船舶仿真模型在新加坡海峡的发展与应用外文翻译资料

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船舶仿真模型在新加坡海峡的发展与应用

摘要：根据联合国贸易和发展会议的预测，新加坡海峡的交通量将大大增加。因此在不久的将来，对于海事部门（如新加坡海事和港口管理部门）来说，将船舶在海峡的移动轨迹拍摄下来十分重要。对于在狭窄且繁忙的航道里运动的船舶，本文提出了一种新型的船舶运动仿真模型。这种仿真的方法基于改进的元胞自动机模型，并通过专家判断、参考经验丰富的人员，将连续船只之间的相互作用考虑在内。离散事件模型被应用在海峡四个门户，生成具有不同类别和速度的船只。十艘跟船规则和五艘越船规则用于模拟驾驶员对各种导航场景的反应。该模型通过比较经过海峡的实际时间和从模型得出的时间进一步得到验证，最终表明了该模型的应用。

关键词：船舶运动、新加坡海峡、元胞自动机模型、离散事件模拟

1.介绍

从经济和战略角度来看，马六甲海峡和新加坡海峡是世界上最重要的航运水道之一。它是印度洋和太平洋之间的最短运输渠道，连接中东，中国，日本和韩国等重要经济体。每天最少有超过300艘船舶通过海峡，或每年最少约有100,000艘船舶通过海峡，其中有80％的石油被运往东北亚，同时有世界贸易商品的三分之一，包括中国制造的商品，印尼咖啡等在内。海峡的深度不足以容纳一些最大的船舶（主要是油轮）。海峡在菲利普斯航道的宽度缩小到2.8公里，在航运航道中只有2.1公里，是世界上交通阻塞的地方之一。如果海峡遭到封锁，则需要将全世界近一半的船队绕印尼群岛改航，通过位于巴厘岛和爪哇岛之间的Lombok海峡或位于爪哇岛或苏门答腊岛之间的Sunda海峡从而导致额外3天的航行时间。

为了提高在海峡航行的船舶的航行安全性，由于交通量的逐年增长，海峡已实施了管理和航行的几种解决方案。分道通航计划（TSS）于1981年5月1日生效，目的是在马六甲和新加坡海峡进行更安全的航行（MPA，2006年）。此后，通过建立行车线将相反的交通流分开，如图1所示。1998年，国际海事组织（IMO）采用了STRAITREP---在马六甲海峡和马六甲海峡的强制性船舶报告系统，由三个沿海国家（包括印度尼西亚，马来西亚和新加坡）提议的。从图1可以看出，STRAITREP将马六甲海峡和新加坡海峡分为九个区，以提高海峡内航行的安全性。 7–9区（图1中的矩形）由新加坡船舶交通服务中心（VTS）中心（也称为新加坡海峡）授权，而Klang VTS和Johor VTS分别是1–5区和6区的主管部门。与马六甲海峡相比，新加坡海峡具有独特的水文和航海特征，如明显更窄、更浅的运输路线，有特征的潮汐和海流状况（平静），独特的船舶交通服务系统等。这些独特的特征使新加坡海峡与马六甲海峡明显不同，新加坡海峡被认为是新加坡和马六甲海峡的瓶颈。

图1. STRAITREP的实施区域

上述两种管理和航行的解决方案对该海峡内船舶的航行安全具有重要的贡献。根据航行调查和事故分析，海事部门批准并实施了这些解决方案。显然，清楚地了解海峡船舶的动向将有助于海事部门确定合适的战略，以便更好地管理海峡----更大的容量，更短的通行时间，以及更少的事故。但是，由于时间和资源的限制，交通调查和事故分析不容易完成。此外，当未来交通量显着增加时，不可能获得海峡内船舶运动的图像。根据联合国贸易和发展会议发表的《2008年海上运输评述》，全球海上贸易预计到2020年将增长44％，到2031年将翻一番（UNCTAD，2008）。相应地，这将导致通过马六甲海峡和新加坡海峡的海上交通量增加。因此，应该提出一种方法来在具有明显交通流量的海峡中获得船舶运动的宏观参数，这将有助于当局制定和评估新的运行建议。在本文中，计算机模拟用于模拟海峡内船舶运动的实际情况。由于该部分的重要性和更优的数据可用性，我们将仅在新加坡海峡进行船舶航行。马六甲海峡的模拟也可以类似地完成。

