摘 要

水上交通运输产业是我国重要的经济支柱产业。水上运输的水上交通事故发生时会造成恶劣的后果，特别是在船舶交通流量大、船舶类型多样、水域环境复杂的交汇水域，事故风险更为突出。对船舶的交通冲突进行风险分析与计算是判断船舶之间交通冲突危险程度的定量方式，可以直观有效的获取两船间的交通冲突风险，从而遏制水上交通安全事故的发生。因此，对交汇水域的交通冲突进行研究是保障水上交通安全的重要措施。本文通过综述国内外水上交通风险分析方法，基于AIS数据分析水上交通风险的方法，根据交汇水域交通冲突的种类与特点，建立交汇水域交通风险定量计算的模型，并将模型投入到长江中游武汉段实例中进行运用。主要的研究内容如下：

（1）采用交汇水域AIS数据建立基于核密度估计法的船舶航行轨迹场与速度场。通过引入弗雷歇距离对传统基于欧氏距离的层次聚类法进行改进，提高船舶轨迹聚类分析的可靠性。并在分析IWRAP建模思想的基础上提出了交汇水域交通冲突风险概率估计的定量计算方法。

（2）基于长江中游武汉段的AIS数据，建立轨迹场与速度场得出航迹交汇的水域，以及船舶轨迹密度大、航速大的区域和时段。通过层次聚类以及模糊聚类获取航路分段轨迹与转向点，再利用聚类算法筛选出轨迹相似度低的11艘渡轮。同时，运用IWRAP模型计算研究水域分段轨迹、转向点的风险值以及渡轮与他船会遇的风险值。

（3）根据长江中游武汉段交汇水域特点及风险计算结果。基于水上交通风险产生的机制，结合监控风险因素、控制风险事件、风险应对措施三个不同层次与船舶营运安全系统的“人-机-环境-管理”理论提出水上交通风险的防控措施。

该方法可用于内河轨迹交汇航路的船舶冲突风险的定量计算，将冲突风险定量计算落实到不同冲突类型上。该定量风险计算结果也能为研究水域的交通冲突风险防控提供有价值的意见，为水域内的交通安全提供保障。

关键词：交汇水域；交通冲突；定量风险计算；防控措施；AIS数据

Abstract

The maritime transportation is one of the most important industries and a significant economic pillar in China. When the marine traffic accidents happen, it would cause serious consequence, especially in the intersecting water area where the traffic volume is large, the types of ships are diverse, and the navigation environment is complex. The analysis and calculation of the ship's traffic conflict risk are a quantitative method for judging the degree of traffic collision risk between ships. It can intuitively and effectively obtain the traffic collision risk, in order to curbing the occurrence of maritime traffic accidents. So the study of the traffic conflicts in the intersecting waters is an important measure to ensure the safety of maritime transportation. This paper summarizes the domestic and international maritime traffic risk analysis methods and chooses AIS data to analyze the risk of traffic conflicts in the intersecting waters. Then set up a model for the quantitative calculation of traffic risks in the intersecting waters, and put the model in the Wuhan section of the middle reaches of the Yangtze River. The main research content is as follows:

(1) The map of trajectory and the map of speed field in the area were visualized by using the kernel density estimation method based on AIS data of the studied water area. By introducing the Freych distance, the traditional hierarchical clustering method based on Euclidean distance is improved to cluster the ship's trajectory in the studied water area. According to the IWRAP model, the risk of marine traffic conflicts is calculated quantitatively by using AIS data.

(2) Based on the AIS data of Wuhan section of the middle reaches of the Yangtze River, the risk areas are filtered by visualizing the map of trajectory and the map of speed , the area of the ship trajectory density and the high speed region and time period. Through hierarchical clustering and fuzzy clustering, the trajectory and the steering point of the route are obtained, and the trajectory of 11 ferries with low similarity is screened by clustering algorithm. At the same time, the risk value of the ferries is calculated by using the IWRAP model presented in this paper.

(3) According to the characteristics of the intersecting waters and the traffic conflict risk calculation results, based on the mechanism of traffic risks, the prevention and control measures for maritime traffic risks are proposed from the three aspects: monitoring risk factors, controlling risk events, and risk response measures in combination with the “man-machine-environment-management” theory of ship operating safety systems.

This method can be applied to the quantitative calculation of ship conflict risk in the waters of trajectory intersecting, and based on different conflict types, the conflict risk is calculated. The quantitative risk calculation can provide valuable advice for the prevention and control measures of traffic conflict in the waters, and provide the guarantee for the traffic safety in the water area.

