CN102298855A - 基于仿真的危险化学品船舶交通组织优化方法 - Google Patents
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Abstract
基于仿真的危险化学品船舶交通组织优化方法，建立危险化学品船舶水上交通仿真系统：建立分析模型和平台；在对相关人员、危险化学品船舶水路运输特性、环境、管理等方面分析基础上，建立以水上交通组织、水上交通冲突、交通干扰等技术为核心的综合仿真系统；建立“瓶颈消除”的交通组织方式，对常态交通的干扰和严重交通冲突现象，提出“瓶颈消除”的方式，验证并完善“瓶颈消除”的方式的可行性；从港口交通系统中预报危险化学品船舶在港区的可接受安全准则和通航效率标准之间的关系，并验证以安全和效率关系变化为基础进行组织方案设计的可行性及机理。本发明能够有效的提高危险化学品船舶进出港安全性和高效性。
Description
技术领域
本发明涉及港口船舶定线制水域的通航安全和效率技术，具体涉及基于仿真的危险化学品船舶交通组织优化技术。
背景技术
随着船舶定线制在世界范围内不断实施，国际上很多学者通过安全评价和交通仿真对港口船舶定线制水域的通航安全和效率进行通航安全的风险不确定性和安全可靠性定量化研究，主要集中在世界主要繁忙港口和水域如多佛尔海峡、Istanbul海峡、博斯普鲁斯海峡、华盛顿州轮渡、香港水域、高雄港和釜山港等，并提出了很多研究模型和评价方法。总体上可以分为安全风险为主的研究和以效率计算为重点的研究。
1)船舶运输安全研究
Floris Goerlandt，Pentti Kujala(2011)[1]建立交通冲突检测算法和微观水上交通仿真模型相结合的系统，利用蒙特卡洛模拟得到交通冲突事件的相关因素，并通过AIS系统(船舶自动识别系统)获得实际数据，来合理计算水上交通事故发生的概率及其后果，该研究在定量化交通安全方面也提出了交通冲突技术，其基于传统的统计方法进行冲突分类。2010年上海交通大学邹早建教授提出基于水上交通模型的安全与高效的港口航道设计和评估研究，该研究着重解决事故条件下船舶通航安全和效率关系。2010年，大连海事大学曾庆成提出危险化学品水路运输事故应急管理的仿真模型研究，该模型是对危险化学品水路运输安全的仿真专题研究，侧重点在应急管理。2010年华东理工大学李淑霞提出危险化学品事故的环境风险动态评估与演化预测研究，该研究以事故为对象，强调安全的动态性，未涉及危险化学品载运工具自身安全和效率问题。
Debnath，A.K.and H.C.Chin(2009)[2]通过比较分析新加坡港口水域船舶间主动避碰风险和引航员的主观感知风险关系，提出基于碰撞风险的措施进行快速可靠有效的通航安全评估，该研究在定量化避碰风险方面和本发明相近，仍缺少安全和效率关系的研究。Uluscu，O.S.and T.Altiok[3]综合考虑VTS中心、交通流、天气、水流等干扰因素基础上，提出了船舶进出伊斯坦布尔海峡的调度算法，该调度算法与人工调度具有十分接近的效果。Birnur
IlhanOr(2007)[4]提出了仿真模型包括了航道交通规定、规则船型、货物类型、气象和地理环境情况、引航和拖轮服务。此仿真模型提供了一个分析影响船舶交通因素的平台。该仿真模型提供了一个基本仿真平台，仍缺少对各种交通干扰因素的定量化评价。
2)港口水域船舶交通效率研究
2009年武汉理工大学刘敬贤提出基于港口系统船舶排队仿真模型对大型海港进港主航道通过能力及交通组织模式进行研究，该研究解决了常态交通条件下船舶进出港的效率问题，缺少交通安全和效率关系研究。2008年大连理工大学宋向群教授提出复杂条件下沿海港口深水航道通过能力及航道线数的研究，该研究解决航道设计如何提高航道通过能力的关系，以解决航道通航效率问题为目标。
3)水上交通安全和效率关系研究
国内，2009年徐国裕和吴兆麟教授提出增进高雄港VTS水域交通安全和效率的模型，该项目运用对台湾海域及高雄港水域的海难事故分析，对船舶交通安全度和船舶通航效益进行了定量化研究，并提出了增进交通安全与提高通航效益的改进方案。在定量评价安全和效率的模型方面仍可以改进。