许多研究人员为船舶运动的仿真模型做出了贡献。土耳其研究人员进行了一系列研究，并在过去15年中将其用于土耳其海峡的安全航行。一些代表性的作品总结如下。 Kose，Basar，Demirci，Guneroglu和Erkebay（2003）建立了基于离散事件模拟的伊斯坦布尔海峡海上交通事件模型。 Ince和Topuz（2004）提出了一种安全的航行模型设计，该模型包含了船舶的到港以及水动力机制。 Mavrakis和Kontinakis（2008）提出了博斯普鲁斯海峡海事运输的排队模型。在这些模型中未考虑船长和驾驶员的行为。 Tayfur Altiok团队针对较窄的水道采取了另一种方法，该方法减少了计算时间。他们简单地将水路划分为多个切片（或单元），取感兴趣的单个船舶并计算同一切片中所有其他船舶的相互作用（Uluscu＆Altiok，2009）。Celik领导的团队在研究此问题时采用了模糊技术（Celik，Cebi，Kahraman，＆Er，2009; Celik，Er，＆Ozok，2009; Celik，Kahraman，Cebi，＆Er，2009）。最近，Szpak和Tapamo（2011）根据提出的背景减除模型解决了在水域中移动船舶的跟踪问题。自本世纪初以来，主要由三所美国大学组成的独立小组包括：乔治华盛顿大学，弗吉尼亚联邦大学和伦瑟里尔理工学院，他们开发并持续改进其海上交通运输模拟模型（Merrick＆van Dorp，2005； van Dorp＆ Merrick，2009； van Dorp，Merrick，Harrald，Mazzuchi和Grabowski，2001）。在他们的研究中，对于遇到船舶的每种情况，都会计算最接近点（CPA），以及相互作用的角度和到达CPA的时间。该模型已被小组广泛应用于评估和（/或）管理风险（例如华盛顿州立渡轮）。

根据《马六甲和新加坡海峡通行计划指南》（2008年），警告船长在穿越马六甲和新加坡海峡时要格外谨慎，并采取必要的预防措施。如果在船舶运动仿真模型中忽略了船长行为的影响，则可能导致不合理甚至错误的结果。但是，上述模型并未系统地解决船舶间的相互作用。因此，在这项研究中，新的一个新加坡海峡船舶运动仿真模型结合了船长的行为和有关新加坡海峡的航行规则的影响。

元胞自动机（CA）模型被认为是具有高效率的仿真模型，能够描述交通拥堵时驾驶员复杂的行为。 鉴于CA模型，许多交通流量模拟软件（如CELLSIM和TRANSIMS）已经开发出来，因为它具有简单性和高计算效率。CA模型将交通车道离散为多个纵向单元。船舶根据其速度从一个单元移动到另一个，该速度由船舶遵循的规则确定。根据我们的文献综述，迄今为止尚没有基于CA模型开发船舶运动的仿真模型，这可能是由于两个可能的原因造成的。首先，不同于将交通通行限制在车辆通行车道上，船舶运动可以沿着预定的航行路线显著地漂移。因此，速度不适合像道路CA模型那样被假定为一个方向。其次，Nagel和Schreckenberg（1992）提出的用于道路通行的四种车辆遵循规则似乎过于简单化，不足以模拟船舶的运动（Nagel＆Schreckenberg，1992）。

