CN113221348A - 一种工程船舶可作业环境条件的分析方法 - Google Patents

一种工程船舶可作业环境条件的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程船舶可作业环境条件的分析方法；包括以下步骤：步骤一，采集船舶是否作业的信息和对应的若干种环境信息；步骤二，将船舶是否作业的信息进行数据化处理，得到船舶是否作业序列；将所有的环境信息均进行数据化处理，得到若干组环境数据数列；步骤三，先在一种环境数据数列中找出该环境数据的取值范围，再将取值范围分割成n个阈值；步骤四，新生成n组环境特征值数列；步骤五，对n组环境特征值数列分别与船舶是否作业序列计算Pearson相关性系数，得到Pearson相关性系数最大的那一组环境特征值数列所对应的阈值，即为该船舶对应该环境的可作业条件。本发明能对未来工程船舶在某种环境条件下能否作业进行预测。

Description

一种工程船舶可作业环境条件的分析方法
技术领域
本发明涉及一种工程船舶可作业环境条件的分析方法。
背景技术
传统的海上作业包括货物的装载与卸载、航行与拖航、海上吊装、浮拖、导管架下水、海洋管道的铺设以及其他各类浮式作业等，这些作业的开展离不开海上工程船舶的参与。海上工程船舶种类繁多，是海上施工作业的基础，在海上施工领域起着十分关键的作用，因此，工程船舶的海上作业限制环境条件是海洋工程领域的重要研究项目。
几十年来，学术界对于确定各类海上作业和海上船只可作业环境条件的方法进行了大量的研究，已对海上作业中碰到的各类危险因素进行了充分辨识。海事领域也制定了相关规范用于指导这些海上作业。然而在海上施工作业领域，工程船舶与其他工程设备相比种类更为繁多，作业范围更为广泛，且受到风浪载荷的影响较大，同时缺少在海床泥面以下完成主要作业的工程船舶的实用案例，因此业内对于这些工程船舶作业的风险辨识不够完整，且尚无用于指导该类工程船舶可作业的明确条件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种工程船舶可作业环境条件的分析方法，它能对未来工程船舶在某种环境条件下能否作业进行预测，进而有效地减少工程船舶的等待时间，提高工程船舶的作业效率。
本发明的目的是这样实现的：一种工程船舶可作业环境条件的分析方法；包括以下步骤：
步骤一，采集在一个或多个施工项目中船舶是否作业的信息和与船舶是否作业的信息对应的若干种环境信息；
步骤二，将船舶是否作业的信息进行数据化处理，将正常作业处理为数值1，将未作业处理为数值0，并按时间顺序进行排列，得到一组船舶是否作业0-1序列；将所有种类的环境信息均进行数据化处理，得到若干组环境数据数列，每组环境数据数列的元素数量与船舶是否作业0-1序列的元素数量相等且对应；
步骤三，采用单因素分析法对一种环境进行分析，即先对一种环境数据与其对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，记为数列A0，接着在数列A0中找出该环境的取值范围为Pi～Pj，j大于i，再将该环境的取值范围分割成n个阈值，记为P1，P2，P3，…Pn；
步骤四，将数列A0中大于阈值P1的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P1的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A1；将数列A0中大于阈值P2的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P2的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A2；…，藉此新生成n组与n个阈值一一对应的环境特征值数列A1，A2，…，An；
步骤五，对n组环境特征值数列A1，A2，…，An分别与船舶是否作业0-1序列进行Pearson相关性分析，即进行Pearson相关性系数计算，得到Pearson相关性系数最大的那一组环境特征值数列所对应的阈值，即为该船舶对应该环境的可作业条件；
步骤六，重复步骤三至步骤五，对其余的环境数据进行分析，得到该船舶对应其余的环境的可作业条件。
上述的工程船舶可作业环境条件的分析方法，其中，进行步骤一时，采集的所述环境信息至少包括波高和风级。
本发明的工程船舶可作业环境条件的分析方法具有以下效果：
1、本发明根据工程船舶的实际作业情况以及对应的环境条件特征，较为准确地分析工程船舶的可作业环境条件，在此环境条件的基础上，能对未来该工程船舶在某种环境条件下能否作业进行预测，进而有效地减少工程船舶的等待时间，提高工程船舶的作业效率。
2、不同于其他的环境条件数学模型，本发明中构建的计算和预测模型较为简单方便，通过对工程船舶在某施工工程中相关数据的收集，利用Pearson相关性分析求得各种环境因素与船舶是否作业的相关性系数，进而得出特定环境因素对该工程船舶可作业的限制条件。
附图说明
图1为本发明的工程船舶可作业环境条件的分析方法的流程图；
图2为本发明的实施例中波高与Pearson相关性系数的关系图；
图3为本发明的实施例中风级与Pearson相关性系数的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图3，本发明的工程船舶可作业环境条件的分析方法，包括以下步骤：
步骤一，采集在一个或多个施工项目中船舶是否作业的信息和与船舶是否作业的信息对应的若干种环境信息；
步骤二，将船舶是否作业的信息进行数据化处理，将正常作业处理为数值1，将未作业处理为数值0，并按时序进行排列，得到一组船舶是否作业0-1序列；将所有种类的环境信息均进行数据化处理，得到若干组环境数据数列，每组环境数据数列的元素数量与船舶是否作业序列的元素数量相等且对应；
