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船舶安全领域回顾：模型和应用

拉法（Rafal Szlapczynski）a，乔安娜（Joanna Szlapczynska）b,*

a波兰格但斯克工业大学海洋工程与船舶技术学院 b波兰格丁尼亚海事大学航海学院

文章信息

关键字：

船舶领域避免碰撞碰风险

海上交通工程

摘 要

船舶安全领域是一个广泛用于避免碰撞和交通工程等研究的术语。经典船舶领域已在多个报告中进行了比较。但是，到目前为止，还没有任何工作可以总结该领域的当代研究。本文提供了对较新的船舶领域模型和相关研究的系统且重要的评论。它讨论了船舶领域概念方法的多种差异：从定义和安全标准，到研究方法和考虑的因素，有时到各个作者获得的结果大不相同。本文还指出了与船舶领域有关的一些解释歧义，并总结了其发展和应用的当前趋势。

1.介绍

船舶安全领域是安全距离的概括，其对海上航行的介绍来自观察到安全距离在各个方向上都不相同。术语“船舶领域”被广泛使用，但通常具有不同的含义，这取决于特定作者的定义或开发域模型的目的。这可能会导致混乱，特别是如果按大小和形状比较这些域的话。

有关船舶领域的论文很多，其作者提供了该领域已完成工作的简要综述。船舶领域相关研究的总结也已纳入有关避免碰撞方法的论文中

（Tam等，2009）。但是，到目前为止，还没有更全面的出版物专门论述现代船舶领域模型和相关研究。本白皮书旨在通过提供重要的船舶领域摘要来填补这一空白。

船舶领域可以粗略地分为理论分析所开发的领域，基于专家知识的领域和凭经验确定的领域，尽管必须指出的是，这三个领域不是相互排斥的，有时会使用各种方法的组合，例如（Dinh和即时通讯，2016年）。凭经验确定的领域模型通常更简单，因为凭经验数据很难隔离多个参数的影响。由于这种简单性，这些模型的潜在应用仅限于以下问题：在这些问题中，域的大小和一般形状足以在统计级别上起作用，而精确尺寸则不那么重要。因此，经验域已成功用于确定当地水道的通行能力，但是

通常没有足够详细的内容来避免船舶碰撞。对于基于知识的模型和基于分析的模型，它们的应用范围更加广泛，从上述的避免碰撞扩展到了检测未命中情况和航道风险分析。由于这些目的的要求更高，因此对域进行了严格的参数设置，以涵盖造成碰撞风险的多个元素。

所有模型的共同点是它们受水域的影响，尽管程度不同。在确定通 行能力或水路风险的情况下，主要是因为其形状，交通密度和交通方式， 因此是一个特定的水域，因此值得关注。在防撞系统的情况下，它是水 域的一种类型：狭窄的水路，受限制的（但相当宽的）水域或开放水域。

确定飞船舶领域的方法随着时间而发展。早期模型通常基于经过统计处理的雷达数据（Fuji和Tanaka，1971； Goodwin，1975； Coldwell， 1983）。这种经验方法仍在继续，但是AIS已取代雷达作为数据源，并且更先进的统计方法被应用于数据处理（ Hansen 等， 2013 ； van Iperen，2015）。当避免碰撞系统，接近失误检测或碰撞预防系统时， 首选使用专家navi的知识（Pietrzykowski和Uriasz，2009），分析方法（Wang等，2010； Wang，2013）或两者结合（Dinh和Im，2016）。关注碰撞风险分析。

本文的其余部分安排如下。在第2节中介绍并分析了Domain的经典定义，然后讨论了当代研究人员确定领域的原因，方式和结果（第3节）。第4节介绍了它们的应用以及第5节相关的研究方法和措施替代船舶领域。最后，第6节介绍了包括未解决的问题和船舶领域的预期未来在内的结论。

*通讯作者。

电子邮件地址：asiasz@am.gdynia.pl (J. Szlapczynska).

