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在船舶会遇时操纵者的船舶碰撞危险因素识别
摘要：
本研究以船舶营运者的角度，探讨在实际海洋环境中，影响航行安全的关键因素，即最大碰撞危险方位角（MCRBA）和碰撞危险开始显著增加的距离（DCRBIS），可能的危险因素。利用两艘船舶在不同的船舶相遇情况下（相对方位角分别为000°、045°、090°、135°），由船舶经营人估算船舶碰撞感知风险（PSCR）。然后，使用所有测量参数的平均值来识别对应于最高PSCR的方位角。通过对韩国海域200起船舶碰撞事故的调查，将MCRBA与最大频率碰撞方位角（MFCBA）进行了比较。在135°相对方位角下观察到最高的实验PSCR值，这与碰撞案例分析的结果一致，说明MFCBA等于112.5°–135°。值得注意的是，在涉及各类船舶碰撞情况的实验中，PSCR的大小在1.25–1nm的距离处显著增加。因此，诸如MCRBA和DCRBIS之类的碰撞风险因素可以用于为船舶运营商制定碰撞预防协议。
1、介绍
船舶碰撞事故会造成人身、财产损失和海洋污染。它们可能是由于外部因素造成的，例如海上恶劣天气和航行速度过快；但是，也必须考虑人为因素。先前的研究报告称，许多碰撞是由于船舶操纵员（即船舶航行人员）的错误造成的（Hetherington等人，2006年；Kim，2017年；Rothblum，2000年）。因此，在与目标船发生碰撞的情况下，设计相应的预防措施是非常重要的。海上事故，例如船舶碰撞，不是由任何一种因素引起的，而是由各种因素的组合引起的，形成了从事故原因到结果的事故链（Rothblum，2000）。Van Dorp等人。（2001）提出了事故链的五个步骤，即危险、危险、风险、后果和影响。如果我们能在这些步骤中的任何一步限制或封锁事故链，就能防止海上事故的发生。这项研究是在认识到在危险、危险和风险水平下，由领航员打破事故链。
SO在海上遇到TS时感知到的碰撞风险是由多种因素决定的，但遇到方位角和距离也很重要。在本研究中，除了研究船的速度和船对船遭遇情况的复杂情况外，只研究了相对方位和距离因素。最大碰撞风险对应的第一个参数定义为最大碰撞风险方位角（MCRBA）。第二个参数是碰撞风险开始显著增加的距离（DCRBIS）。这两个参数必须一起考虑。MCRBA和DCRBIS分别是描述相对方位角和相对距离的参数。
MCRBA是SO在遇到TSs时感知到最高碰撞风险的方位角。
引航员应在遇到情况时考虑MCRBA，并通过仔细观察TS的航向和速度，比平时更加注意避碰。如果可能的话，需要从这样的遭遇方位角中快速逃脱。SO必须比通常在DCRBIS更小心地操作自己的船（OS）。如果OS处于MCRBA和DCRBIS的情况下，与其他场景相比，它更有可能导致冲突；因此，OS必须考虑早期避免操作以防止冲突。通过SO在危险情况下采取的有效的避让措施，可以积极地防止船舶碰撞。
本研究的目的是通过测量SOs判断为碰撞风险水平的碰撞过程中的感知碰撞风险来确定MCRBA和DCRBIS，这两种方法可以作为航海人员碰撞风险因素的有效描述。
如果导航员知道MCRBA和DCRBIS，他们可以在近距离情况下的正确时间采取措施避免碰撞；因此，准确确定MCRBA和DCRBIS是非常重要的。
为了达到这一目的，同时也考虑到以往研究的局限性，设计了一个碰撞风险测量实验，在该实验中，SO在各种遭遇情况下（如迎面或交叉）看到并感知TS，以确定与SO的人为因素相关的碰撞原因。这里，SO的感知船舶碰撞风险（PSCR）是指当与TS的距离因遭遇情况而逐渐减小时，记录在1-100（值）范围内的感知碰撞风险心理水平（这里，“感知”是指包括检测到物体存在的所有步骤的过程明确指出（伯恩斯坦，2010年）。
根据《国际海上避碰规则》（COLREGs），如果船舶处于避让船位置，当值班人员感觉到的碰撞风险特别高时，有法律义务为待命船舶执行避碰航行（IMO，2003）。
