r e eo f m a n e u v e r i n gd i f f i c u l t y ) 为指标的航行环境安全性评价方 法，并将操船困难度定义为操船负担与操船能力之比，操船负担( m a n e u v e r i n g 第l 章绪论 l o a n ) 用避航空间闭塞度量化，操船能力( m a n e u v e r i n gc a p a b i l i t y ) 则是由航道宽 度、航道水深、航道弯曲率、光线、视程等自然条件以及船舶种类等诸因素决定 的；井上欣三在以不安全操船状态为指标的操船安全性评价模型【3 7 】一文中， 引入潜在操船水域的概念，赋予指标值明确的物理意义，对不安全操船状态的判 定给出了量化的基准。另外，井上欣三在海上交通安全评价技术导则的研究【3 8 4 0 】 的系列论文中，在定量计算操船环境压力值和交通环境压力值的基础上，综合考 虑了环境负担、操船危险度和船舶操纵能力，提出了基于环境压力模型的操船困 难度评价方法，用以评价水域中的潜在危险。 在对船舶操纵能力的研究中，自然环境及航道地形环境也是其评价指标的重 要影响因子。小林弘明在船舶操纵特性对航行环境安全评价的影响 4 1 4 2 】一文 中仍然引入操船困难度指标，利用船舶操纵特性随船种、船长、水深和风的条件 变化对操船能力的影响来定量评价海域的操船困难度；在航路航行操船特性的 推定 4 3 1 文中，利用操船模拟器实验，基于船舶操纵性、风的作用和航路形状 等物理因素和人为因素的关系来研究船舶在航路中航行时的操船特性，以此来进 行航路中航行环境的安全评价；在航路体系设计方法的发展 4 4 , 4 5 】系列文章中， 用船舶航行密度( p ) 、航路交叉角( 口) 、航路中航行的船舶长度但) 和航行船舶的速 度( d 四个因素表征航路的特性来评价航路的情况。 1 3 本文主要工作 本文在广泛阅读现有文献的基础上，对海上交通安全评价的发展及操船环境 定量评价的理论进行了系统而全面的分析。利用相关研究成果，以日照港石臼港 区西区木片码头改造工程对附近水域操船环境影响的定量研究为内容，基于环境 压力和潜在操船水域的概念，引用操船环境压力模型和不安全操船状态模型，以 操纵模拟试验的方法对突堤延伸前后附近水域的通航安全分别进行了操船困难性 评价和操船安全性评价。并展望了通航安全评价定量研究的发展方向及应用前景。 本文主要工作： ( 1 )参阅国内外文献，对海上交通安全评价方法进行系统而全面的分析。 码头改造工程对操船环境影响的定量研究 ( 2 )通过实地调研和考察，充分了解课题背景，分析存在问题，确定通航 安全评价的定量目标，并选定恰当可行的评价指标和评价模型。 ( 3 )重点研究井上欣三等人有关利用环境压力评价操船困难性和利用潜在 操船水域评价操船安全性的相关文献，引入操船环境压力模型和不安全操 船状态模型。 ( 4 )利用海图数字化工具和船舶操纵模拟器开发平台，采用v i s u a lb a s i c 编程语言完成了海图和试验数据与评价指标值之间的转化与换算，并基于 m m g 模型完成了不安全操船模型在船舶操纵模拟试验基础上的实现。 ( 5 )利用操纵模拟器操船模拟试验实时数据记录，应用操船环境压力模型 计算码头突堤延伸前后操船困难性的变化。 ( 6 )利用操纵模拟器操船模拟试验实时数据记录，应用不安全操船状态模 型计算码头突堤延伸前后操船安全性的变化。 ( 7 )总结本文在环境压力模型和不安全操船状态模型建立和应用中存在的 问题，同时展望通航安全评价定量研究的发展方向及应用前景。 一7 - 第2 章操船环境压力模型 第2 章操船环境压力模型 2 1 操船困难度与操船环境压力 通航环境影响着操船的难易程度与安全性。环境的制约会导致船舶的位置、 航向、速度等行动自由度受限，从而使操船者感受到操船困难。