摘 要

航海交通仿真能为港口和航道安全提供有效的交通信息。目前有大量的模拟来试图模仿船舶交通流，然而却没有一个现有的描述单船在航道中行为的模型。而实际的水路交通系统十分复杂，一个船舶交通仿真需要生成多种现实中存在的单船避让操纵行为。单船除了根据航道形状在航道中保持安全航行外，在与他船出现会遇局面时的避让操纵更为重要。特别是交汇水域的多船会遇局面下，如何选择避碰策略、应对变化的会遇形势、并采取适当的操纵方式成功避让，是在实际船舶操纵过程或者操纵仿真过程中的重要课题。本文将以交汇水域船舶交通为对象，介绍船舶操纵性、影响船舶操纵因素、交汇水域中的单船操纵行为，最后通过实例对交汇水域的单船操纵行为进行分析，在船舶操纵的细节研究上为航海交通仿真做出一定的帮助。

关键词：船舶操纵、交汇水域、船舶会遇 、船舶避让

Abstract

Nautical traffic simulation has been helpful to provide information of traffic details that provide information for the safety of ports and waterways. There are extensive simulations that try to mimic the ship traffic flow. However, none of the existing models describe the steering behavior of individual ship during the passage. The actual waterway transportation system is very complex. A vessel traffic simulation need to generate many steering behaviors of individual ship existing in the reality. In addition to maintaining the safety according to the channel shape of the waterway, the steering behaviors during encountering situations with another vessel are more important. In particular intersection waters with multi-ships encountering situations, the way of choosing a collision avoidance strategy, responding to changes in the encounter situation and taking appropriate ways to manipulate a successful avoidance is an important issue in the actual ship handling process or in the simulation process. This thesis sets ship handling, ship handling factors, the intersection waters single vessel manipulation in the intersection area of waterway as a object. Examples of the ship behaviors in intersection waters of single ship are analyzed in detail. Hopefully this research on ship maneuvering can set foundation for maritime traffic simulation in the intersection waters.

Key Words: ship handling; intersection waters; ship encounter; avoid collision

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景、目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1船舶交通流研究现状 1

1.2.2船舶仿真模拟的研究现状 2

1.2.3交汇水域船舶避碰的研究 2

1.3论文的主要研究内容 3

1.4论文的主要研究方法 3

第二章 船舶操纵性 6

2.1船舶回转性 6

2.2船舶追随性 7

2.3船舶航向稳定性 7

2.4船舶启、制动性能 8

2.5用K、T指数对船舶操纵性进行分类和比较 8

第三章 交汇水域的单船操纵理论研究 11

3.1船舶操纵方法 11

3.2交汇水域的含义 11

3.3船舶会遇类型 12

3.3.1追越 12

3.3.2交叉相遇 14

3.3.3对遇 15

3.4 交汇水域中的多船会遇 16

第四章 交汇水域单船操纵实例研究探讨 19

4.1船舶在通航分道航行穿越行为 20

4.2船舶穿越通航分道 23

4.3多船会遇船舶具体操纵 24

4.4渡船操纵 26

第五章 结论 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

水上交通运输在国际货物运输中占着至关重要的作用，而航道水域交通状况对水上运输安全和效率起着决定性作用。为了提高通航效率，降低水上交通风险，真实有效的船舶交通仿真能为水上交通安全安全提供有用的参考信息，而真实有效的交通仿真有赖于单船操纵行为的研究。目前,国内外专家学者在水上船舶交通领域已经有了很多的研究，但是其主要针对的是有单条航道的水域，而很少有对多条航道的交汇水域多船实际会遇情况的研究^[3]。虽然少数学者对航道网尤其是内河网进行了研究，但大多是静态研究，缺少对船舶交通流动态研究^[7][8]。而实际的水上交通系统十分复杂，一个船舶交通仿真需要生成多种现实中存在的单船避让操纵行为^[1]。单个船舶除了根据航道形状在航道中保持安全航行外，在与他船出现会遇局面时的避让操纵其实更为重要。特别是交汇水域的多船会遇局面下，如何选择正确的避碰策略、应对变化的会遇形势、并采取适当的操纵方式最后成功避让，是船舶实际操作或船舶交通仿真的重要研究内容^[4]。本文将借助水上船舶交通已有的研究成果^[2]，对已有的单船操纵行为进行查阅，搜集各种单船操纵行为及其特点^[6]，分析各种操纵行为所需的航道和通航环境，然后在交汇水域不同情况下船舶会遇类型^[16]及船舶为避碰所进行的可能避让操纵行为^[17][18]进行分析，最后对船舶避让后的效果进行思考，对船舶会遇在交汇水域的单船操纵进行探讨，这样不仅对提高水域交通安全有利用价值，还能为船舶航交通仿真理论、航道通航效率研究和交汇水域船舶避碰研究等做出一定的前期研究贡献。