在识别MCRBA和DCRBIS时，可以使用一种方法，即通过使用两艘船舶进行海上遭遇试验来测量船舶操作员的PSCR。然而，在实际使用大型船舶时，由于可能存在的碰撞风险和涉及的费用，这一任务很难完成。因此，AIS数据、模拟器或调查通常用于大多数研究。与此同时，对船舶碰撞风险的研究也提出了多种方法。例如，Lin（2006）使用模拟实验和问卷来评估值班人员的避碰行为。Inoue（2000）建立的环境应力模型考虑了由于其他船舶的影响，OOW在遭遇情况下遇到的船舶航行困难。在本研究中，我们使用模拟机和问卷调查的方法，来获得每个接触轴承的应力值。然而，由于没有进行实际的船舶实验，这种研究方法在准确识别实验参与者在船舶航行中遇到的困难方面存在局限性。为此，Yim等人。（2018）开发了一个多元线性回归模型，以实验研究船舶在各种碰撞情况下的风险感知。但是，没有将实验结果与现有的碰撞事故记录进行比较。作为船舶操纵员相关研究的一个例子，Wang（2012）将模型指数K建模为一个模糊系统，输入熟练程度和导航员的身心状态，以有效地考虑导航员状况对船舶领域的影响。Chin和Debnath（2009）利用海上飞行员回答的调查信息，对沿海航行中感知到的碰撞风险进行了建模。Silveira等人。（2013）根据AIS数据计算船舶碰撞概率。
目前对船舶碰撞风险的度量和评估研究较多。例如，Goerlandt等人。（2015）提出了一个综合的基于规则的模糊推理专家系统，通过咨询（通过访谈获取知识）和问卷确定知识领域。Lopez Santander和Lawry（2017）提出了一个非线性风险估计模型，试图捕捉海员的判断。调查问卷数据收集了捕获的和量化的海员对附近船只风险的判断，并使用从船只导航设备中已有的数据很容易获得的测量数据来描述每艘船只。
船舶域是一个众所周知的概念，古德温（1975）将其定义为“船舶领航员希望避开其他船舶或固定物体的周围有效水。”。（2018）在船舶领域的研究中，基于船舶操纵性数据进行模拟实验，以确定让路情况下避碰操纵所需的距离。然而，在使用模拟器进行的船舶碰撞研究中，由于模拟的场景是虚拟的，参与者比真实场景体验到的心理压力要小。为了克服这一局限性，本研究首先通过对两艘实船（韩国海岸警卫队大型船舶）进行遭遇情况实验，测量与人为失误相关的船舶碰撞风险，确定了MCRBA和DCRBIS。其次，对韩国海事安全法庭（KMST）的船舶碰撞案例进行了分析，确定了最大频率碰撞方位角（MFCBA）。通过比较，验证了MCRBA和DCRBIS的正确性。
{缩写：AIS，自动识别系统；ARPA，自动雷达标绘仪；BCR，船首交叉距离；BRM，桥梁资源管理；CES，碰撞遭遇情况；COLREGs，国际海上避碰规则；CPA，最接近点；CRBA，碰撞风险方位角；DCRBIS，碰撞危险开始显著增加的距离；DLDMP，平均PSCR值之间最大差异对应的距离；KMST，韩国海事安全法庭；MCRBA，最大碰撞危险方位角；MFCBA，最大频率碰撞方位角；NM，海里；OOW，值班人员；OS，自有船舶；PSCR，感知船舶碰撞风险；SO，船舶运营商；S1，情况1；TS，目标船舶。}
2、概念基础
2.1、PSCR值增加与船舶碰撞的关系
PSCR值的增加与船舶碰撞的关系PSCR值的增加与船舶碰撞密切相关。根据Ross（1975）的说法，当危险情况发生或可能发生时，人类会感知到风险。这里，“风险”是指损失、损害、伤害或任何其他不利、不受欢迎的情况、机会或涉及此类可能性的情况的可能性（Aven，2012）。操作船只的领航员也认识到了这种风险。当船舶在不同的方位角和距离相遇时，发生碰撞危险情况时，航海家会采取一系列措施来避免碰撞。在这种情况下，他们会察觉到碰撞风险。当船舶在遇到从右舷方向接近的待命船舶时成为让路船舶时，这些风险可立即转化为规避航行的负担（急性应力）（COLREGs，1972）。对于这种急性应激，航海家每天都处于应激状态，以避免与TSs发生各种亲密接触。在这里，典型的遭遇战是正面交锋和交叉交锋。
作为例外，当TS（即让路船）不执行避碰动作时，领航员可能在备用船上承受急性应力。在这里，压力被定义为当一个人在心理上或身体上难以应对的情景下感到焦虑和威胁（Lazarus，1993）。根据Hetherington等人。（2006），压力是导致人的错误的主要原因之一。
当人类处于压力之下时，它会影响他们的大脑和心脏，导致各种症状。应激对大脑的影响包括超敏反应和浓度降低。在严重的情况下，可能会出现恐慌症或其他恐慌现象。心脏受到影响时，血压和心率会升高（美国心理健康协会，2018年）。特别是，在遇到TS时，让路船的领航员瞬间产生的急性应力可能导致人为错误，例如在执行避碰动作时的错误。在这方面，报告的压力和错误与压力和违规之间存在正相关（Westerman和Haigney，2000）。开车的时候，如果我们遇到另一辆车开错了高速公路，我们可能都会有压力。急性压力是一个人在遇到困难情景、危机、紧急情况或急性情况时所经历的压力。
以这种方式引起的人为错误（未能执行规定的动作）可能是船舶碰撞的原因。关于这一点，已经进行了各种关于人的可靠性分析的研究，这些研究表明了人的错误和事故之间的联系（Bot，2004；Gould等人，2012；Hashimoto等人，2015；Strater，2004）。