步骤三，采用单因素分析法对一种环境进行分析，先采用MATLAB软件对该环境数据与其对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，记为数列A0，接着在数列A0中找出该环境的取值范围为Pi～Pj，j大于i，再将该环境的取值范围分割成n个阈值，记为P1，P2，P3，…Pn；
步骤四，将数列A0中大于阈值P1的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P1的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A1；将数列A0中大于阈值P2的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P2的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A2；…，藉此新生成n组与n个阈值一一对应的环境特征值数列A1，A2，…，An；环境特征值数列A1，A2，…，An均为0-1序列；
步骤五，将n组环境特征值数列A1，A2，…，An分别与船舶是否作业序列进行Pearson相关性分析，得到Pearson相关性系数最大的那一组环境特征值数列所对应的阈值，即为该船舶对应该环境的可作业条件；
步骤六，重复步骤三至步骤五，对其余的环境进行分析，得到该船舶对应其余的环境的可作业条件。
现以某艘挤密砂桩船为具体的实施例对本发明进行说明，该挤密砂桩船在2018年8月1日至2018年12月12日共134天在某海域进行海上风电机组的重力式基础的挤密砂桩地基加固施工。
步骤一，采集该挤密砂桩船在2018年8月1日至2018年12月12日期间船舶是否作业信息和对应当天的环境信息，环境信息至少包括波高和风级，将波高和风级作为影响该挤密砂桩船可作业的两个主要环境因素；波高的信息和风级的信息都是独立采集的；波高可采用波浪骑士浮标进行采集，风级可采用风速仪进行采集；下表1为采集到的船舶是否作业信息和对应的风级的信息和波高的信息；
表1
Figure BDA0003055280380000041
Figure BDA0003055280380000051
Figure BDA0003055280380000061
Figure BDA0003055280380000071
Figure BDA0003055280380000081
Figure BDA0003055280380000091
从表1中看到该挤密砂桩船在2018年10月7日至2018年12月12日的67天都没有进行作业，因此将该期间的信息全部剔除，只剩2018年8月1日至2018年10月6日这67天的信息；
步骤二，将挤密砂桩船是否作业的信息进行数据化处理，将正常作业处理为数值1，将未作业处理为数值0，并按时间顺序进行排列，得到一组船舶是否作业0-1序列；将波高和风级均进行数据化处理，得到波高数据数列和风级数据数列，波高数据数列的元素数量和风级数据数列的元素数量与船舶是否作业0-1序列的元素数量(67个)相等且对应；
从表1中看到，采集到的风级和波高均是一个范围，因此先要对风级的范围和波高的范围均进行算术平均，得到风级平均值数列和波高平均值数列，如下表2所示：
表2
Figure BDA0003055280380000092
Figure BDA0003055280380000101
Figure BDA0003055280380000111
步骤三，采用单因素分析法对波高进行分析，先采用MATLAB软件对波高数据与其对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，记为数列A0，接着在数列A0中找出波高的取值范围为0.25～4.9m，再将波高的取值范围分割成30个波高阈值，这30个波高阈值是从67个波高平均值中取出的不重复的值，记为P1＝0.25,P2＝0.35,P3＝0.4,…,P30＝4.9，并将波高阈值与对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，见下表3；
表3
Figure BDA0003055280380000121
Figure BDA0003055280380000131
Figure BDA0003055280380000141
步骤四，将数列A0中大于波高阈值P1＝0.25的波高全部处理为数值0，小于等于波高阈值P1＝0.25的波高全部处理为数值1，新生成一组波高特征值数列A1；将数列A0中大于波高阈值P2＝0.35的波高全部处理为数值0，小于等于波高阈值P2＝0.35的波高全部处理为数值1，新生成一组波高特征值数列A2；…；藉此新生成30组与30个波高阈值一一对应的波高特征值数列A1，A2，…，A30。
这里以第13个波高阈值P13＝0.9m为例，将数列A0中小于等于波高阈值0.9m的波高处理为1，将大于波高阈值0.9m的波高处理为0，得到一组波高特征值数列A13，见下表4；
表4
Figure BDA0003055280380000142
Figure BDA0003055280380000151
Figure BDA0003055280380000161
Figure BDA0003055280380000171
步骤五，将30组波高特征值数列A1，A2，…，A30分别与船舶是否作业0-1序列进行Pearson相关性分析，即采用以下公式计算每一组波高特征值数列与船舶是否作业0-1序列的Pearson相关性系数，得到30个Pearson相关性系数，见下表5；
