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船舶定线制安全评估：伊豆岛西海岸推荐航路
Rina Miyake，Hiroko Itoh，Chihiro Nishizaki，Junji Fukuto
摘要：碰撞是最常见的海上事故。安全措施主要在极度拥挤的港湾实施。另一方面，日本太平洋沿岸海域虽然也很繁忙，碰撞事故也很多，但没有实施安全措施。作为一项安全措施，一条推荐航路会被实施在伊豆岛西海岸，这是日本海岸警卫队2013年启动的一项为期5年的改善海上交通安全项目的一部分。作者提出了一种船舶定线设计与评估方法，并将该方法应用于该地区推荐的航路。本文简要介绍了该方法，并给出了推荐航线的评价结果。
关键字：船舶定线、安全评估、经济效益评估、AIS、交通仿真
Abstract—Collision is the most frequent marine accidents. Safety measures have been implemented mainly in extremely congested harbours and bays. On the other hand, no safety measures have been implemented in coastal sea of the Pacific side of Japan, even though this area is also very busy and has a lot of collision accidents. As a safety measure, a recommended route will be implemented off the western coast of Izu O Shima Island as a part of a 5-year project for improvement of safety of marine traffic that Japan Coast Guard started in 2013. The authors developed a method for design and assessment of a shipsrsquo; routeing and the method was applied on the recommended route in the area. In this paper, the method is briefly described and results of evaluation of proposed recommended routes are shown.
Keywords—shipsrsquo; routeing; safety assessment; economic efficiency assessment; AIS; traffic simulation
- 引言
在日本这个岛国，船舶是必不可少的交通工具，每天都有大量的船舶进出港口。特别是在港口和海湾地区，由于许多船舶从沿海汇聚到一起，交通十分繁忙。因此，繁重的交通可能会增加船舶碰撞的风险。在交通量极大的东京湾、茨城湾、大阪湾和濑户内海，为了提高安全性，将通航规则或交通路线定义为《海上交通安全法》。另一方面，太平洋沿岸海域交通也十分繁忙，有许多船舶碰撞的高危区域。然而，该地区尚未确定任何官方安全措施。日本海岸警卫队（JCG）于2013年启动了一个为期5年的改善海上交通安全的项目，被称为“第三个交通愿景”[[1]]。该项目包括7个主题，其中之一是在沿海海域建立安全措施。作为该项目的一部分，JCG和国家海洋研究所（NMRI）在一项合作研究中提出了建立一项新的安全措施，以降低伊豆岛西海岸船舶碰撞的风险[[2]]。作者提出了一种船舶定线设计与评估方法。然后我们利用该方法确定了一条得到海事专家和与“区域”有关利益方广泛支持的建议航线。我们以前的论文详细介绍了推荐路线的设计和评估方法的步骤[[3]][[4]]。本文重点研究了推荐航线的候选方案等，即分隔交通流方案的评价方法，并描述了设计方案的评价结果。
- “伊豆岛西海岸”的推荐航线
伊豆岛西海岸是日本最拥挤的水域之一。2013年，该地区发生了499总吨和3000总吨级货船碰撞事故，造成6名日本海员死亡和石油污染。日本船长协会在该水域推荐了一条自愿航线[[5]]。然而，它并没有被法律强制执行。航海图上没有指明航线，因此没有日本船员的船只很难知道这条航线。因此，为减少该地区的碰撞事故，建立一条建议的路线来分隔东行和西行（确切地说是东北和西南方向）进出东京湾的交通流被认为是至关重要的。伊豆岛西海岸的推荐路线如图1所示。国际海事组织（IMO）海事安全委员会第98届会议（2017年6月7日至16日）通过了这条航线[[6]]。因此，该路线将于2018年1月1日UTC时间00:00实施。
图 1.伊豆岛西海岸推荐路线（JCG提供）
- 船舶定线制设计和评估方法
船舶定线设计和评估方法的步骤如图2所示。该方法大致包括三个步骤：（1）了解目标区域碰撞的原因，并确定原因的对策概念；（2）通过使用自动识别系统（AIS）数据和问卷调查进行分析，了解详细的交通状态，并确定具体的方案；（3）利用交通仿真评价方案的影响，选择最优方案。
首先，揭示目标区域的碰撞原因，并确定一个针对该原因的方案，如图2（A）所示。更具体地说，利用AIS数据和碰撞事故记录来观察交通流，并分析目标区域的原因。然后，考虑到目标区域相关利益相关者的意见，决定解决原因的政策。
