CN111768068B - 一种海上搜救船舶响应能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上搜救船舶响应能力评估方法，该方法包括四个步骤：一、数据下载与组织，对研究海域进行网格化，并将所有数据与每个格网建立对应关系；二、利用基于地理信息系统（GIS）的可达时间模型估计搜救船舶的可达时间；三结合船舶位置数据和海上事件数据计算海上搜救服务需求；四、根据一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间三个评价指标，对海上搜救能力进行定量评价。将本发明方法应用于南海海上搜救能力评价，对决策者制定有效搜救战略规划，提高海上搜救能力，保障海洋环境中人命和财产安全至关重要。

Description

一种海上搜救船舶响应能力评估方法

技术领域

本发明涉及一种海上搜救船舶响应能力评估方法，特别是涉及一个基于多指标的海上搜救船舶响应能力评估方法。

背景技术

南海是世界上交通运输量最大的海域之一，同时由于海域内存在众多浅水区、岩石、珊瑚礁，也被认为是最危险的海域。在2006-2015年间，与世界其他海域的海上事故损失相比，南海船舶事故造成的损失最大。因此，对于沿海国家而言，提供有效的海上搜救服务，减少海上事故造成的人员伤亡和财产损失至关重要。海上搜救的目的是救助海上遇险人员，帮助船舶脱离险情。搜救时间是海上搜救行动过程中的关键因素，对搜救系统的规划具有重要意义，对事故的快速响应能极大提高受害者的存活率。

近年来，海上搜救的研究可分为两类：操作支持和战略规划。操作支持侧重于研究指导海上搜救操作的计算方法，可以在最短的时间内发现海上失踪的目标。自从20世纪70年代第一个基于计算机的搜索模型成功应用于海上搜救以来，实时海上搜救模型变得更加复杂且计算量大。leeway模型是使用最广泛的模型之一，它是用于预测漂移物体的海洋轨迹模型。利用一组漂移粒子来模拟物体在洋流和风的作用下的运动。Cho等开发了一个实时预测系统，以预测西北太平洋海洋事故遇险者的漂移路径，其中leeway模型用于有效解决初始条件的不确定性。此外，Zhang等使用leeway模型对目标速度和位置进行了连续预测。Zhu等分析了近海渔船的风压差特性，评价了leeway模型的性能。而战略规划研究旨在评估海上搜救响应系统的性能。例如，Shi等人以南沙群岛附近水域为研究区，基于地理信息系统(GIS)评估了南海周围国家的海上搜救能力。Razi和Karatas提出了一个基于事故的船舶分配模型来确定救助船的最佳位置。此外，Akbari等结合两个整数线性优化模型和多指标来解决加拿大大西洋地区的海上搜救定位问题。Zhou等提出了一个优化海上搜救基地选址的框架，以有效提高海上搜救能力。

然而，尽管许多研究都集中在对海上搜救系统的评估上，但很少有研究分析海上搜救系统的响应能力，尤其是考虑到多种评估标准。因此，考虑多种评价指标，对海上搜救响应能力进行评价分析，并应用于海上运输要道——南海具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有评价方法的上述不足，结合多种指标，提出一种海上搜救船舶响应能力评估方法。

为了解决以上问题，本发明提出一种海上搜救船舶响应能力评估方法，包括以下步骤：

步骤1、数据下载与组织——获取研究海域的波浪场数据、船舶自动识别系统数据、海上事故数据，对研究海域进行网格化，生成尺寸相等的若干格网，将波浪场数据重采样，重采样的分辨率与网格化分辨率相等，从而使所有数据与每个格网建立对应关系；另外，获取搜救基地数据；