Key Words：Intersection waters；Traffic Conflict；Quantitative risk calculation；Control measures；AIS data

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的和意义 1

1.2 研究的基本内容 2

1.3 研究方法及技术路线 2

第2章 国内外研究现状 4

2.1 概述 4

2.2 水上交通风险分析的宏观方法 4

2.3 水上交通风险分析的微观方法 5

2.4 水上交通风险防控 7

2.5 本章小结 7

第3章 交汇水域交通冲突的界定 9

3.1 概述 9

3.2 交汇水域概念 9

3.3 交通冲突概念 10

3.3.1 交通冲突的种类 10

3.3.2 交汇水域交通冲突的特点 12

3.4 本章小结 13

第4章 交汇水域交通冲突风险计算模型研究 14

4.1 概述 14

4.2 交汇水域交通冲突风险计算方法 14

4.2.1 轨迹场以及航速场的构建 14

4.2.2 航迹聚类研究 16

4.2.3 交通冲突风险计算模型 17

4.3 武汉段交汇水域交通冲突风险计算实例 19

4.3.1 基于AIS数据构建轨迹场与航速场 19

4.3.2 航迹聚类研究 22

4.3.3 基于IWRAP的交通冲突风险计算结果 22

4.4 本章小结 28

第5章 交汇水域交通冲突风险防控 29

5.1 概述 29

5.2 监控风险因素 29

5.3 控制风险事件 32

5.4 应对风险措施 32

5.5 本章小结 33

第6章 总结与展望 35

6.1 总结 35

6.2 展望 35

参考文献 36

致 谢 38

绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

水上交通运输是中国的重要的产业之一，也是中国重要的经济支柱。中国的进出口贸易中，90%的石油进口和99%的矿石进口都在海上运输，90%的进出口贸易是通过海运实现的。船舶运行的环境复杂，且经常会受到不确定的复杂气象影响，导致有海难事故发生的风险。水上交通事故发生时，不仅会造成经济损失、人员伤亡，更严重地则是对环境造成的污染。自党的十六届五中全会确立了“安全发展”的指导原则后，安全生产管理融入了工业生产中的煤矿、交通运输领域。就水上交通事故而言，在20世纪90年代中期以前，水上交通事故平均损失较低，进入21世纪以来，事故后果明显扩大，恶性事故增加明显。

虽然各国都在推进水上交通安全管理的研究，政府主管机关以及港口航运企业的管理人员对于安全愈发重视，水上交通安全的管理水平也有所提高，但是船舶所需通航环境与实际通航环境仍存在差异与冲突。在交汇水域、弯曲或狭窄航段、船舶进出港航道，乡村渡口等水域中，船舶航行时进行避让操作的难度较大，水上交通安全形势依旧严峻不容小视。船舶航行在船舶类型复杂、交通密度大的交汇水域时，由于复杂通航环境的限制作用，船舶会遇时的操纵限制很大。船舶之间也会产生复杂的制约，从而增大了该水域船舶事故发生的概率。

现如今，中国的上海港、天津港、宁波港、深圳港、广州港等港口都已在世界范围内属于前十大港口，各港口的货物吞吐量以及航班数量巨大。在港口周围的水域，由于船舶流量增多，存在着航路交汇、船舶避让难度大的问题。上海港附近大量船舶聚集的吴淞口警戒区是一交汇水域，船舶密度大，航路拥堵进而造成复杂的通航环境。通过95年至04年长江口事故统计数据可知碰撞事故数占总事故件数的30%~50%。因此，对交汇水域交通风险进行计算与防控对于遏制事故发生有现实意义。

1.1.2 研究目的和意义

水上交通事故的发生会造成巨大的经济损失以及人员伤亡，对水上交通事故的致因、风险、防护措施、应急救援措施进行研究是保障水上交通安全的一种方式。交汇水域是天然或人工挖掘的航道交汇处水域和由航路交错导致的船舶流交叉穿越的水域。交汇水域的交通流量大且交通流方向复杂，通航秩序较混乱从而导致交通冲突的次数多，船舶驾驶员操纵船舶时安全压力更重。 因此，在船舶交通流量大的交汇水域，船舶会遇时风险增加。 当能见度差，海况恶劣，气象条件不利时，交通安全问题尤其突出，一旦发生交通事故，将造成严重后果。

当船舶发生交通冲突后若没有采取有效的避让措施，将有很大可能性会演变成碰撞事故。对船舶的交通冲突进行风险分析与计算是判断船舶之间交通冲突危险程度的定量方式，可以直观有效的获取两船间的交通冲突风险，从而采取应对措施，预防风险的发生或者降低风险发生的可能性。因此研究交汇水域的交通冲突是保障水上交通安全的重要措施之一。对交通冲突的风险进行评估与预测有利于在事故发生前获悉风险等级，从而在事前能够规避风险，有助于主管机关制定更安全有效的交通管理规则以及相关的防控，应急救援措施。