其次，对现有交通状况进行了详细分析，确定了具体的应对措施。利用AIS数据对交通流进行问卷调查和详细分析，如图2（B）所示。考虑到上述情况，如图2（C）所示，设计了一些船舶定线方案，即分离交通流的方案。
最后，通过交通仿真，在安全性和经济性评价的基础上，选择最优方案作为原因的解决方案。具体地说，如图2（D）所示，估计由于各个计划的实施而引起的交通流的变化，并且通过基于现有交通状态的交通仿真来计算未来的交通流。根据仿真结果，从安全性和经济性的角度，通过与现有交通状态的比较，评估各个方案的影响，如图2（E）所示。最后，如图2（F）所示，选择最有效的计划作为原因的最佳对策。
- 在伊豆岛西海岸建立推荐航线的应用
4.1碰撞原因与量度概念
根据JCG 2005-2014年伤亡数据库分析，目标区域发生的碰撞事故大致分为两类：（1）船舶在对遇局面；（2）商船在回港途中或在渔场航行与渔船形成穿越局面下。为了减少前一种事故，人们认为在这一地区将东行和西行的交通流分开是有效的。分道通航将减少船舶迎头相遇的次数。为了减少后一类事故，分隔交通流也被认为是有效的，因为分隔的交通流使渔船的值班操纵变得简单。具体地说，渔船在穿越东西向交通流时，只需注意一侧，目前应注意两侧。也就是说，预计后一类事故将减少。
图 2.船舶定线设计和评估方法程序（来源[3]）
根据IMO发布的指南[[7]][[8]]，实现交通流分离有三种途径：（1）具有法律效力并有望产生强大效果的分道通航制（TSS）；（2）推荐航路，其法律限制比TSS小，但在海图上有规定；（3）无法律效力且未在海图上注明的自愿航线，如第二章所述的日本船长协会推荐的自愿航线。在这些方法中，推荐航路（2），一般来说，是用一条未规定宽度的中心线来分隔交通流的航路，由于这个原因，较大的船舶往往会行驶在离海岸较远的航路上。在这片海域，有很多来往的船没有日本船员。因此，自愿航路是不合适的。另一方面，考虑到对股东的影响，采用TSS是很困难的。所以，最后选择推荐航线的方法作为解决对策。
4.2 交通现状和具体措施
利用一年来最拥挤的AIS数据，详细分析了该地区1个月的交通现状，并对交通流特征进行了研究。
此外，这片水域是良好的渔场、许多渔船在这里航行和进行捕鱼作业。为了了解它们的活动，对该地区的渔业合作社进行问卷调查和活动船舶进行雷达观测。利用问卷调查的结果，对渔船的行为进行分析，估算渔船的总数和活动量。根据雷达观测结果，估算无AIS的船舶数量。基于这些分析，设计了以下三个推荐航路中心线候选方案[[9]]。
方案1：考虑该区域交通模式、事故和渔业活动的路线
方案2：在方案1的基础上，考虑安全和效率，延长南端的航路
方案3：在方案1的基础上，考虑将一条路线南端向东移动与渔场分隔开。
图3表示现有交通相遇频率的计划和分布。右边比例尺表示每天的相遇频率，红色表示相遇频率高，从而导致碰撞的高风险。下面将详细解释相遇频率。
图 3.基于相遇频率分布的推荐航路设计方案（根据[2]绘制）
4.3 交通仿真评价与最优方案选择
为了生成交通模型数据进行交通仿真，在分析现有交通统计数据的基础上，将该区域内航行的船舶分为渔船和按船型、大小和速度分为5组的其他船舶，分类如下：（1）客船群；（2）无AIS船群；（3）装有AIS的低速航行船群；（4）装有AIS的中速航行船群；（5）装有AIS的高速航行船群。并对各船群的交通特征进行分析。这些特征是船舶总数、船速、定义为主要航线的航道以及用伽马函数表示的航道中航行位置分布。基于这些特征，对现有交通流进行了交通仿真。
为了评估图3中设计的航路的有效性，必须估算航路实施后未来的交通流。为了估计未来的交通流量，采用了一位作者提出的方法[[10]]。该方法是在对福岛海域实施禁区航行前后的交通流进行观测的基础上发展起来的。在估算中，假设5%的船舶在每一条航路中并没有遵循新的航线。此外，由于推荐的航线将东西向交通流分开，基本上不允许东西向船舶反向航行，因此航道内航行位置的估计分布改为宽度较窄的形状。利用预测的未来交通流，进行了三个实例的交通仿真，并将仿真结果与现有交通流的仿真结果进行了比较。基于仿真结果比较的评估主要集中在安全性和经济性两方面。通常使用交通密度[[11]]、碰撞概率模型[[12]][[13]]、船舶领域[[14]]等作为安全评价指标。本研究基于碰撞概率模型的思想，以碰撞概率作为安全性评价的第一指标，能够估计碰撞事故的数量。使用该指数的原因是，碰撞次数与该指数大致成正比，在迎头相撞的情况下，有很多方向相反的商船组合碰撞。按目标划分的障碍区（OZT）[[15]]也被用作安全评估的第二个指标。OZT是一个热点，它是一个碰撞风险很高的区域，能够估计除了推荐航路的入口区域的迎头情况以外的遭遇情况的操纵难度。
经济效益评估由执行各自计划增加的航行距离造成。下一章将详细说明用于安全和经济效益评估的指标。
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安全和经济效益评价指标
- 相遇频率
事故频率表示为可能发生的事故数量和因果关系概率的乘积[[16]]。由于因果关系概率通常被看作是一个依赖于交通区域的数，本文只关注一个小区域，因此引入了不采取避碰措施时的碰撞次数，即可能发生的事故。本文利用相遇频率计算特定交通流可能发生的事故。
图 4. 均匀流中船舶的密度条件
相遇频率是单位时间内两组不同方向的船舶相遇的次数。如图4所示，考虑船舶在小矩形区域内的均匀交通流,船舶密度rho;i用（1）表示。如果有两个相反方向的交通流，两组Ngh中的船舶对遇频率用（2）表示。
式中Qi（ship/sec)为交通量，Vi（m/s)为船速，A（m）和B（m)为矩形区域的宽度和长度
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