步骤2、搜救可达时间计算——通过基于地理信息系统的可达时间模型计算搜救船舶的可达时间，具体方法如下：

A1、计算船舶在格网内的实际航行航速：

S_i＝S₀-f(i)H_i ²

其中，S_i为船舶在格网i的实际航速，S₀为静水中的船速，f(i)为格网i的波浪与船舶方向系数，θ_i为格网i的波浪与船舶方向夹角,H_i为格网i的有效波高；

A2、计算从搜救基地出发到每个格网所使用的最短时间，即可达时间，

式中，T_i,M为从搜救基地M到格网i的可达时间，l为格网的边长，N是从搜救基地M至格网i最少用时所经过的格网的集合；

步骤3、潜在搜救需求密度评估——结合船舶定位数据和海上历史事故数据计算海上搜救服务的潜在需求，具体方法如下：

B1、利用核密度分析方法计算每个格网的海上船舶密度和历史事故密度；

B2、将历史事故密度作为权重，计算每个格网的搜救需求密度，方法如下：

其中，D_i是格网i的搜救需求密度，是格网i的历史事故密度，/>是格网i的海上船舶密度，/>是所有格网的历史事故密度总和；

步骤4、定量评估南海海上搜救系统的响应能力——结合一次覆盖、加权覆盖以及平均可达时间三个评价指标对研究海域的海上搜救系统的响应能力进行评估，三个评价指标如下：

1)、一次覆盖指标：从选定的搜救基地出发，搜救船舶在预定可达时间内可到达的搜救海域范围为预定覆盖范围，一次覆盖指标的计算公式如下：

其中，PC为一次覆盖指标值，S_access为预定覆盖范围的面积；S_total为研究区内海域总面积；若从选定的搜救基地出发到格网i的可达时间的最小值不大于所述预定可达时间，则所有符合该条件的格网的集合P构成所述的预定覆盖范围；

2)、加权覆盖指标：面向选定的搜救基地，预定覆盖范围的搜救需求占比，计算公式如下：

其中，WC为加权覆盖指标值，D_i是格网i的搜救需求密度，P为预定覆盖范围内格网的集合，∑D_i为研究区海域所有格网的需求密度总和；

3)、平均可达时间指标：以搜救需求密度作为权重的加权平均可达时间，计算公式如下：

其中，MAT为平均可达时间指标值，D_i是格网i的需求密度,为从所有选定搜救基地到格网i的可达时间中的最小值。

本发明的有效效益如下：

1、本发明提出了一种海上搜救船舶响应能力评估方法。

2、本发明引入了历史事故数据和船舶定位系统数据，提供了潜在搜救需求分析的新思路。

3、本发明提出了三项评价指标——一次覆盖、加权覆盖和平均可达时间，对海上搜救能力进行综合定量评估。

4、本发明可面向三种场景——单一国家搜救、多国联合搜救以及国家联合岛礁搜救基地搜救，对海上搜救能力进行评估，为联合搜救提供有效建议。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的总体框架图。

图2(a)(b)(c)为本发明中国、越南、马来西亚、菲律宾各季节的单一海上搜救一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果示意图。

图3为本发明四个国家各季节的联合海上搜救一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果示意图。

图4为本发明四个国家联合岛礁搜救基地各季节的海上搜救一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。

本实施例选择南海海域，每天有成千上万的船只经过南海，由于浅水、珊瑚礁、台风和海盗等各种威胁，海上交通事故频繁发生，提供南海海上搜救能力评估十分重要。

本发明面向南海海域进行说明本发明海上搜救船舶响应能力评估方法，其流程图如图1所示。本发明响应能力评估方法，具体包括以下步骤：

步骤1、数据下载与组织——获取南海地区的波浪场数据(包括有效波高高度和波浪方向数据)，船舶自动识别系统数据(船舶位置数据，用于计算格网的船舶密度)，和海上事故数据(海上事故位置数据，用于计算格网的历史事故密度)。对南海海域进行分辨率为1km x 1km的网格化，生成尺寸相等的若干格网。将波浪场数据重采样至1km x 1km的分辨率。从而使波浪场数据、船舶位置数据、海上事故位置数据与每个格网建立对应关系，这种对应关系是基于空间坐标实现的。并且获取搜救基地数据，即搜救基地数据的位置数据。本实施例中，波浪场数据使用2016-2018年的数据，船舶自动识别系统数据用2017年的数据，海上事故数据选用2009-2018年的数据。对于波浪场数据需要做平均处理，然后重采样，或者重采样后再平均。

考虑到不同季节对救援响应能力的影响，本实施例对上述数据按照季节进行划分，可以使得针对不同季节的搜救响应能力评估更为准确。当然，数据不按照季节划分也是可行的，依然在本发明保护范围内。

本步骤在ArcGIS10.4中完成。

步骤2、搜救可达时间计算——通过基于地理信息系统的可达时间模型计算搜救船舶的可达时间，具体方法如下：

计算船舶在格网内的实际航行航速：

S_i＝S₀-f(i)H_i ²

其中，S_i为船舶在格网i的实际航速，S₀为静水中的船速，f(i)为格网i的波浪与船舶方向系数，θ_i为格网i的波浪与船舶方向夹角,H_i为格网i的有效波高。本实施例中，格网i的波浪与船舶方向夹角θ_i通过一下方法计算获得，以搜救基地至格网i之间的连线为船舶方向，根据船舶方向和下载的格网i的波浪方向来计算格网i的波浪与船舶方向夹角。

然后在ArcGIS10.4中应用GIS成本距离分析工具，计算每个栅格单元到源位置的最小累计成本距离，即得到从搜救基地出发到每个地理海洋位置所使用的最短时间，即可达时间。面向多搜救基地，则利用栅格计算器，取栅格单元最小值为可达时间。计算方法可用如下公式表示：