http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.09.020

2017年1月13日收到;于2017年8月16日收到修订版;2017年9月13日接受

2017年9月22日在线可用

0029-8018 /copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。

1. 领域的定义，解释及其实际意义

尽管所有研究人员都确定或提出了各自船舶舶领域模型的尺寸，但必须注意，这些尺寸可能会导致船舶之间的间距不同，这取决于船舶舶领域的定义和相关的安全标准。因此，这里回顾了三个经典定义，并在本节后面讨论了它们的解释和含义。

船舶领域一词最早是在（Fuji，1971）中引入的，其中有效域被定义为： “围绕船舶的二维区域，其他船舶必须避免–可以将其视为逃避区域”。 有效区域边界的尺寸在此定义为距其他船只密度达到局部最大值的中心 船只的距离。

在两个连续的著作中可以找到相似的定义。根据古德温（Goodwin， 1975）的说法，该区域是“驾驶员希望相对于其他船舶和固定障碍物保持自由的船舶周围有效区域”。在（Coldwell，1983）中，它是“一艘船周围的有效区域，典型的驾驶员实际上相对于其他船舶保持自由”。明显的区别在于，在后一个定义中，结果而不是偏好被强调。

通常，以上定义彼此接近，但各种作者以多种方式进行了解释，从而导致在他们的研究中应用了各种安全标准。实际上，在遭遇情况下使用船舶领域可以与以下四个安全标准之一结合使用，如图1所示：

1. 目标船（TS）不应违反自己的船（OS）域，
2. 本船（OS）不应违反目标船（TS）的域，
3. 都不应该侵犯任何船舶领域（ 前两个条件），
4. 船舶领域不应重叠-它们的区域应保持互斥（有效间距将是每个域得出的间距之和）。

这些标准中的每一个都由一些研究人员代表。富士的定义暗示，让路船应该尽量不要侵犯直航船船舶领域的范围，而根据科德韦尔（Coldwell）的说法，驾驶员要照顾自己的范围而不是目标的范围。对于古德温而言， 本文中使用的“中央船舶”一词并没有明确表示一艘船舶应避免侵犯其自 身或目标的领域。但是，也许有人会争辩说，如果定义涉及每个驾驶员， 那么在遇到两艘船的过程中不应侵犯任何一个领域，

它支持列出的条件中的第三个。第四类（域不重叠） 最近已被使用

（Rawson等，2014； Wang和Chin，2016）。

这四个标准之间的实际差异至关重要，并将在本文中进一步详细分析。通常，它们的影响与域的大小和形状同等重要，因为它极大地影响了船舶之间的有效间隔。

前两个标准可能被认为是不对称的-即使使用相同的域，也可能导致 对安全性的不同估计，具体取决于评估的船舶。另外两个是对称的–只 要应用相同的域，对情况的评估将是相同的，而不管其观点如何。在这 四个标准中，最后一个是最强的，在此必须明确说明它不符合上面给出 的任何域的定义。根据这些定义，域是指留在或应该远离其他船只的区 域，而不是其他船只的区域（后者将意味着递归定义，并且对于驾驶员 而言是不直观的）。不幸的是，所有四个标准（包括最后一个标准）都 被研究人员使用，研究人员随后将其领域维度与其他领域进行了比较， 这对于不同的标准而言毫无意义。根据上面列出的四个标准中的哪一个， 即使使用相同的域模型，也将保留不同的最小间距。在实践中，由于采 用不同的标准而导致的间距差异将是可比的，有时甚至会比根据不同作 者的域尺寸差异大得多。下面提供了详细信息。

为了使分析更容易进行，让我们假设一个船舶领域的

根据Coldwell的形状和尺寸，其尺寸（乘以L的船长倍数）在图2中给出。Coldwell指定了不同的尺寸值用于会遇（对遇和交叉）和追越（图2）。由于他的“会遇”域不具有后部区域（这在对遇相遇的情况下是可以理解 的，但在穿越时会出现问题），因此已根据确定的总体趋势针对实验对