国外，Dimitrios Mavrakis，Nikolaos Kontinakis(2008)[5]提出了细化的海峡特性描述，该模型着重强调交通统计参数特性，平均耽搁时间和系统输出参数；同时定量考虑系统的安全期望水平，并把该安全因素整合到安全通航规则中。
综合国内外研究表明：计算机仿真模型在规划和设计新的和现有的港口和航道中起到了越来越重要的作用。现有研究针对船舶运输的安全方面取得了重要成果和进展，在港口航道通过能力和饱和度计算以及船舶运输安全风险和保障方面为我们的研究提供了参考。但现有的仿真模型在设计和管理港口水域的通航能力和安全性瓶颈关系方面存在不足，在交通效率的研究中，主要处理了港口船舶交通系统的排队仿真问题，在关于通航效率的影响的计算方法上需要进一步改进，对船舶引航、恶劣天气、事故发生等干扰因素考虑较少，在一定程度上对干扰研究作了简化处理，这与实际情况有一定的差距。其次，在危险化学品船舶通航安全定量化的研究中，它不能准确地描述船舶间的相互冲突作用，没有考虑危险化学品船舶自身运行特性对通航安全和效率的影响研究。目前国内外仍缺少危险化学品船舶通过受限航道的交通组织方式优化的研究。因此提出了本发明研究。
[1]Goerlandt，F and Kujala，P 2011.Traffic simulation based ship collision probability modeling.Reliability Engineering and System Safety，96(1)，pp.91-107.
[2]Debnath，A.K.and H.C.Chin 2010.″Navigational Traffic Conflict Technique：A ProactiveApproach to Quantitative Measurement of Collision Risks in Port Waters.″Journal of Navigation63(01)，pp.137-152.
[3]Uluscu，OS；
et al.2009.Transit Vessel Scheduling in the Strait of Istanbul.Journalof Navigation 62(1)：59-77.
[4]Or，I；Ozbas，B；Yilmaz，T.2007.Simulation of maritime transit traffic in the Istanbul Strait-II：Incorporating the traffic regime，arrival processes，meteorological conditions.21STEUROPEAN CONFERENCE ON MODELLING AND SIMULATION ECMS，pp.548-553.
[5]Dimitrios Mavrakis，Nikolaos Kontinakis，2008.A queueing model of maritime traffic inBosporus Straits.Simulation Modelling Practice and Theory 16，pp.315-328.
发明内容
本发明针对现有船舶国内外研究：计算机仿真模型在设计和管理港口水域的通航能力和安全性瓶颈关系方面存在不足，而提供一种基于仿真的化学品船舶交通组织优化技术，本发明采用支持向量机方法提高分类精确度，通过交通冲突和干扰模型，针对我国未来几年危险化学品船舶进出港的实际提出了改进的模型和交通组织算法；针对液化天然气船舶这类高危船舶，提出改进的排队和交通冲突对安全和效率评估，通过交通组织优化来消除瓶颈。
基于仿真的化学品船舶交通组织方法：(见图1)
步骤1：建立危险化学品船舶水上交通仿真系统：建立以船舶交通组织规划理论和交通冲突技术、交通干扰分析模型和船舶运输安全风险管理理论为基础的危险化学品船舶进出港交通组织方案优选平台；在对相关的人员、危险化学品船舶水路运输特性、环境、管理等方面分析基础上，建立以水上交通组织、水上交通冲突、交通干扰等技术为核心的综合仿真系统；
步骤2：基于船舶优先权评级技术：考虑船舶等待时间、一天的最大运行持续时间、在进出口的船舶排队数量、进港的船舶排队数量等因素，进行进出港船舶交通组织；所述的步骤2采用如下步骤：
