CN109978393A

CN109978393A - 基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法

Info

Publication number: CN109978393A
Application number: CN201910251083.4A
Authority: CN
Inventors: 杨林家; 周健; 刘珂; 陈红燕; 刘希浩; 刘玉浩
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-07-05

Abstract

本发明公开了一种基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法，包括：确定定线制水域内船舶航行风险影响因子以及所述航行风险程度的评判集；采用模糊层次分析法确定所述船舶航行风险影响因子的权重；采用船舶领域模型优化所述航行风险影响因子；对优化后的所述航行风险影响因子进行单因素评判确定所述航行风险影响因子对所述评判集的隶属程度；根据优化后的所述航行风险影响因子和所述隶属度确定定线制水域内船舶的整体航行风险程度；根据所述航行风险程度更改所述定线制水域内船舶的航线。本发明实现了船舶航行风险的等级评估，便于交通管理人员和船舶驾驶人员对水域内航行风险的掌握。

Description

基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法

技术领域

本发明涉及船舶航行技术领域，尤其涉及一种基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法。

背景技术

船舶定线通航，又称“船舶定线”。是指船舶交通管理的一个重要组成部分。由岸基部门用法律规定或推荐形成指定船舶在海上某些区域航行时，应遵循或采用的航线、航路或通航分道等。其主要形式是分道通航制，目的在于增进船舶汇聚和通航密度大、船舶行动受限、存在航行障碍、水深受限或气象条件不佳等区域的航行安全。

当前判断船舶航行风险的方式多是基于单个船只，船员或者自动避碰系统通过最小安全距离理论来判断船舶之间是否有碰撞风险。对于定线制水域的主管机关VTS中心来说，都是通过VTS监管员在电子海图前进行长时间值守来指挥水域内交通，并无对水域内整体航行风险程度的评估技术。当船舶驾驶员操船时注意力不集中或者VTS监管人员不能起到应有作用时，则会对船舶在定线制水域内的安全航行带来极大的危害。

发明内容

本发明提供一种基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法，以克服上述问题。

本发明基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法，包括：

确定定线制水域内船舶航行风险影响因子以及所述航行风险程度的评判集；

采用模糊层次分析法确定所述船舶航行风险影响因子的权重；

采用船舶领域模型优化所述航行风险影响因子；

对优化后的所述航行风险影响因子进行单因素评判确定所述航行风险影响因子对所述评判集的隶属程度；

根据优化后的所述航行风险影响因子和所述隶属度确定定线制水域内船舶的整体航行风险程度；

根据所述航行风险程度更改所述定线制水域内船舶的航线。

进一步地，所述确定船舶航行风险影响因子以及所述航行风险影响因子的评判集，包括：

划分定线制水域航行的影响因素；

设定所述航行风险影响因子的评判集。

进一步地，所述采用模糊层次分析法确定所述船舶航行风险影响因子的权重之后，还包括：

对所述判断矩阵进行随即一致性检验；

判断所述检验结果是否可靠，若是，则结束判断矩阵。

本发明实现了定线制水域中船舶航行风险的评估，获得了船舶在航行中的危险等级。根据该危险等级更改定线制水域船舶航线，可以降低船舶定线制水域航向的风险，提高了水域中的航行安全等级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法流程图；

图2为本发明船舶航行风险影响因子架构示意图；

图3为本发明隶属度架构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、确定定线制水域内船舶航行风险影响因子以及所述航行风险程度的评判集；

划分定线制水域航行的影响因素；

设定所述航行风险影响因子的评判集。

具体而言，本实施例风险影响因子划分为船舶因素、人为因素、环境因素；定线制水域航行风险影响因子总体目标为U，风险影响因子一级指标为U_i，风险影响因子二级指标为Uij。表1为船舶航行风险影响因子列表。该些船舶航行风险影响因子架构如图2所示。

表1

上述风险影响因子的风险程度的评判集分为五级：评判集合为：

V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅} (1)

其中，v₁为一级风险；v₂为二级风险；v₃为三级风险；v₄为四级风险；v₅为五级风险。

举例说明，设风险影响因子的因素集为U，评判集V＝{10，5，0，-5，-10}，由此可以得到一个U到V的模糊映射R，也即隶属度。表2为各等级对应的隶属度。其中R_Ui＝(r_i1，r_i2，…r_im)为单因素评判矩阵。把该层下所有因素的映射矩阵R并列，形成综合评判变化矩阵。

表2

步骤102、采用模糊层次分析法确定所述船舶航行风险影响因子的权重；

具体而言，采用模糊层次分析法。根据表1中各个影响因素的重要程度构建判断矩阵，设要比较n个因子U＝{U₁，...U_i，...U_n}对因素U的影响，可以每次取两个因子U_i和U_j，以a_ij表示U_i和U_j对U的影响大小之比，全部比较结果用矩阵A＝(a_ij)_n×n表示，则A为U-U_i之间的成对判断矩阵。用1～9标度法构建判断矩阵。表3为判断矩阵的各标度值及含义表。

