CN113436468B - 基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，具体包含以下步骤：分别构建环境子系统、船舶子系统及与所述环境子系统、船舶子系统相协同的桥梁子系统，从而构成桥梁防撞系统；通过对所述环境子系统及船舶子系统、桥梁子系统协同关系的分析，并引入序参量桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行协同配置。本发明可实现多阶段，多层次，多角度协同解决桥梁与船舶碰撞问题，最大程度的保障航道桥梁及通航船舶的安全。

Description

基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法

技术领域

本发明涉及桥梁防撞领域，具体涉及一种基于协同学理论的桥梁、船舶与通航环境的桥梁防撞系统协同配置的构建方法。

背景技术

随着航运经济的不断发展，航道内船舶的数量持续增长，通航水域的环境逐渐复杂，为桥区水域桥梁与船舶的通航安全带来了更多碰撞风险。当前，桥梁与船舶的碰撞问题研究主要集中于桥梁结构被动防撞的研究，通过提高桥梁结构防船撞的能力，尽量避免桥梁主体结构在船撞事件中失效的可能。上述方法对提高通航桥梁在船撞情况下的安全性能有很大裨益，但被动防撞理念占据主流的结果是：很多航道桥梁设计和布局没有或未充分考虑水上交通运输发展的需求，导致桥梁与船舶碰撞问题一直难以根除。另外，不少的桥梁防撞专题研究均是基于已成型的设计方案进行船撞风险评估，鲜有在设计阶段就介入桥梁与船舶碰撞问题的案例。

发明内容

本发明提出了一种基于协同学的桥梁、船舶、环境相协同的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，从桥梁的设计、施工与运营三个维度，解决桥梁与船舶碰撞问题的顽疾，最大程度保障航道桥梁及通航船舶的安全。

为了达到上述目的，本发明提出了一种基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，具体包含以下步骤：

分别构建桥梁防撞系统、环境子系统、船舶子系统及桥梁子系统；所述桥梁子系统与所述环境子系统及船舶子系统相协同；

通过对所述环境子系统及船舶子系统、桥梁子系统协同关系的分析，并引入序参量桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行协同配置。

进一步地，从桥梁的设计阶段、施工阶段以及运营阶段三个维度构建桥梁子系统；所述桥梁设计阶段包含桥位与桥址、桥跨与通航净空及桥梁防撞结构与布局三个层面，所述桥梁施工阶段包含工程船舶往来、航道线路变迁、噪声与光源三个层面，所述桥梁运营阶段包含主动防船撞预警系统、船舶安全管理、航道与航行管理三个层面。

进一步地，所述桥位与桥址层面与所述环境子系统相协同，所述桥跨与通航净空层面与所述环境子系统相协同，所述桥梁防撞结构与布局层面与所述环境子系统相协同。

进一步地，若所述桥梁子系统与所述环境子系统不协同，则采用桥梁防撞结构与通航代表船型协同进行优化，和/或，采用桥跨与通航净空和船舶交通流协同手段进行优化，和/或，优化桥梁防撞结构，和/或，将通航净空与桥区水域历史最高水位相协同，和/或，将通航净空及通航净宽与至少未来10年船舶交通量的增长相协同，和/或，将桥梁的选址定于航道顺直、水深充裕的水域，和/或，将桥梁布置的轴线尽量与航道水流方向正交。

进一步地，若桥梁子系统的施工阶段存在船撞隐患，则优化工程船舶往来航线和/或控制施工现场噪声及光源的污染，和/或，调整原有通航船舶航线。

进一步地，若桥梁子系统的运营阶段与船舶子系统不协同，则将主动防船撞预警系统与船舶相协同，和/或，对船舶驾驶员进行安全培训，提高船舶驾驶员安全意识，和/或，定期检查船舶设备的有效性，和/或，船舶的防撞结构与桥型相适应，和/或，为航道及桥涵设置合理的助航标注，和/或，对河道、码头、锚地、横越区进行科学管理。

进一步地，从水文气象、航道状况以及交通状况三个层面构建环境子系统，所述水文气象层面包含：风、雨、雾、水流、水深、水位涨落；所述航道状况层面包含：航道变迁、碍航物、航道弯曲角；所述交通状况层面包含：桥区水域船舶交通密度、通航代表船型、船舶航行轨迹分布。

进一步地，从人为操作及船舶设备、结构两个层面构建船舶子系统，所述人为操作层面包含预警的及时性、判断的准确性以及操作的规范性，所述船舶设备、结构层面包含船舶防撞结构及设备的有效性。

进一步地，采用桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行优化协同配置，并以桥梁撞船概率与桥梁船撞倒塌概率两者乘积的最小值作为桥梁防撞系统协同配置的优化目标。