在这项研究中，提出了一种基于CA模型的船舶运动模型，用于捕获新加坡海峡内具有不同交通量和船舶组成的交通运动的图片。该模型考虑了新加坡海峡的独特特征。 二维速度用于表示船舶运动，并且基于来自船长的专家判断，船舶相互作用模型被用于模拟水手对各种航行场景的响应。 通过使用Lloyd MIU AIS船舶运动数据库（2009年7月10日至7月20日）得出的海峡中的实际航行时间统计数据，进一步验证了该模型，并说明了该模型应用的可能性。

2.新加坡海峡的背景

2.1水文状况

如图2所示，海峡运输干线的宽度从东到西变化。海峡的运输路线在第8区的圣约翰岛附近狭窄至2.1公里，东行1.6公里，西行0.5公里。新加坡海峡的平均水深为39.5 m，大多数地方的深度都超过25 m。但是，第8区仍然只有一个非常浅的区域（1°12acute;36acute;acute;N； 103°53acute;10acute;acute;E），这会导致船舶有搁浅或碰撞的风险。

图2.新加坡海峡的通航路线

在新加坡海峡，雾非常罕见。但是，烟雾阴霾的确会出现问题，将能见度降低到不到1英里，这是由于旱季（主要是8月至10月）印度尼西亚岛屿上的大火烧毁了森林造成的。 此外，在白天或晚上的任何时间都可能会下大雨，这会严重限制能见度，有时还会对雷达故障产生不利影响。风通常很小且多变，平静程度较高。

新加坡海峡遇到的潮流并不总是在TSS的轴线上。金钟潮汐表（ATTs）提供了最大水流的速率和次数以及缓流的次数。表1显示了新加坡海峡及其周围地区ATT预测的图表点。

表1.新加坡海峡及其周围地区的ATT预测图表点

在当前研究中，通过使用离散事件模型考虑了能见度，风，海流和潮汐，而由于降雨是非常罕见的事件，因此由雨水引起的雷达故障未考虑在内。

2.2 航行条件

从波斯湾运往东北亚的石油有80％要通过新加坡海峡，那些载满油的油轮和超大型原油运输船（VLCC）需要的吃水深度比其他类别的船还深。因此，图3中突出显示的深水航路被指定用于东行深吃水船。可以注意到西行没有深水航线，因为来自东北亚的油轮和超大型油轮大多是空的，不需要深吃水。图4（3）显示了圣淘沙岛附近的西行和东行与深水路线，图4（4）显示了东行与深水路线的汇合点。

图3.新加坡海峡的深水航路

图4.新加坡海峡的东行和西行

如前所述，TSS于1981年生效，以确保海峡两岸的航行安全。图4（1）和（2）分别描绘了航运水路的东行和西行。 应该指出的是，东行和西行分别被进一步分为八段和七段。 根据“通道规划指南”，一条干线在导航，操作和水文方面没有实质性差异。新加坡港和裕廊港是世界上最繁忙的集装箱港口之一，占世界航运集装箱的1/5（PSA，2011年）。数百艘船停泊在从新加坡海峡到新加坡港口或裕廊港的港口。结果，有两个冲突区域存在，图5中与连接航站楼的航道相邻的惊叹号三角形显示了这一点。两个冲突区域中的船舶穿越的相互作用很难模拟。

图5.新加坡海峡的冲突地区

2.3 交通状况

在我们的模型中，通过海峡的船舶分为四种类型：超大型油轮，油轮，集装箱船和其他。 超大型油轮应该经过8区的深水航道。我们假设一半的油轮吃水深度为15 m或更长，它们也将在深水航道中航行。表2中总结了2002年至2007年通过海峡的船舶数量。表3中总结了各种类别的船舶参数。

2.4 条款和规则

对于在马六甲海峡和新加坡海峡航行的船舶制定了一些规则。 我们在下面列出了有关限速和深水航道的规则，这些规则对于我们的模型至关重要。

表2.分布通过新加坡海峡的各类船只

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