式中，T_i,M为从搜救基地M到格网i的可达时间，l为格网的边长，N是从搜救基地M至格网i最少用时所经过的格网的集合。

步骤3、潜在搜救需求密度评估——结合船舶定位数据和海上历史事故数据计算海上搜救服务的潜在需求，具体方法如下：

首先在ArcGIS10.4中利用核密度分析方法计算每个格网的海上船舶密度和历史事故密度。

然后将历史事故密度作为权重，计算每个格网的搜救需求密度，计算公式如下：

其中，D_i是格网i的搜救需求密度，是格网i的历史事故密度，/>是格网i的海上船舶密度，/>是所有格网的历史事故密度总和。

步骤4、定量评估南海海上搜救系统的响应能力——结合一次覆盖、加权覆盖以及平均可达时间三个评价指标对研究海域的海上搜救系统的响应能力进行评估，三个评价指标如下：

1)、一次覆盖指标：从选定的搜救基地出发，搜救船舶在预定可达时间内可到达的搜救海域范围为预定覆盖范围，一次覆盖指标的计算公式如下：

其中，PC为一次覆盖指标值，S_access为预定覆盖范围的面积；S_total为研究区内海域总面积；若从选定的搜救基地出发到格网i的可达时间的最小值不大于所述预定可达时间，则所有符合该条件的格网的集合P构成所述的预定覆盖范围。本实施例中预定可达时间设为6小时。

2)、加权覆盖指标：面向选定的搜救基地，预定覆盖范围的搜救需求占比，计算公式如下：

其中，WC为加权覆盖指标值，D_i是格网i的搜救需求密度，P为预定覆盖范围内格网的集合，∑D_i为研究区海域所有格网的需求密度总和。

3)、平均可达时间指标：以搜救需求密度作为权重的加权平均可达时间，计算公式如下：

其中，MAT为平均可达时间指标值，D_i是格网i的需求密度,为从所有选定搜救基地到格网i的可达时间中的最小值。

本发明实施例面向三种情景评估南海海上搜救系统的响应能力。由于季节气候变化会对海洋环境带来极大的影响，从而影响搜救可达时间，因此根据南海气候特征，在评估搜救船舶响应能力时，需要按四个季节的分别进行分析。四个季节分别为：春季3-4月、夏季5-8月、秋季9-10月、冬季11-2月进行分析。将三个指标的值划分为5级：

一次覆盖：非常好(70％-100％)、好(50％-70％)、中(20％-50％)、差(10％-20％)、非常差(0-10％)；

加权覆盖：非常好(70％-100％)、好(50％-70％)、中(20％-50％)、差(10％-20％)、非常差(0-10％)；

平均可达时间：非常好(0-5h)、好(5h-10h)、中(10h-15h)、差(15h-20h)、非常差(>20h)。

三种情景如下：

情景一、单一国家实施海上搜救(中国、越南、马来西亚、菲律宾)

四个国家各季节的一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果如图2(a)(b)(c)所示，表明对于一次覆盖指标，中国、马来西亚、菲律宾在四个季节中指标值均处于级别“差”，越南在春夏秋三季中处于级别“中”，而冬季也处于级别“差”。对于加权覆盖指标，马来西亚四个季节中指标值均处于级别“中”，中国和菲律宾四季均处于级别“差”，越南在春夏秋三季中处于级别“差”，而冬季处于级别“非常差”。对于平均可达时间指标，中国、马来西亚在春夏秋三季中均处于级别“差”，冬季则均处于级别“非常差”，菲律宾在四季中均处于级别“差”，而越南在春夏秋三季中均处于级别“中”，在冬季处于级别“差”。该情景结果说明对于全海域而言，单一国家在南海海域的海上搜救响应能力很差。

情景二、国家联合实施海上搜救：

四个国家各季节的联合海上搜救的一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果如图3所示，表明在国家联合实施海上搜救情景下，对于一次覆盖指标，国家联合搜救体系在四季均处于级别“好”。对于加权覆盖指标，国家联合搜救体系在四季均处于级别“好”。对于平均可达时间指标，国家联合搜救体系在春夏秋三季处于级别“非常好”，在冬季处于级别“好”。该情景结果说明实施国家联合搜救机制，能极大提高在南海的海上搜救响应能力。

情景三、国家联合岛礁搜救基地(永兴岛、渚碧礁、美济岛、永暑礁、南沙岛、中业岛、燕子礁)实施海上搜救：

四个国家联合岛礁搜救基地各季节的海上搜救的一次覆盖、加权覆盖、平均可达时间结果如图4所示，表明国家联合岛礁搜救基地情景下，对于一次覆盖指标，其在春夏秋三季处于级别“非常好”，冬季处于级别“好”。对于加权覆盖指标，其在春夏秋三季处于级别“非常好”，冬季处于级别“好”。对于平均可达时间指标，其在四季均处于级别“非常好”。该情景结果说明，将岛礁基地纳入海上搜救体系，能进一步提高在南海的海上搜救响应能力。