本发明具有以下优势：

本发明从桥梁设计阶段、施工阶段以及运营阶段三个维度构建桥梁子系统，并将桥梁子系统与环境子系统及船舶子系统协同，构建以桥区水域通航船舶与桥梁的共同安全为目标的桥梁防撞系统协同配置方法，同时将桥梁防撞结构与通航代表船型相协同，将桥梁的主动防船撞预警系统与桥区航段通航船舶相协同，将桥梁的设计、施工与运营阶段同环境与通航船舶统相协同，构建桥区水域智能化、信息化航道关键节点，实现多阶段，多层次，多角度协同解决桥梁与船舶碰撞问题，最大程度的保障航道桥梁及通航船舶的安全。

附图说明

图1为本发明基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

桥梁与船舶的碰撞问题是跨学科、宽领域、多因素的复杂系统，需要各子系统间相互配合、协调，这样多种力量就能汇聚成一个总力量，其产生的效果会大大超过各子系统间单独作用的结果。协同学是研究不同事物共同特征及其机理的新兴学科，本发明将协同学用于解决桥梁与船舶碰撞问题中，系统分析桥梁、船舶与通航环境间的相互协同的可行性，构建以桥区水域通航船舶与桥梁的共同安全为目标的桥梁防撞系统协同配置方法，为解决此种复杂问题提供新方法与新思路。

本发明提出了一种基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，具体包含以下步骤：

S1、分别构建环境子系统、船舶子系统及与所述环境子系统、船舶子系统相协同的桥梁子系统，从而构成桥梁防撞系统。

所述环境子系统、船舶子系统及环境子系统共同构成桥梁防撞系统。其中，船舶子系统为桥梁防撞系统的协同配置提供了必要的设计依据，同时船舶子系统也时刻改变着环境子系统的交通状况，也为桥梁子系统的构建提供必要的设计依据。环境子系统是桥梁防撞系统的设计的前提条件，为桥梁防撞系统的协同配置提供设计依据。同时环境子系统也为船舶的通航和桥梁的施工建造提供必要的环境资源。桥梁子系统是桥梁防撞系统保护的主体对象，同时桥梁子系统也须因地制宜合理利用已有环境资源，且为船舶提供安全的航通条件。

在构建船舶子系统时需要考虑人为操作的隐患与船舶设备及其结构的因素，因此，本发明从人为操作及船舶设备、结构两个层面构建船舶子系统。所述人为操作层面包含：预警的及时性、判断的准确性以及操作的规范性，所述船舶设备、结构层面包含船舶防撞结构及设备的有效性。针对人为操作存在额隐患，可通过加强船舶驾驶员安全培训，提高船舶驾驶员驾驶技术进行避免，针对船舶设备及其结构存在的隐患，应定期检查船舶设备的有效性，并将船舶的防撞结构与桥型相适应。

构建环境子系统时，考虑水文气象、航道状况以及交通状况三个层面。所述水文气象层面包含：风、雨、雾、水流、水深、水位涨落；所述航道状况层面包含：航道变迁、碍航物、航道弯曲角；所述交通状况层面包含：桥区水域船舶交通密度、通航代表船型、船舶航行轨迹分布。

构建桥梁子系统时，考虑桥梁设计阶段、施工阶段及运营阶段三个维度，多阶段、多层次、多角度协同解决桥梁与船舶碰撞问题，并将桥梁子系统与所述船舶子系统及环境子系统相协同。

从桥梁设计阶段分析桥梁安全影响的因素，主要分为以下三种：水文气象方面，航道内水流的方向会影响桥梁轴线的布置，风雨雾等气候条件影响着船舶所需的通航净宽，历史最高水位的变化影响着桥梁预留的通航净空；航道状况方面，航道的顺直与否影响着船舶通航的安全，河床或海床的稳定与水深充裕，能为船舶航行提供更好的通航条件，险滩、碍航物等则会为船舶通航带来安全隐患；交通状况方面，通航代表船型尺度、船舶密度、船舶航行的轨迹影响着桥梁通航孔及尺度的设置，包括通航净空与通航净宽。因此，从桥梁设计阶段这一维度构建桥梁子系统时，应包含桥位与桥址、桥跨与通航净空及桥梁防撞结构与布局三个层面。