表3

标度	含义
		1	两因素同等重要
3	一因素比另一因素稍微重要
		5	一因素比另一因素明显重要
7	一因素比另一因素强烈重要
		9	一因素比另一因素极端重要
2，4，6，8	上述判断的中间值
		1-9的倒数	因素U<sub>i</sub>与U<sub>j</sub>比较得a<sub>ij</sub>，U<sub>j</sub>与U<sub>i</sub>比较得1/a<sub>jj</sub>。

步骤103、采用船舶领域模型优化所述航行风险影响因子；

具体而言，船舶领域(Ship Safety Domain SSD)是指为了避免碰撞，在每艘船舶的前后左右保持的一个不受他船侵犯的区域，通常用来衡量船舶在狭水道、定线制水域、港口内部航行时的碰撞风险。船舶领域发展至今已经被海事、航运相关部门和从业人员认为是评估受限水域内船舶驾驶状态和航行风险的重要依据。本实施例的船舶领域模型为日本学者藤井弥平基于多年的交通实况观测得出。船舶领域模型与船长、船宽、船速、驾驶员等级、交通密度、能见度、潮流因素有关(其他因素影响极小，忽略不计)，船长对领域的影响最大，而且水域中不同船长的船舶数量容易统计，故以船长为划分船舶领域模型的标准。优化后的风险影响因子如表4所示：

表4

被船舶领域替代的因素将其权重叠加后分配给船舶领域，将剩余指标和船舶领域进行归一化处理获得经过优化后的权重值(权重值相加后和为1)。经过优化过程大大减少了模型中的指标个数。

A′₁＝A₁×(A₁₁) (2)

A′₂＝A₁×A₁₂+A₂×(A₂₁+A₂₂+A₂₃)+A₃×(A₃₃+A₃₄+A₃₇) (3)

A₃′＝A₃×(A₃₁) (4)

A₄′＝A₃×(A₃₂) (5)

A₅′＝A₃×(A₃₅) (6)

A₆′＝A₃×(A₃₆) (7)

A′＝(A′₁，A′₂，A′₃，A′₄，A′₅，A₆′) (8)

对所述判断矩阵进行随即一致性检验。

具体而言，构建完评判矩阵之后，需要对矩阵进行一致性检验，按照一定的顺序计算一致性指标：

其中，λ_max为评判矩阵的最大特征值，n为矩阵阶数，RI为随即一致性指标，随即一致性指标表如表4所示。

表4

n	1	2	3	4	5
						RI	0	0	0.58	0.9	1.12
n	6	7	8	9	10
						RI	1.24	1.32	1.41	1.45	1.49

在模糊评判中当CR≤0.1时，就可以认为判断矩阵的相容性较好，用其最大特征值对应的特征向量作为权重向量是可行的，权重的分配是可靠的。因此可以确定各指标的权重向量为：

A_i＝{A_i1，A_i2...A_im}

判断所述检验结果是否可靠，若是，则结束权重矩阵的判断。

上述一致性检验提高了权重的准确性。

步骤104、对优化后的所述航行风险影响因子进行单因素评判确定所述航行风险影响因子对所述评判集的隶属程度；

具体而言，本实施例优化后风险影响因子如图3所示，包括：①VTS监管员、②船舶领域：③航道宽度：④航道水深：⑤风速：⑥波浪高度：

①VTS监管员：VTS监管员的等级分为VTS值班长、VTS值班员长、VTS实习值班员，其各自在值班时对应危险或安全的程度各不相同，经过划分后，各自的隶属度为：

VTS值班长：Q₁＝[0.25 0.50 0.25 0 0]

VTS值班员：Q₂＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

VTS实习值班员：Q₃＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

根据其工作性质与值班时间，根据水域不同情况将三类值班员权重定为：T₁＝[T₁₁T₁₂ T₁₃]。由此可以得到VTS监管员等级这一指标的隶属度为：

②船舶领域：经过模型优化后，船舶领域指标替代了原来的几个指标。船长是影响领域划分的最主要因素，因此以船长为标准划分隶属度：

L＜50：S1＝[0.67 0.33 0 0 0]

50≤L＜100：S2＝[025 0.50 0.25 0 0]

100≤L＜200：S3＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

200≤L＜300：S4＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

L≥300：S5＝[0 0 0 0.33 0.67]

通过相应水域往来船舶记录的调查，各个长度船舶的比例分别为：T₂＝[T₂₁ T₂₂T₂₃ T₂₄ T₂₅]。由此得到船舶领域这一因素的隶属度为：

③航道宽度：对于双向航道来讲，其航道理论宽度值为：

W₀＝B+2C (12)