Figure BDA0003055280380000172
上式中：r为Pearson相关性系数，xi和yi分别为两个具有N个元素的变量中的第i个元素，本实施例中，x表示船舶是否作业，y表示波高，N＝67；
表5
Figure BDA0003055280380000173
Figure BDA0003055280380000181
其中得到最大的Pearson相关性系数的那一组波高特征值数列所对应的阈值即为该船舶对应该波高值的可作业条件；从表5看到，平均波高为0.9m时的Pearson相关性系数最大(0.887)，因此该挤密砂桩船可作业的波高条件约为0.9m。
步骤三，采用单因素分析法对风级进行分析，先采用MATLAB软件对风级数据和其对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，记为数列B0，接着在数列B0中找出风级的取值范围为2～9，再将风级的取值范围分割成11个风级阈值，这11个风级阈值是从67个风级平均值中取出的不重复的值，记为Q1＝2，Q2＝2.5，Q3＝3，…，Q11＝9，并将风级阈值与对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，见下表6；
表6
Figure BDA0003055280380000182
Figure BDA0003055280380000191
Figure BDA0003055280380000201
Figure BDA0003055280380000211
步骤四，将数列B0中大于风级阈值Q1＝2的风级全部处理为数值0，小于等于风级阈值Q1＝2的风级全部处理为数值1，新生成一组风级特征值数列B1；将数列B0中大于风级阈值Q2＝2.5的风级全部处理为数值0，小于等于风级阈值Q2＝2.5的风级全部处理为数值1，新生成一组风级特征值数列B2；…；藉此新生成11组与11个风级阈值一一对应的风级特征值数列B1，B2，…，B11。
这里以第4个风级阈值Q4＝3.5为例，将数列B0中小于等于风级阈值3.5的风级处理为1，将大于风级阈值3.5的风级处理为0，得到一组风级特征值数列B4，见下表7；
表7
Figure BDA0003055280380000212
Figure BDA0003055280380000221
Figure BDA0003055280380000231
步骤五，将11组风级特征值数列B1，B2，…，B11分别与船舶是否作业0-1序列进行Pearson相关性分析，即采用以下公式计算每一组风级特征值数列与船舶是否作业0-1序列的Pearson相关性系数，得到11个Pearson相关性系数，见下表8；
Figure BDA0003055280380000232
上式中：r为Pearson相关性系数，xi和zi分别为两个具有N个元素的变量中的第i个元素，本实施例中，x表示船舶是否作业，z表示风级，N＝67；
表8
平均风级 Pearson相关性系数r
2 0.003
2.5 0.312
3 0.482
3.5 0.499
4 0.478
4.5 0.482
5 0.388
5.5 0.280
6 0.173
8 0.121
9 0
其中得到最大的Pearson相关性系数的那一组风级特征值数列所对应的阈值即为该船舶对应该风级值的可作业条件；从表8看到，平均风级为3.5时的Pearson相关性系数最大(0.499)，因此该挤密砂桩船可作业的风级条件约为3.5级。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种工程船舶可作业环境条件的分析方法；其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
步骤一，采集在一个或多个施工项目中船舶是否作业的信息和与船舶是否作业的信息对应的若干种环境信息；
步骤二，将船舶是否作业的信息进行数据化处理，将正常作业处理为数值1，将未作业处理为数值0，并按时间顺序进行排列，得到一组船舶是否作业0-1序列；将所有种类的环境信息均进行数据化处理，得到若干组环境数据数列，每组环境数据数列的元素数量与船舶是否作业0-1序列的元素数量相等且对应；
步骤三，采用单因素分析法对一种环境进行分析，即先对一种环境数据与其对应的船舶是否作业的信息按照从小到大排序，记为数列A0，接着在数列A0中找出该环境的取值范围为Pi～Pj，j大于i，再将该环境的取值范围分割成n个阈值，记为P1，P2，P3，…Pn；
步骤四，将数列A0中大于阈值X1的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P1的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A1；将数列A0中大于阈值P2的元素全部处理为数值0，小于等于阈值P2的元素全部处理为数值1，新生成一组环境特征值数列A2；…，藉此新生成n组与n个阈值一一对应的环境特征值数列A1，A2，…，An；
步骤五，对n组环境特征值数列A1，A2，…，An分别与船舶是否作业0-1序列进行Pearson相关性分析，即进行Pearson相关性系数计算，得到Pearson相关性系数最大的那一组环境特征值数列所对应的阈值，即为该船舶对应该环境的可作业条件；
步骤六，重复步骤三至步骤五，对其余的环境数据进行分析，得到该船舶对应其余的环境的可作业条件。
2.根据权利要求1所述的工程船舶可作业环境条件的分析方法，其特征在于，进行步骤一时，采集的所述环境信息至少包括波高和风级。
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