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船舶领域的统计研究
伊丽莎白·M·古德温
一个船舶领域可以被认为是船舶周围的海洋，驾驶员将其他船舶和固定对象保持在该海洋区域之外。在这篇论文中，古德温夫人描述了基于雷达模拟器性能和北海交通调查来确定领域大小的研究。她还建议将这一领域的概念应用于海洋交通工程问题和交通控制方案。
1.介绍。近年来，人们对海洋的兴趣越来越大，因为对世界来说，海洋是一种通讯手段、食物和矿物的来源.
所有这些都增加了海运所涉及的问题。据预测，到1980年，船只总数将比1969年增加约40%。与预期的海上交通量增加相结合的是目前建造更大更快船只的趋势。1963年，只有0.1 %的船舶重量超过40000吨。到1973年，这一比例升至2%，而最大的船舶平均载重吨位(g.r.t.)在14万千瓦及以上。这些较大的船只需要较深的水域，这样，特别是在相对较浅的水域，如北海，就没有那么大的航行空间。
如果不根据这些趋势采取行动，可能产生的后果不难想象。目前，每年在海上发生的严重事故数目虽少，但轻微性质的伤亡率却很高。1973年的数据显示，一艘每吨重达500载重吨位船只在一年内几乎有20%的可能受到某种程度的轻微损坏。因此造成的生命损失很低，但许多这种轻微的伤亡造成环境破坏，这是一个日益受到关注和重视的问题。由于单一单位所携带的石油和化学品的数量较多，如果要防止海洋的累积和最终灾难性污染，就必须减少目前船舶的损坏率。
因此，一般的要求是更有效地利用现有的水域。这导致了近年来一个全新的研究领域——海洋交通工程的发展，它体现了对这一问题的科学研究方法。日本人基本上是这方面的先驱，但现在许多国家正在进行许多关于各种海洋交通问题的工作。
2.船舶领域。本文所关注的特殊方面是试图确定任何一艘船安全航行所需要的水域。这就产生了船舶领域的概念，它可以被认为是一个有效的区域，相对于其他船只和静止物体，一个航海家想要保持自由。图1显示了从多佛到敦刻尔克穿越英吉利海峡时，某艘特定船只的其他船只和浮标的相对轨迹。在船的周围可以看到一个没有其他痕迹的区域，这就是那艘船的领域。类似的概念也存在于其他交通方式，甚至在任何人与人之间的情况下。在公路运输方面，《公路法》建议，根据图1中自己的车与该车之间的距离，领域限制应该是多少。虽然任何驾驶员都知道，在实际操作中所采用的标准在很大程度上取决于某一特定驾驶员的性情和经验，但域边界是由其他前方船舶的相对航迹所建议的。在空中，相应的想法是分离标准，但在这里，实际上是对飞机的运动进行控制，以维持这些标准，这些标准的设置是为了将飞行错误引起的碰撞风险降到最低。
与此相反，没有任何关于船舶之间分隔的建议，但很可能确实存在船舶领域，由航海人员自愿和几乎无意识地维护。因此，该领域的实际大小和形状将取决于各种因素，这些因素可分为三大类:
- 心理因素，例如海军陆战队的海上经验的长度
- 特定于一艘船的物理因素，例如航海家自己船的大小、相对速度
- 一个区域内所有船只的一般物理因素，例如交通密度、天气状况
3.数据的来源。由于这项研究的最终目标之一是考虑到船域对刚才建议的各种自变量的依赖关系，因此有必要能够测量这些变量并记录船的运动。数据的一个来源是船只的行为“军官防撞航海雷达模拟器训练,但它是必要的验证结果模拟情况下一些真正的生活经历,作为第二来源的数据,进行了一些交通调查北海南部的一个地区集中在灯船沉没。
所使用的模拟器是伦敦理工大学的Solartron雷达模拟器，这是一个“三艘自己的船”模拟器，最多可增加四艘移动目标船;有根据船的类型改变每艘船的反应的设施，并且可以产生一些可供选择的海岸线。在控制台上，Kelvin-Hughes的摄影绘图设备形成了一种方便的方法来绘制所有参与特定演习的船只的运动。船舶驾驶员在其职业生涯的不同阶段来理工学院学习防撞雷达模拟器课程。在分析的样本中，海洋经验的范围从6年到41年不等。这些练习都是“发现”类型的，因为在遇到这种情况之前没有对其进行初步讨论。学生们也不知道，除了练习后的课堂讨论之外，还会对他们的策略进行进一步的分析。所有演习都假定在雾中进行，能见度为1海里，因为所有航行决定必须仅以雷达观测为基础。
练习可分为四类:
- 简单的公海情况
- 其他公海情况
- 直布罗陀海峡的情况
- 多佛海峡的情况
在类型(i)中，每个学生都在一艘相似的船上，目的地相似，并且只能在他的雷达屏幕上看到教练控制的目标船的回声。在其他情况下，他可以选择所航行的船只类别，并在屏幕上看到除目标船只之外的其他“自己”船只的回声。每个练习都是实时运行的，并一直持续到冲突情况得到解决为止，这通常需要一个小时的时间。航迹图显示每艘船的航行情况，每隔六分钟显示一艘船的位置;此外，还记录了船舶的大小、最高航速和航海经验的长度。