若将该种困难的 程度定义为操船困难度【3 6 , 4 0 1 ，则当船舶性能和操船技能处于一定水平时，通航环 境越复杂，操船自由度越小，操船困难度就越大引。一般情况下，操船困难度 增大会导致操船危险性相应增大。 影响操船安全的环境因素包括以下五类：自然环境、地形环境、设施环境、 交通环境和信息环境。其中，自然环境中风、流等外力直接作用于船体，对船舶 运动产生影响；地形环境和设施环境则以可航水域范围、浅水效应和岸壁效应等 体现其影响和约束。考虑到以上三者均从物理空间角度制约船舶的运动和操船行 为，本文将它们合称为操船环境【3 8 , 3 9 4 9 1 。 为了研究通航环境与操船者危险感和操船困难度之间的关系，日本学者井上 欣三等提出了环境压力模型 3 8 , 3 9 , 5 0 5 1 】：将在给定的通航环境条件下，操船者由于担 心潜在危险的发生而产生的心理负担( 危险感) 定义为环境压力( e n v i r o n m e n t a l s t r e s s ，e s ) ，用环境压力值来表示操船困难度的大小。 环境压力又分为操船环境压力和交通环境压力。操船环境压力就是因操船环 境( 包括自然环境、地形环境和设施环境) 制约着操船自由而给操船者造成的心 理负担的定量化指标。该指标的量化概念如图2 1 所示【3 8 4 们。 操船环境压力值体现了操船环境与操船者的主观危险度( s u b j e c t i v ej u d g m e n t ， s j ) 之间的关系，操船者的这种危险感主要来自操船环境在物理空间上对操船自 由度的限制，具体表现为在给定的操船环境条件下( 不考虑他船存在的影响) ， 航行船舶与障碍物( 即地形环境与设施环境中的碍航物) 接近过程中操船者因航 行自由度受限而感觉到的危险程度。一般说来，在某一操船状态下，操船者会通 过本船与某障碍物的距离、本船航向及船速，估计出到危险发生( 即与障碍物发 码头改造工程对操船环境影响的定量研究 生碰撞或搁浅) 时刻的富裕时间( t i m et oc o l l i s i o n , t t c ) ，该富裕时间越小， 说明操船者采取避险措施的时间越紧迫，则操船者在此时对此障碍物的危险感就 越大。 环境条件i 包围着本船的周边环境 操船自由度制约 ( 水域制约) ( 行动制约) 危险发生前的富裕时间 困难性指标l 施加给操船者的环境负荷( 压力) 操船者感受到的困难性 通过操船吸收负荷 ( 船舶性能) ( 操船技能) 图2 1操船困难性的指标值化概念 f i g 2 1i n d e xc o n c e p to fm a n e u v e r i n gd i f f i c u l t y 2 2 操船环境压力模型 2 2 1 操船环境压力模型的建立 操船环境压力模型( e n v i r o n m e n t a ls t r e s sm o d e l ，e sm o d e l ) 以围绕在航行船 舶周围的操船环境给操船者带来的操船困难性程度( 操船环境压力值，啦) 作为 评价指标，进行操船困难性评价。实际上，在船舶航行时的任一时刻，操船者周 围的危险障碍物并不是单一的，综合考虑不同方位上的危险障碍物给操船者带来 的危险感才更贴近此时此刻操船者实际的危险感。那么，对应的操船环境压力值 也表现为各方位上操船者危险感的总和。 基于上述观点，井上等人建立操船环境压力模型如下1 3 8 3 9 风5 1 】： ( 1 )设定操船过程，并按一定的时间间隔进行分割，以各时间点处对应的 操船状态为研究对象。 第2 章操船环境压力模型 ( 2 ) 在某操船状态下，以当前航向为中心航向，考虑+ 9 0 。范围内，以航 向每变化l 。后的新航向为目标虚拟航向，计算各虚拟航向上的t t c 值。 计算公式如下： t t c = r v ( 2 2 ) 其中：r ：本船与结构障碍物之间的距离； 阢航速。 ( 3 )通过各虚拟航向上的t t c 值计算出对应的操船者的危险感s j l 值。