其中，B为船舶间富余宽度；C为船舶与航道底边间的富余宽度。此处并未考虑船舶受风流漂航产生航迹带的宽度，因为风流作为独立的影响因素在后面单独说明。以航道宽度为划分标准，规定其各自的隶属度为：

M₁＝[0.67 0.33 0 0 0]

M₂＝[025 0.50 0.25 0 0]

M₃＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

M₄＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

M₅＝[0 0 0 0.33 0.67]

根据相应水域中航道宽度的实际情况，确定不同宽度的隶属度：T3＝[T31 T32T33 T34 T35]。由此得到航道宽度这一因素的隶属度为：

④航道水深：航道水深是港口设计的主要技术指标，其计算公式为：

h_t＝h₀+h₁+h₂+h₃+h₄+h₅ (14)

其中，h₀为设计船舶满载吃水；h₁为航行时船体下沉增加的富余水深；h₂为航行时龙骨下最小富余深度；h₃为波浪富裕深度；h₄为船舶装载纵倾富裕深度；h₅为备於富裕深度。以航道水深为划分标准，其各自的隶属度为：

N₁＝[0.67 0.33 0 0 0]

N₂＝[025 0.50 0.25 0 0]

N₃＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

N₄＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

N₅＝[0 0 0 0.33 0.67]

根据相应水域中航道水深的实际情况，确定不同深度的隶属度：T4＝[T41 T42T43 T44 T45]。由此得到航道水深这一因素的隶属度为：

⑤风速：风同样会对船舶交通饱和度产生影响，根据不同的风级确定其隶属度：

VA≤4m/s K1＝[0.67 0.33 0 0 0]

4m/s＜VA≤8m/s K2＝[025 0.50 0.25 0 0]

8m/s＜VA≤12m/s K3＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

12m/s＜VA≤16m/s K4＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

VA≥16m/s：K5＝[0 0 0 0.33 0.67]

根据该水域中的气象条件，每年风速的统计数据可以确定不同风速范围的比例分别为：T5＝[T51 T52 T53 T54 T55]。由此得到风速这一因素的隶属度为：

⑥波浪高度：根据波浪高度来划分等级并确定各自的隶属度：

H≤2m O₁＝[0.67 0.33 0 0 0]

2m＜H≤4m O2＝[025 0.50 0.25 0 0]

4m＜H≤6m O3＝[0 0.25 0.50 0.25 0]

6m＜H≤8m O4＝[0 0 0.25 0.50 0.25]

H≥8m：O5＝[0 0 0 0.33 0.67]

根据该水域中的气象条件，每年波浪的统计数据可以确定不同浪高范围的比例分别为：T₆＝[T₆₁ T₆₂ T₆₃ T₆₄ T₆₅]。

步骤104、根据优化后的所述航行风险影响因子和所述隶属度确定定线制水域内船舶的整体航行风险程度；

具体而言，首先利用主因素突出型算子(∨，∧)进行模糊变换，(∨，∧)算子的基本原则为矩阵运算过程中相乘取小，相加取大。

处理之后将评判结果组合起来形成二级评判矩阵：

对各指标权重进行模糊变换的：

最终可以得到该水域危险度等级评分为：

其中，-10＜N＜10，若N＞10，则该船舶风险等级为一级风险(安全程度最高)；若5＜N＜10，则该船舶风险等级为二级风险；若0＜N＜5，则该船舶风险等级为三级风险；若-5＜N＜0，则该船舶风险等级为四级风险；若-10＜N＜-5，则该船舶风险等级为五级风险(危险程度最高)。

步骤105、根据所述航行风险程度更改所述定线制水域内船舶的航线。

本发明通过利用船舶领域模型，简化了影响船舶航行风险的评价参量。利用模糊评判的方法对船舶定线制水域内的风险程度进行评估，实现了定线制水域船舶航行风险程度的量化。便于VTS管理人员疏导定线制水域内船舶交通。同时，船员可根据水域风险程度随时更改本船航线。实现了定线制水域船舶制定规避风险的航线。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于船舶领域的定线制水域航行风险评估方法，其特征在于，包括：

采用船舶领域模型优化所述航行风险影响因子；

根据所述航行风险程度更改所述定线制水域内船舶的航线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定船舶航行风险影响因子以及所述航行风险影响因子的评判集，包括：

划分定线制水域航行的影响因素；

设定所述航行风险影响因子的评判集。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用模糊层次分析法确定所述船舶航行风险影响因子的权重之后，还包括：

对所述判断矩阵进行随即一致性检验；

判断所述检验结果是否可靠，若是，则结束判断矩阵。