1.2 研究的基本内容

为提高交汇水域交通冲突风险计算的准确性，论文将重点研究船舶类型、航速、航迹向及其夹角对整个交汇水域交通冲突风险的影响，基于时空AIS数据构建适用于交汇水域的交通冲突风险计算模型，并在ArcGIS平台上对定量计算的交通冲突风险进行可视分析。根据交通冲突风险计算结果及交汇水域特点，结合现代海事管理理念，提出交汇水域交通冲突风险防控管理措施及建议。

（1） 交通冲突风险定量计算：本文重点研究船舶类型、航速、航向及其夹角对整个交汇水域交通冲突风险的影响，基于时空AIS数据构建适用于交汇水域的交通冲突风险计算模型，利用MATLAB实现交通冲突风险的定量计算。

（2） 交通冲突风险可视化：为直观展示交通冲突风险在不同区域不同时间内的变化规律，为后续风险防控管理提供数据支撑，在ArcGIS平台上对定量计算的交通冲突风险进行可视分析。

（3）交通冲突风险防控管理：以典型的交汇水域为研究对象，验证论文提出的交通冲突风险计算方法的有效性。根据交通冲突风险计算结果及交汇水域特点，结合现代海事管理理念，提出交汇水域交通冲突风险防控管理措施及建议。

1.3 研究方法及技术路线

本文首先根据交通冲突的定义，对交汇水域不同状态的交通冲突进行分析。首先基于AIS数据构建航速场与轨迹场模型，再对其进行聚类分析，筛选出有

交通冲突风险的船舶，利用交汇水域交通冲突概率模型计算风险。最后针对计算出的研究水域交通冲突风险提出防控措施。具体步骤如下：

图1-1 技术路线图

国内外研究现状

2.1 概述

基于案例的经验性总结分析法是分析水上交通风险最初的方式。20世纪80年代，基于海上交通事故统计指标的船舶海上交通安全的评估成为主流。其后随着科技的发展以及人们对于水上交通事故的深入认识，将大量的数学方法引入水上交通风险评估中，比如：统计学、灰色理论等。

目前对于海上交通安全评估的管理与控制已经呈现出下列特点：纵向单点数据统计转变为横向统计数据综合分析，推行全面的系统安全评价；推行事故激励与形成模式的逻辑分析；针对既往已发生事故的应急处理转变为面向未来的潜在的危机预防，实施事故前的预测与预警^[1]。

这些改变的实质原因是人们为了保证水上交通风险评估的可靠性，将水上交通事故定性化的分析评估方法转变为了定量化的分析。本章从宏观与微观的角度综述水上交通风险分析的方法，以及水上交通风险防控的措施研究。

2.2 水上交通风险分析的宏观方法

宏观的交通风险分析通常以系统的角度出发，以船舶碰撞事故资料，所在水域交通环境情况及自然条件等数据为基础，用专家咨询等方式获取定性知识，对船舶通航水域的整体安全形势的一种评价。水上交通安全系统是指人-机-环境系统，风险分析时利用该系统对人（船员）、机（船舶）、环境（自然环境和社会环境）进行风险识别。在风险识别中事故树法、安全检查法、事件树法常被使用。宏观交通风险分析法主要包括综合安全评价法、模糊综合评价法、层次分析法、证据理论和贝叶斯网络等。

（1）综合安全评估（Formal Safety Assessment, FSA）：综合安全评估法并非纯粹的定量或定性而是一种定量与定性相结合的方法^[2]。主要的环节有五个，分别是：危险识别、风险评估、风险控制方案、费用效益评估、提出决策建议，具体的工作流程图见图2-1。

（2）定量风险评价（Quantitative Risk Analysis, QRA）：定量风险评估指通过相关数据的量化分析来描述、推断某一事物发生事故的可能性和后果。Li等^[3]利用定量风险评价，评价在新加坡海峡的概率风险，主要分为事故概率预测与后果分析。通过因果概率估计以及几何概率估计构建碰撞与搁浅风险模型。

（3）模糊综合评价： 该综合评价方法利用模糊数学隶属度理论，即用模糊数学总体评价被多种因素制约的对象，将定性评价转化为定量评价。邵哲平等^[4]利用模糊推理建立了海上交通安全评价的FIS模型，并且讨论了在人操船危险度、船舶因素操船危险度、通航环境因素操船危险度三大要素的相互作用下综合评价人-船-环境系统的安全。Li等^[5]在宏观的角度基于船舶自动识别系统数据提出多目标多层模糊优化模型，确定不同海域的通航风险。

（4）灰色综合评价：该综合评价方法是基于不完整性信息下的一种风险评价方法。盛进路等^[6]利用上交通安全评价参数信息不完全的条件，基于灰色关联度分析法和模糊层次分析法建立水上交通安全综合评价模型。

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