t t c 值和对应时刻操船者的危险感之间的关系通过统计回归后置换得到，本文 借鉴由井上欣三等人通过操纵模拟试验和问卷调查的方式求得的对船长 的回归关系【3 3 】，公式如下： s 2 l = 口t t c + p 口= - 0 0 0 0 9 2xl o g l o ( g d + 0 0 0 9 9g t 10 ，0 0 0 g t ( 2 3 ) 口= 0 0 0 6 6 7 1 x e x p - 7 1 0 - 6 ( g r ) g t 1 0 ，0 0 0 g t = - 3 8 2 其中：s j l ：操船者因操船环境产生的主观危险感； t t c ：与结构障碍物发生危险之前的富裕时间； 口，：由本船条件决定的回归系数，操船者为船长。 在这里，井上等人将操船者的危险感等级分为7 级，跳值与操船者危险感等 级的对应关系为：+ 3 表示非常安全，+ 2 表示比较安全，+ l 表示稍稍安全，0 表示 既不安全也不危险，1 表示稍稍危险，2 表示比较危险，3 表示非常危险。 ( 4 ) 将以当前航向为中心9 0 。范围内各虚拟航向上操船者的观值累加， 可得当前的操船状态下操船者的操船环境压力值，公式如下： e s l2 s j l ， ( 2 4 ) f = - 9 0 0 9 0 0 ( 5 )判定该操船状态下的操船压力是否可容许( 评价标准见下节) 。 ( 6 )统计整个操船过程操船压力最大值及不容许状态概率。 当在所取航向1 8 0 。范围内均没有障碍物存在时，操船环境对操船者不施加压 力。为避免环境压力值出现负值而不便于理解，在计算e s l 值时，井上等人将危险 感等级跳值从3 的范围调整至晰的范围，新的跳值与操船者的危险感对应 关系为：o 表示非常安全，1 表示比较安全，2 表示稍稍安全，3 表示既不安全也 不危险，4 表示稍稍危险，5 表示比较危险，6 表示非常危险。 当所有航向上均无障碍物时，在1 8 0 。范围以内各虚拟航向上操船者的危险感 均为0 ，操船环境压力值为o 1 8 0 。= o ；当危险迫在眉睫时，无论船舶航向如何， 在1 8 0 。范围以内各虚拟航向上操船者的危险感均为6 ，操船环境压力值为6 x1 8 0 。= 1 0 8 0 1 0 0 0 。本文取操船环境压力最小值为o ，最大值为1 0 0 0 。 操船环境压力模型的评价法则，就是通过解算求得某一状态下的e s l 值，根据 e s l 值的大小来判断该状态下的操船困难性程度可否为操船者接受。因此，操船环 境压力模型的评价标准即e s l 值与操船者容许标准之间的判定关系，井上等人通过 对操船者进行调查问卷，对操船环境压力值与操船者容许标准进行统计分类，得 出4 个操船环境压力等级，具体对应关系见表2 1 5 2 。 表2 1 操船环境压力值( e s l 值) 与操船者容许标准的关系 t a b 2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e 睨le s la n dt h em a n e u v e r sa c c e p t a n c es t a n d a r d 第2 章操船环境压力模型 2 3 操船环境压力模型的解算 2 3 1 操船环境压力模型解算流程图 操船环境压力模型解算流程见图2 2 ： 设定操船水域和操船过程( 0 - t t ) ，读入本船和障碍物参数 l 从t ：0 开始，取每隔x t = l m i n 的操船状态为研究对象 l 对每个操船状态，以当前航向为中，1 , , - i - 9 0 。