验证实施例：

下面为验证本发明方法的精度及可靠性，继续以该实例进行说明。

本发明采用平均绝对误差来验证精度，真实响应时间数据来源于官方事故报告。经计算，平均绝对误差结果为16.8分钟，然而，尽管存在一些精度差异，经过与海事专家的协商，结果是可以接受的，可以用于提高南海海上搜救能力的战略规划。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种海上搜救船舶响应能力评估方法，包括以下步骤：

步骤1、数据下载与组织——获取研究海域的波浪场数据、船舶自动识别系统数据、海上事故数据，对研究海域进行网格化，生成尺寸相等的若干格网，将波浪场数据重采样，重采样的分辨率与网格化分辨率相等，从而使所有数据与每个格网建立对应关系；另外，获取搜救基地数据；

步骤2、搜救可达时间计算——通过基于地理信息系统的可达时间模型计算搜救船舶的可达时间，具体方法如下：

A1、计算船舶在格网内的实际航行航速：

S_i＝S₀-f(i)H_i ²

其中，S_i为船舶在格网i的实际航速，S₀为静水中的船速，f(i)为格网i的波浪与船舶方向系数，θ_i为格网i的波浪与船舶方向夹角，H_i为格网i的有效波高；

A2、计算从搜救基地出发到每个格网所使用的最短时间，即可达时间，

式中，T_i，M为从搜救基地M到格网i的可达时间，l为格网的边长，N是从搜救基地M至格网i最少用时所经过的格网的集合；

步骤3、潜在搜救需求密度评估——结合船舶定位数据和海上历史事故数据计算海上搜救服务的潜在需求，具体方法如下：

B1、利用核密度分析方法计算每个格网的海上船舶密度和历史事故密度；

B2、将历史事故密度作为权重，计算每个格网的搜救需求密度，公式如下：

其中，D_i是格网i的搜救需求密度，是格网i的历史事故密度，/>是格网i的海上船舶密度，/>是所有格网的历史事故密度总和；

步骤4、定量评估南海海上搜救系统的响应能力——结合一次覆盖、加权覆盖以及平均可达时间三个评价指标对研究海域的海上搜救系统的响应能力进行评估，三个评价指标如下：

1)、一次覆盖指标：从选定的搜救基地出发，搜救船舶在预定可达时间内可到达的搜救海域范围为预定覆盖范围，一次覆盖指标的计算公式如下：

其中，PC为一次覆盖指标值，S_access为预定覆盖范围的面积；S_total为研究区内海域总面积；若从选定的搜救基地出发到格网i的可达时间的最小值不大于所述预定可达时间，则所有符合该条件的格网的集合P构成所述的预定覆盖范围；

2)、加权覆盖指标：面向选定的搜救基地，预定覆盖范围的搜救需求占比，计算公式如下：

其中，WC为加权覆盖指标值，D_i是格网i的搜救需求密度，P为预定覆盖范围内格网的集合，∑D_i为研究区海域所有格网的需求密度总和；

3)、平均可达时间指标：以搜救需求密度作为权重的加权平均可达时间，计算公式如下：

其中，MAT为平均可达时间指标值，D_i是格网i的需求密度，T_i ^min为从所有选定搜救基地到格网i的可达时间中的最小值。

2.根据权利要求1所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：步骤1中，网格的分辨率为1km x 1km。

3.根据权利要求1所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：格网i的波浪与船舶方向夹角θ_i通过以下方法计算获得，以搜救基地至格网i之间的连线为船舶方向，根据船舶方向和下载的格网i的波浪方向来计算格网i的波浪与船舶方向夹角。

4.根据权利要求1所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：步骤4中，设定的预定可达时间为4小时、5小时或6小时。

5.根据权利要求1所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：波浪场数据、船舶自动识别系统数据和海上事故数据按四个季节划分，并根据季节进行救船舶响应能力评估，四个季节分别为：春季3-4月、夏季5-8月、秋季9-10月、冬季11-2月。

6.根据权利要求5所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：适合引用于南海海域的搜救船舶响应能力评估。

7.根据权利要求1所述的海上搜救船舶响应能力评估方法，其特征在于：将三个指标根据数值大小划分为5级：

一次覆盖：

70％-100％：非常好、50％-70％：好、20％-50％：中、10％-20％：差、0-10％：非常差；

加权覆盖：

70％-100％：非常好、50％-70％：好、20％-50％：中、10％-20％：差、0-10％：非常差；

平均可达时间：

0-5h：非常好、5h-10h：好、10h-15h：中、15h-20h：差、大于20h：非常差。