第一步：根据通航管理规定将船舶分类，对船舶的优先权进行赋值，并找出具有高优先权的船舶；
第二步：建立各方案中具有高权限船舶的通航时间表；
1)优先权原则为：
①优先权越高越早进入航道；
②等待时间越长越早进入航道；
③航道中途需停留的船舶优先权高于不停留船舶；
2)对进出港两个方向上的船舶以优先权高低降序排列；
3)再以等待时间的长短降序排列；
4)将排序完的船舶逐个添加入通航时间表内，并计算船舶的累计通航时间，直到累计通航时间大于航道持续通航时间，初始通航时间表建立完成，船舶的累计通航时间归零；
第三步：根据航道的饱和度和常态交通下的等待时间，选择最优方案；
1)计算各方案各方向上航道的饱和度；
2)计算各方案各方向上各优先权船舶的常态交通下的等待时间；
3)根据饱和度和常态交通下的等待时间，计算评价函数值，选择最优方案；
第四步：建立其他船舶的通航时间表；
1)根据优先权高低对其他船舶进行降序排列；
2)根据船舶等待时间的长短进行降序排列；
3)根据高优先权船舶时间表中的时间空档宽度，将已排序的其他船舶按顺序移入时间表，并以航速高低降序排列；
4)对嵌入在高优先权船舶之间航行的低优先权船舶，根据这些低优先权船舶最短需求通航时间进行排序，建立总通航时间表；
第五步：确定交通管制后首先通航的方向(进港方向或出港方向)；考虑以下三个因素：
1)双方排队船舶总数；
2)根据被选交通组织方案所确定的所有船舶等待总时间；
3)根据被选交通组织方案所确定的高优先权船舶的数量；建立评价函数，
取具有较高评价值的方向作为交通的初始方向。
步骤3：建立“瓶颈消除”的交通组织方式：危险化学品船舶进出港通航安全和效率兼顾是目前港口发展遇到的一个突出瓶颈问题，由此产生了对常态交通的干扰和严重交通冲突现象，提出“瓶颈消除”的方式，验证并完善“瓶颈消除”的方式的可行性。
有益效果
本发明从港口交通系统中得到预报危险化学品船舶在港区的可接受安全准则和通航效率标准之间的关系，并验证以安全和效率关系变化为基础进行组织方案设计的可行性及机理。能够有效的提高危险化学品船舶进出港安全性和高效性。通过交通冲突和干扰模型，针对我国未来几年危险化学品船舶进出港的实际提出了改进的模型和交通组织算法。针对液化天然气船舶这类高危船舶，提出改进的排队和交通冲突对安全和效率评估，通过交通组织优化来消除瓶颈。
附图说明
图1基于仿真的危险化学品船舶交通组织技术方法；
图2仿真模型关键技术参数。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
1)危险化学品船舶进出港期间的交通安全和效率指标定量化
第一步：计算最短会遇距离和最短会遇时间
建立风险指标和最短会遇距离、最短会遇时间的回归关系，在选取冲突数、当量交通量的同时选取交叉口面积及相应交叉口的安全权重重新定义交叉口安全性的综合指标-冲突率。警戒区面积代表了交叉口的大小及航道情况。
第二步：定义干扰类型，单干扰或多干扰
本发明提出一个干扰条件下的排队分析模型，使用等待时间参数和服务完成时间分析去获得船舶期望等待时间，单级船舶和k项非同步发生或同步发生的干扰事件来估计船舶在航道入口点的平均等待时间。
第三步：计算当量交通冲突(安全)和效率的关系
运用回归分析模型计算以下安全参数的关系：
当量交通冲突与船型组成的关系；
当量交通冲突与相交航道流量分配比例的关系；
当量交通冲突与发生转向船舶比例的关系；
当量交通冲突与追越船舶比例的关系；
当量交通冲突与交通饱和度的关系；
基于上述各种影响因素对交叉口冲突率的影响系数计算公式，将各影响因素对冲突率的影响系数相乘，得到一个安全影响系数K来评价碰撞风险。
第四步：运用有序probit模型计算冲突和通航效率的回归系数
运用回归分析模型计算以下效率参数的关系：
交通冲突与通过设定航段的时间的关系；
交通冲突与船舶进港时间的关系。
第五步：敏感度分析
对第三步中计算得到的影响安全和效率的关键因素进行敏感性分析。
第六步：验证安全影响系数，评价交汇水域交通安全度
通过Pearson方法检验碰撞风险和平均碰撞风险之间的相关关系。
2)仿真模型关键技术参数确定