1.2国内外研究现状

1.2.1船舶交通流研究现状

船舶交通流的研究多是对船舶交通宏观领域的研究，在国外，船舶领域^[9][10][11]的概念是由亚洲日本学者滕井弥平在1963年研究水道交通流量时提出的，并且还为日本的沿海水域提出了船舶领域的边界模型^[12]。其后在欧洲大陆的英国女学者古德温也建立了开阔水域船舶的领域模型。然后在应用船舶领域研究避碰时英国学者大卫提出了动界概念。这些都是国外关于船舶流的较早研究，。在国内来看，1992年，我国著名学者年邱民就在他的《船舶交通工程学》中对船舶流的定义分析和相关参数等做了详细的介绍。同一阶段，大连海事大学的方祥麟教授等通过海上交通实况调查后研究建立了动态航线简历模型和交通流模型。然后我校的刘敬贤教授等在分析天津港主航道船舶流到达规律^[13]时提出了运用数理统计方法分析得出结论的理论。

1.2.2船舶仿真模拟的研究现状

目前的船舶仿真研究主要由宏观仿真研究和微观仿真研究两部分¹⁴构成。其中宏观水上船舶交通仿真是以总体水上交通状况为对象,主要研究水上交通流模型¹⁵、水上船舶交通特性、航道水域交通规划和水上交通安全评估的仿真模拟。是在比较大的方面对船舶交通进行仿真研究。在国外，在1975年的时候亚洲日本东京湾所建立的海上交通安全系统调查的水上船舶交通模拟是较早的宏观船舶交通仿真。在国内，1998年在实施大连港的航道水域的规划和航道水域交通安全控制时专家们也进行了水上船舶交通模拟,它们主要针对水域网络、航路设计、水域安全、船舶操纵规则和港口锚地规划等展开，也是一种比较大范围的交通模拟。后来的日本奥山育英网络模拟等成为宏观模拟的代表,他们是主要评价船舶交通流特性的宏观性。微观船舶交通模拟模拟是以单船航行为对象,研究单船操纵的控制特性、单船避让操作特征、船舶间相互干扰和影响的一种船舶交通仿真。目前，我校安装的全任务大型船舶操纵模拟器是国内规模最大、功能最全的船舶交通仿真模拟器，它在船舶导航模拟、船舶操纵模拟和计算机模拟成像技术方面处于先进水平的，是一个较为先进的模拟器。

1.2.3交汇水域船舶避碰的研究

在早期的水上交通船舶避碰的研究是主要针对研究制定水上船舶避碰规则,减少或避免船舶发生碰撞危险和设定推荐或规划航路,减少或避免船舶与碍航物、其他船舶之间的碰撞这两个方面。国际上，在1961年，国际海事组织批准通过了多佛尔海峡船舶定线制。1985年《关于船舶定线制的一般规定》也通过了IMO大会批准,它对船舶定线制的定义、程序、规划方法、设计发展标准、船舶定线制使用等一系列问题做出了明确规定。在国内，上海市海运局在1974年初第一次提出我国建设首个分道通航制的方案,从而开始了我国管辖海域定线制的改革。随后，大连海事大学的初立辉、刘正江等专家学者提出根据水域船舶航行轨迹分布、船舶相对密度、船舶之间会遇类型、船舶航路形态、航区水深、水域助航设施、水域危险物分布、水上交通事故等因素来规划船舶交通的定线制。其后，运用群体决策方法评价定线制设计方案也在上海海事大学被张浩教授等提出，意义重大。近期大连海事大学王风军等提出了对船舶避碰仿真平台的设计探讨，我校程志友学长也对交汇水域船舶交通冲突作用机理及控制做出了一定的研究。

综上所述，国内外学者在水上交通领域已经做出了很多的宏观研究²⁰，从船舶交通流、船舶交通仿真模拟以及交汇水域船舶避碰等多个方面对船舶操纵进行了较为系统的探讨。但是，目前的这些研究探讨主要针对的是海域、单向航路以及具有单条进出港航路等水域，缺少对含有多条交通线路的多航道交汇水域的研究，更缺乏对交汇水域中多船会遇的单船操纵的探索。而实际的水上交通系统是非常复杂的，很多情况下一个航行水域并不是只有一条进出航路，而是多条航道来构成的交汇水域²¹，其中的船舶与风流影响、船舶与助航设施影响和船舶之间的影响与相互制约的关系^[3]是对船舶操纵有着很大影响的，水上交通领域的研究也需要在微观上进行进一步的研究，单船操纵应该得到重视，但是本人在查阅文献时发现没有一个现有的理论模型描述单船在交汇水域中的操纵行为，几乎都是针对宏观上的船舶交通流¹⁹的研究，而交汇水域的单船操纵在现实生活中却很常见，也更符合实际船舶操纵需求。再者，本人通过文献综述发现，操纵行为的细节研究将有助于开发更多更为真实的航海交通仿真和维护航道水域交通安全，单船操纵还没有被运用现有的模拟技术去广泛的研究和探讨^[1]。因此本文将从水上交通领域¹⁸的微观入手针对单个船舶介绍一些重要的单船操纵性质和交汇水域的单船操纵行为及对交汇水域单船操纵的探讨来促进一个更现实和合理的航海交通仿真的发展。

1.3论文的主要研究内容

（1）了解船舶操纵及其意义。