虽然模拟练习提供了一种简单和廉价的获取数据的方法，但人们认为学生在学习情况下可能会有不同的行为;如果有的话，他们可能会过于谨慎，因为他们的行动将在以后讨论。由于域被认为是要保持清晰以便最小化导航问题的区域，所以这并不重要，因为获取最大值比获取最小值更合适。然而，由于模拟器的结果都是在较差的能见度，他们将有有限的应用;另一个缺点是可以引入的有限的交通密度。
海上交通调查是在伦敦理工大学航海学院的研究船“卡斯爵士号”上进行的，这艘船主要在泰晤士河上进行雷达训练，为此配备了三个雷达屏幕。因此，有可能在不妨碍船只航行的情况下，用它进行测量工作。这些调查是在距离哈威奇大约12英里的地方进行的，调查的中心是沉没的轻型船只，这为航行提供了有趣的综合考虑。伦敦区领航船在轻轨船附近巡航，来往泰晤士河口的船只在这一点上搭载或放下一名领航员。这些包括在泰晤士河港口和北欧之间航线上的船只，以及来自英吉利海峡的较大船只，而爱丁堡海峡并不适合这些船只。此外，哈威奇和费利克斯托之间还有一条浮起的航道，这使得考虑在这条航道以及公海上的移动成为可能。其他交通包括沿东海岸行驶，该地区良好的渔场吸引了几艘渔船，这是另一个需要考虑的变数。调查区域覆盖了道路交叉口，交通密度较高，交通向四面八方汇聚。
每三分钟拍摄一幅显示3厘米海洋雷达的照片，时间尽可能长，迄今已分析了三次分别拍摄的48小时胶片。通过投射连续的镜头，可以在调查期间对该地区的船只进行跟踪。在哈威奇引航站的帮助下，在后期阶段可以对该地区的许多船只进行识别，而且也可以仅按船型识别一些船只，例如渔船和渡船。在所有的41%的船只中，至少部分可以被识别。当考虑不同自变量的分析时，这一点很重要。
4.船舶领域的建立。痕迹的船只的跟踪这两个数据是可能的来源,从任何一艘船,以确定所有其他船只的距离和相对轴承在她的附近在任何给定的时间点,所以,他们分布在中央船可以绘制。如果这一过程在第二个时间点重复，并将第二个分布叠加在第一个分布上，则可以更好地了解任何时候中心船周围其他船舶的典型分布情况。如果这个过程在很多时间点重复，那么图像应该会变得更加清晰。除了考虑一艘船在若干时间点的情况外，还可以将给定区域内的每艘船依次视为中心船，并将得到的不同分布叠加起来，从而构建出一幅代表各种船和时间的图像。图2显示了以这种方式构建的典型分布，同样，清水的中心区域很明显，表示船舶领域。
编写了一系列计算机程序来为不同类别的中央船舶生成这些分布。两组数据每隔六分钟取一个时间点，以避免两艘船以较低的相对速度航行时的过度表示。根据模拟器的数据，他们还决定排除每项练习的前12分钟，让学生独立评估情况。指令控制的目标船不包括在中央船之内。在沉没调查数据中，任何不在正常开放海况下航行的船只，例如渔船、领港船附近的船只及在浮式航道内航行的船只，均不包括在内。
据认为，由于国际碰撞规则，该区域可能不会在一艘船周围的所有方向上对称。因此，人们会认为靠近左舷船头的船只比右舷船头的船只要多，因为在最后的相遇中，经过的船只将是左舷到左舷。船舶在离船尾较近的距离也可能被容忍，因为它们不再是中央船舶领航员的直接责任。因此，它决定把围绕中心船的分配分成三个部分。以任意时刻各中心船的参考线为船首方向，其他船舶的相对方位为连接两船的参考线与参考线之间的夹角0，按顺时针方向测量。
为了确定该领域的边界，有必要考虑如果没有船舶领域这样的概念将会发生什么情况。如果这是正确的，因此中心船没有影响，船舶点的分布，在任何扇区的距离，x，从中心船应该是一条直线，如图3所示。这条线的斜率将取决于该地区船只的总体密度和扇区的大小。然而，如果有一个区域，原本在中心船附近的船只将被移开。图3中的pecked线显示了这种情况;在x在(x A＜x lt; xc)定义的区域内，给定均匀密度，船舶数量小于预期，而在(xA ＜ x lt; xc)定义的区域内，船舶数量大于均匀密度下的预期。对于x gt; xc，情况已经恢复正常，扰动的影响已经结束。
5.域边界的范围。对于域边界的范围，已经考虑了各种不同的定义，在本文中称为“domange”。最简单的定义可能是任何人观察到的最近的距离，即图3中的xD。这不是很令人满意,因为它不同意真正的概念,一个区域的导航器想保持自由,由于没有物理域的原因不能违反和一些船只可能比需要接近,也许是因为误判或低效的值班。“domange”将会被一个极值扭曲，并不能反映大多数航海家的态度。第二种定义可能是，在所有船只中，只有1%或5%的任意比例的船只能够通过的距离。虽然这很容易应用，也很客观，但它太武断了，因为很少有人注意到这些船只的实际航行方向。另一个困难是确定离中心船有多远，在计算百分比时应计算船点的总数。