范围 内，取航向每变化1 为目标虚拟航向 今、 y 取r 为一大值 求出交点q ，并计算本船与交点的距离r i 斗- 个 糟个 一口九r l 丌畀i i l 阻：i l l l v - r l 计算s j l 值：s j l = d t t c + b i 计算e s l 值：e s l = s j l l l 统计整个摄船过程中操船压力值的最大值和不容许概率 图2 2操船环境压力模型解算流程图 f i g 2 2f l o wc h a l to fc a l c u l a t i o no fe sm o d e l 2 3 2 对方位权重和外力干扰的修正 井上等人提出了环境压力模型评价操船困难性的算法后，在具体的应用过程 中，对模型作了进一步的改善【3 射，其中包括对处在本船不同方位上的障碍物采用 不同的方位权重系数以及在模型中考虑外界干扰如风、浪、流的影响。 实际上，即使不同障碍物与本船之间的距离均相同，但当障碍物存在方位不 同时，操船者感受到的操船困难感也将不同；在这种情况下，一般地，船首方位 码头改造工程对操船环境影响的定量研究 的障碍物最危险，正横方位的障碍物相对比较安全，船尾方位的障碍物可认为基 本没有危险【4 们。因此，有必要对处在不同方位的障碍物赋予不同的重要性。在模 型解算过程中，计算障碍物与本船的相对方位，再根据相对方位的不同赋予不同 的权重。权重系数形为障碍物与本船相对方位0 的函数，即职妖护) 。从操船者的 角度出发，只有在操船者的视野范围内的障碍物才会使其产生危险感，位于视野 正前方的障碍物最危险，位于视野最边缘及超出视野范围的障碍物可认为没有危 险。而人的视野通常在左右各1 1 0 。范围内【5 3 】，设定权重系数在0 到l 之间，可简 单地认为从视野正中央至两侧1 1 0 。分布的障碍物权重系数变化为从l 到0 。由于 模型中考虑的障碍物分布方位在以本船当前航向左右各9 0 。的范围内，根据余弦 函数值的变化特征，方位权重系数形可按下面公式取值【3 8 】： w = c o s 嚣奶s 晤刃 ( 2 3 ) 根据模型解算出来的趴值，首先乘以方位权重系数职之后再进行累计求和 得到考虑方位权重的操船环境压力值。 另外，船舶在风、浪、流等外力作用下，操船者感受到的环境压力的变化与 在没有风、浪、流等外力作用的环境压力的变化将有所不同。一般地，横风、横 流时船舶操纵较为困难，而顺风、顺流时船舶操纵相对容易；当存在不同的外力 干扰时，操船者感受到的操船困难感也将与在没有外界干扰的情况下不同。因此， 有必要在模型中考虑风、浪、流等外界干扰的影响。根据操船环境压力模型的算 法，外界干扰力的影响，有可能减少操船环境压力值，也有可能增加操船环境压 力值，为安全起见，应取其大者进行计算。在井上等人的模型中，具体的算法如 下所示【3 8 l ： ( 1 )计算在本船当前航向左右各9 0 。的范围内航向每变化1 。的虚拟航向 上航速与风浪流等外力的合向量； ( 2 ) 利用计算得到的合向量( 包括大小和方向) 计算t t c 值，合向量的方向 作为本船的航向，合向量的大小作为本船的航速； 第2 章操船环境压力模型 ( 3 )比较考虑外力因素影响的t t c 值和不考虑外力因素的t t c 值，取较小 的t t c 值来计算s j l 值。 2 4 本章小结 本章引入了由日本学者井上欣三等人提出的操船环境压力模型。本文以操船 环境( 包括自然环境、地形环境和设施环境) 为对象，以操船环境压力值为评价 指标，进行操船困难性评价。模型中考虑了方位权重和风、流等外力干扰的影响， 并根据操船者主观危险度和操船困难感之间的关系，确定了评价操船环境压力容 许度的标准。 为了更加实际和客观地评价给定操船者与航行条件下通航安全的保障程度( 操船 安全性程度) ，有必要对安全状态和不安全状态进行定量的界定。 国际上在机械生产领域的安全研究中有一著名的事故法则即海因里希法则 刚，其结论是在机械事故中，死亡、重伤、轻伤( 包含无伤害事故) 的比例为l ： 2 9 ：3 0 0 。对于不同的生产过程，不同类型的事故，该比例关系不一定完全相同， 但这个统计规律说明了任何重大事故发生之前已经