“会遇”域进行了调整由大多数研究人员（后段小于前段）组成，如图3所示。

因此，域尺寸如下。

• 对于追越：半长轴-6 L，半短轴- 1.75L.
• 对于对遇和交叉遇到：半长轴– 5 L，半短轴– 2.5L。

此外，在对遇和交叉遇到时，船舶从椭圆的中心移向港口0.75 L， 向船尾移动1.1 L，相应航段的安全距离为：

– 前段– 6.1L，

– 后部– 3.9L，

图1.不同的基于域的安全标准：a）不违反OS域，b）不违反TS域，c）既不违反OS也不涉及TS域，d）域不重叠。

图2. Coldwell的追越领域。

图3. Coldwell的对遇和相交区域，带有一个额外的灰色尾部区域。

– 港口部门– 1.75L，

– 右舷区– 3.25L

为了强调结果的差异，假设船舶尺寸为：

– 本船长度：L1frac14;160 m；光束B1frac14;20 m。

– 目标：长度，L2frac14;320 m；光束，B2frac14;40 m。

表1和表2给出了四种标准和七种类型的相遇的最小间隔值。图4，图 5和图6说明了从表1中选择的三种相遇情况，其a–d部分对应于不同的领域方法（图1a–d）。

给出的结果得出以下结论：

• • 1. 应用第一个标准（图1a）会导致相对较小的间距，以便穿越后方或目标之前。如果目标在右舷（站立式），则越向前越远，从而符合COLREGS（IMO，1972； Cockcroft和Lameijer，2011）。不幸的是， 如果目标在端口上（例如，图5a），则是相反的情况：在交叉目标 前方交叉的情况下，极小的间距是有问题的。如果放弃目标没有机动，则本船可能应该发起逃生行动，而不是接受如此小的间距。
    2. 第二个准则的工作原理与第一个准则相似，但是在越过目标之前会 产生更大的距离。但是，必须注意的是，如果目标是越过本船前方， 则本标准将给予与第一个相同的评估，以防本船越过目标前方。
    3. 第三个标准为所有所示的相遇产生合理的间距。
    4. 最后一个标准显然会导致船舶之间的较大间距，因为此处的间距是两个单独分隔区域的总和。
    5. 对于前两个标准，预期的最小间距从两艘船的角度来看是不同的

（特别是在交叉的情况下），这可能会导致它们对同一情况的不同评估。Zhao等人已经提出了这个问题。（1993年），他分析了两艘具有非对称域的船只的对遇遭遇。当然，实际上，由两艘船进行的评估总是会略有不同，但是在这里，根据定义，它们将有实质性的差异，不应进行。

考虑到以上所有内容，可以得出结论，第三安全标准（图1c，图4和6c）是唯一安全且完全可以接受域经典定义的标准。但是，必须强调的是，以上分析涉及COLREGS规则13至16所规定的情况。某些附加规则可能适用于港口区域（特定区域法规以及有关交通分离方案的COLREGS规则10）或狭窄通道（COLREGS规则9），在某些与船舶领域相关的研究中已将其考虑在内（ Pietrzykowski 2008 ， Rawson et al.2014 ， Wang and Chin，2016）。

1. 方法，考虑因素和主要发现

表3给出了不同作者所采用的安全标准的摘要以及确定船舶领域的方法。在两种情况下，表3中未指定安全标准（“ N / A”条目）：作者未在其中明确提及这些标准。 （Goodwin，1975年）与（Hansen等人，2013年） 的项目无关，后者没有解决避免碰撞的问题。至于确定船舶领域的方法，它们可以分为三类：经验的，基于知识的和基于安全分析的。代表这三种方法的领域已在第3.1–3.3节中介绍，尽管必须指出的是，这三个组不是互斥的，并且可以将两种或三种方法组合使用。

表格1

如果本船的长度和光束分别为：L1，B1和目标的长度和光束为Coldwell域的近似最小间距分别为L2，B2。

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