此前唯一发表过类似概念的著作是藤井裕久(Fujii)和田中裕久(tanaka)的著作。这一定义显然考虑到导航员的行动，考虑到大量船只被转移的距离，但从实际目的来看，这可能是一种过于保守的估计，因为船只愿意接受较小的距离，而不会造成太多问题。此外，典型曲线的峰度是如此之大，以至于没有很好地定义最大值，特别是如果数据是“有噪声的”。从实际的观点来看，用船点的数量而不是密度来计算更容易。图3中船点数量局部最大化时的xD距离将非常接近藤井和田中所定义的值。可以补充的是，这些作者只考虑船后的一个域，因此在任何情况下，概念都是不同的。
认为最合适的定义是在目前考虑的最大和最小极值之间产生一个值，但仍然反映了实际发生的位移过程。将“domange”表示为图3中的距离xA;这个距离使得所有x lt; xA的船点数小于给定无船域时的期望值，对于x=xA，情况第一次等于正常情况。它具有一个简单的操作解释的重要优点，因为它标志着一个边界，在这一边界内，中心船的存在使预期的其他船的数目减少，而在这一边界外，立即增加了预期的其他船的数目。
6. 区域边界的计算方法。一旦确定了定义，下一个问题就是计算“domange”的实际问题，因为数据相当不完善;我们的两组数据都产生了非常“嘈杂”的结果。一个主要的原因是，在任何时间点，某一区域内的船只不仅不受中心船的影响，还受彼此存在的影响。另一个原因是随后的时间点并不是完全独立的。模拟器数据还有其他一些尴尬的特点，重复的演习会在某些点产生峰值，其次，一旦避免了碰撞威胁，演习就会停止，因此只观察到一种接近模式，而不是分离模式。这最后一个是数据在离中心船更远的地方下降的一个主要原因。测量数据的主要缺点是距离雷达较远时雷达目标丢失。这种损失与距离的四次方成正比，并导致分布在更大的距离下降。因此，分析前必须对原始数据进行平滑处理，最简单和最令人满意的平滑方法是直接的三点移动平均线:
下一步是在观测值图上绘制均匀密度线。然而，单纯的图形化方法过于主观，代数拟合方法由于数据量的下降而不容易实现。人们曾试图推导出位移曲线的代数方程，但由于数据有噪声，这些尝试也未能始终取得成功。最令人满意的方法,称为取代数字的方法,利用这一事实一旦达到C点在图3的船点总数中定义的区域(x lt; xc)等于船点的总数在那个地区预期与统一的密度。一旦找到C点，就可以画出均匀密度线，并将“domange”作为平滑观测数据曲线与这条线相交的距离读出。
如图4所示。在数据不完善的情况下，这种方法总是能得到一个结果，而且是最客观的。然而，在这个项目的理论方面正在进行更多的工作，因为有一种容易电脑化的分析方法将是有用的，它将提供一种估计“多曼格斯”标准误差的方法。下面给出的结果显然只是来自一个数据样本，没有引用对其准确性的估计。重要的是结果的模式，而不是单个结果。本文仅考虑结果的选取。
7. 结果。船舶结构域的大小和形状受多种因素的影响。所调查的自变量及其资料来源如下:
1. 海域类型模拟器及沉陷调查资料2。2 .相对速度模拟器与沉陷测量数据4.总吨位模拟器及沉没测量数据船舶沉没长度检验数据5.船舶模拟器数据最大航速船舶航海经验长度模拟器数据7。以渔船为中心的沉船调查数据
(1)海域类型。表I给出了三个不同海域的“domanges”的计算值，分别是模拟数据能见度较差的海域和能见度较好的北海南部海域。不出所料，公海的价值是最大的，因为在这里，一艘船有最大的航行自由。同样，直布罗陀海峡的价值也大于多佛海峡，因为多佛海峡的交通日益拥挤。值得注意的是，对这些值进行的一系列统计显著性检验表明，除多佛海峡3扇区外，所有这些值都表明存在一个域。在任何情况下，这个值都被认为太低，更有可能是关于o-g n.m的真实值。，与北海南部的情况相似。调查数据的值与模拟器数据的值吻合得很好，因为人们认为南北海在能见度好的情况下可能表现出类似多佛海峡在能见度低的情况下的船舶行为。
(2)交通密度。综合考虑同一地区不同交通密度下的“domanges”值，可以进一步评估上述结果的可靠性。表二载列在沉没区分析的三次独立调查中，每次调查的“domanges”值，以及每次调查的交通密度。这是根据每个时间点上少于英镑英里的平均遭遇次数计算出来的。有趣的事实是，每个调查的“domange”值与密度测量值成反比。需要做更多的工作来发
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