宏微观模拟模型包括船舶生成模型、航路模型、船舶操纵模型和船舶会遇模型等；模型的开发包括四类控制参数：外部参数，内部参数及规则参数和交通流参数，如图2所示。
3)基于优先权的交通组织
通过设置禁止通航、有限制的通航、自由通航和缓冲区，基于船舶优先权评级技术，且考虑船舶等待时间、仿真一天的最大运行持续时间、在进出港的船舶排队数量等因素，调整不同类型船舶的优先级，在仿真平台下测试各种可能方案的安全和效率影响程度，统计分析用于方案比选的相关数据选择最优方案。
(1)根据通航管理规定将船舶分类，对船舶的优先权进行赋值，并找出具有高优先权的船舶。
(2)建立各方案中具有高权限船舶的通航时间表，
①优先权原则
优先权越高越早进入航道；
等待时间越长越早进入航道；
航道中途需停留的船舶优先权高于不停留船舶。
②对进出港两个方向上的船舶以优先权高低降序排列
③再以等待时间的长短降序排列
④将排序完的船舶逐个添加入通航时间表内，并计算船舶的累计通航时间，直到累计通航时间大于航道持续通航时间，初始通航时间表建立完成，船舶的累计通航时间归零。
(3)根据航道的饱和度和常态交通下的等待时间，选择最优方案。
①计算各方案进出方向上航道的饱和度；
②计算各方案进出向上各优先权船舶的常态交通下的等待时间；
③根据饱和度和常态交通下的等待时间，计算评价函数值，选择最优方案。
(4)建立其他船舶的通航时间表。
①根据优先权高低对其他船舶进行降序排列；
②根据船舶等待时间的长短进行降序排列；
③根据高优先权船舶时间表中的时间空档宽度，将已排序的其他船舶按顺序移入时间表，并以航速高低降序排列；
④对嵌入在高优先权船舶之间航行的低优先权船舶，根据这些低优先权船舶最短需求通航时间进行排序，建立总通航时间表。
Claims (4)
1.一种基于仿真的危险化学品船舶交通组织优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立危险化学品船舶水上交通仿真系统，建立以船舶交通组织规划理论和交通冲突技术、交通干扰分析模型和船舶运输安全风险管理理论为基础的危险化学品船舶进出港交通组织方案优选平台，在对相关人员、危险化学品船舶水路运输特性、环境、管理方面分析基础上，建立以水上交通组织、水上交通冲突、交通干扰技术为核心的综合仿真系统；
步骤2：基于船舶优先权评级技术：考虑船舶等待时间、一天的最大运行持续时间、在进出口的船舶排队数量、进港的船舶排队数量因素，进行进出港船舶交通组织；
步骤3：建立“瓶颈消除”的交通组织方式，验证并完善“瓶颈消除”的方式的可行性。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：所述的步骤2采用如下步骤：
第一步：根据通航管理规定将船舶分类，对船舶的优先权进行赋值，并找出具有高优先权的船舶；
第二步：建立各方案中具有高权限船舶的通航时间表；
第三步：根据航道的饱和度和常态交通下的等待时间，选择最优方案；
第四步：建立其他船舶的通航时间表；
第五步：确定交通管制后首先通航的进港方向或出港方向。
3.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于：所述的第二步的高权限为：
1)优先权原则：优先权越高越早进入航道、等待时间越长越早进入航道、航道中途需停留的船舶优先权高于不停留船舶；
2)对进出港两个方向上的船舶以优先权高低降序排列；
3)再以等待时间的长短降序排列；
4)将排序完的船舶逐个添加入通航时间表内，并计算船舶的累计通航时间，直到累计通航时间大于航道持续通航时间，初始通航时间表建立完成，船舶的累计通航时间归零。
4.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于：所述的第五步的进港方向或出港方向考虑以下三个因素：
1)双方排队船舶总数；
2)根据被选交通组织方案所确定的所有船舶等待总时间；
3)根据被选交通组织方案所确定的高优先权船舶的数量；建立评价函数；取具有较高评价值的方向作为交通的初始方向。
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