2.2、MCRBA
图1显示了与碰撞风险相关的危险区域。
- COLREGs（1972）规则15是适用于两船交叉相遇的航行规则。它规定，右舷有另一艘船的船舶必须避开该船的航道，只要情况允许，不得越过船首。
- 假设该船舶受《退让船规则》（1972）第16条的规限，则退让船必须改变其航向，以避免与船舶上的一个靠岸相撞。因此，让路船的领航员感到了避让航行的负担。在这种情况下，如果让路船的领航员发生人为错误，或者如果站在船上的人不配合让路船进行避让航行，碰撞的可能性就会增加。这种情况下的方位角在右舷方向（图1）从000到135之间，在碰撞危险方位角（CRBA）的范围内。MCRBA是OOW感知到最高船舶碰撞风险的方位角。碰撞的可能性在MCRBA处最高；因此，必须确定在船舶遭遇情况下哪个相对方位角对应于MCRBA。根据让路船的航向，CRBA的设置范围限制在向右舷180°的相对方位角。
3、方法
根据图2所述的程序进行。
- 在研究A中，利用实船在海上进行了相遇情况实验，测量了SO的PSCR，通过统计分析得到的PSCR数据，估计了MCRBA和碰撞危险距离。
- 在研究B中，通过检查实际碰撞事故案例并收集和分析选定样本组的碰撞方位角来确定MFCBA。
- 通过比较研究A和研究B的结果，验证了所获得的MCRBA和DCRBIS。
3.1、
研究A:PSCR测量实验为了确定测量PSCR值的MCRBA，将两艘船舶分为OS和TS两类，然后在假设OS在右舷半圆形遇到TS的情况下，设计了实船实验。以纳米为测距单位，以节为单位测量速度，因此，本文中所有实验的结果均以纳米和节（kt）表示。因此，1nm为1852m，1节指每小时1海里（1852米/3600秒）的速度。
3.1.1、
实验船和参与者由韩国海岸警卫队提供两艘大型巡逻船。选择具有相似长度和吨位的船舶，以尽量减少实验误差。由于巨大的经济成本和碰撞风险，在实验中使用商船实际上很困难。相比之下，巡逻船由于训练有素的人员和船上有经验丰富的海警，可以安全地参与遭遇战。
表1显示了参与实验的船只的特征。OS的长度为90米，总吨位为1600吨，而TS的长度为91米，总吨位为1500吨。根据沿海船舶的通常速度，两艘船舶的基本速度均设置为10.0 kt（对于S4，TS为15.0 kt）。
附录A（补充材料）显示了实验中使用的TS（OS具有相同的外观）。附录B（补充材料）显示了试验船的操纵特性。
实验参与者是OS上的30名海岸警卫队官员。船长负责操纵OS，舰桥小组分为30名参与者和一个由6名军官组成的船舶控制小组。实验参与者组在每次遭遇情况下，只需在桥上监测其TS值来测量PSCRs，而船控组则在不参与测量实验的情况下进行船舶操纵任务。在实验之前，每个参与者都被要求假设他们是负责航海船只安全的水手。
附录C（补充材料）显示了参与者的人口统计特征。他们的年龄、经验和资格总结如下：受试者平均年龄38.27岁，标准差9.79，其中20、30岁的受试者占56.7%，40、50、60岁的受试者占43.3%。
3.1.2、实验场景
假设TS从右舷方向接近OS，在四个不同的方位角设置了四种PSCR测量的船舶遭遇情况。附录D（补充材料）显示了四种船舶遭遇场景。根据COLREGs（1972年），船舶导航规则规定，OS在遇到S2-S4（S表示情况）时具有让路船舶的位置，因为TS位于其右舷方向（规则16）。因此，OS必须向右舷改变航向，以避免TS.S1的航向。在这种情况下，两船必须向各自的右舷改变航向。
由于以下原因，PSCR测量距离从3纳米到0.25纳米不等。
根据KMST碰撞事故书面判决的TS感知距离分析（其中感知距离是OS的OOW第一次感知TS在航海过程中的存在时OS到TS的距离），在625起碰撞事故中，在5纳米感知距离内发生的事故占88.5%，而在2纳米感知距离内发生的事故占66.3%（KMST，2017）。此外，根据COLREGs（1972）第22条（光的可见度距离），长度超过50米的船舶侧灯和尾灯的最小可见度必须为3海里。因此，必须在等于或大于3nm的距离处进行测量。在本研究中，初始测量距离设定为3nm，在该距离处，肉眼可以清楚地看到TS。此外，实验在0.25nm的距离处终止，并进行规避操作以防止在该距离处发生船舶碰撞。在S1到S4的四个实验场景中，两艘船之间的最短距离被设
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