在桥梁子系统其设计阶段于其它系统的交互过程中，需要充分考虑桥设计是否合理，有利于降低桥梁船撞概率及船撞倒塌概率。针对设计中的桥梁，将桥梁与环境子系统进行协同。桥梁的桥位与桥址与环境子系统相协同：桥梁轴线应尽量与水流主流向正交；桥梁的选址优先选择航道顺直的水域，选择河床或海床的稳定与水深充裕，能为船舶航行提供更好的通航条件。桥跨与通航净空和所述环境子系统相协同：风雨雾等气候条件影响着船舶通航净宽，针对气候较为恶劣的环境，须适当提高桥梁的桥跨；桥梁设计所预留的通航净空应与桥区水域历史最高水位的变化相协同，通航净空应与桥区水域代表船型空载时的水上高度相协同；桥跨应与桥区水域代表船型宽度、船舶交通流轨迹及交通密度相协同，保证通航安全与效率并考虑至少未来10年内，船舶交通量增长趋势给桥梁船撞风险和船撞倒塌概率带来的影响。桥梁防撞结构与布局和所述环境子系统相协同：桥梁通航孔的桥墩应当设计必要的防撞设施，其能够承受的船舶碰撞的能量，根据代表船型计算确定。

若所述桥梁子系统与所述环境子系统不协同，则采用桥梁防撞结构与通航代表船型协同手段进行优化，桥跨与通航净空和船舶交通流协同手段进行优化，以及优化桥梁防撞结构等手段。

从桥梁施工阶段分析桥梁安全影响的因素，主要分为以下三种：①桥梁墩台及基础的建设使原有航道线路产生了变迁，干扰了船舶的正常航行。②施工期间会有大量的工程船舶往来，增加了船舶之前碰撞的风险。③施工现场的光源与噪声会干扰船舶驾驶员对助航标志及通航水域安全状况的判断。

在桥梁子系统施工阶段与其它系统的交互过程中，需要充分考虑桥施工过程是否合理，有利于降低桥梁船撞概率及船撞倒塌概率。针对施工过程中的桥梁，应考虑工程船舶的往来，合理优化工程船舶的通航线路，尽量减少对正常航行船舶的干扰；考虑原有航道线路变迁，须重新调整优化原有航线，保证船舶的正常航行；考虑施工现场的光源与噪声，须遮蔽靠近通航区域的光源，减少噪声，合理控制此类污染。因此，从桥梁施工阶段构建桥梁子系统时，应包含工程船舶往来、航道线路变迁、噪声与光源三个层面。

若桥梁子系统的施工阶段存在船撞隐患，则优化工程船舶往来航线，和/或，控制施工现场噪声及光源的污染，和/或，调整原有通航船舶航线。

从桥梁运营分析桥梁安全影响的因素，主要分为以下三种：①航道水深水流的变化，会给船舶带来偏航或超高从而撞击桥梁的风险。②通航船舶人为因素所造成的疏忽及操作的不规范性，会给桥梁带来事故风险。③船舶设备及结构的稳定性，也会增加桥梁船撞的风险概率。

在桥梁子系统运营阶段与其它系统的交互过程中，需要充分考虑桥施工过程是否合理，有利于降低桥梁船撞概率及船撞倒塌概率。针对运营过程中的桥梁，应考虑航道水域水深及水流的变化，应为航道及桥涵设置合理的助航标注；考虑航道内船舶交通流的复杂化，应对河道、码头、锚地、横越区进行科学管理，如建立船舶航行定线制、设置船舶航行警戒区、船舶交通管理系统等等；考虑船舶航行过程中人为的操纵失误，应对设置电子围栏航道偏离预警、视频图像识别及声光报警等主动防船撞预警系统。因此，从桥梁运营阶段构建桥梁子系统时，应包含主动防船撞预警系统、船舶安全管理、航道与航行管理三个层面。。

若桥梁子系统的运营阶段存在船撞隐患，将主动防船撞预警系统与船舶相协同船舶偏航隐患，须布置电子围栏航道偏离预警等同类型装置。船舶有超高隐患，须布置船舶超高激光检测预警等同类型装置；对河道、码头、锚地、横越区进行科学管理；加强船舶驾驶员安全培训，提高船舶驾驶员驾驶技术，定其检查船舶设备的有效性，设置船舶的防撞结构与桥型相适应等措施。

S2、通过对所述环境子系统及船舶子系统、桥梁子系统协同关系的分析，并引入序参量桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行协同配置。

本发明中由环境子系统、船舶子系统及桥梁子系统共同构成桥梁防撞系统，引入序参量来检验与分析评价桥梁防撞系统的可靠性和安全性。所述序参量采用桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率，其中，序参量“桥梁船撞概率”可通过AASHTO算法计算；序参量“桥梁船撞倒塌概率”指标可通过结构可靠性分析计算。两个序参量乘积的最小值作为桥梁防撞系统协同配置的优化目标，使三大子系统间可以有序共存，协调发展。

本发明考虑桥梁全寿命周期中的船撞风险，将桥梁防撞结构与通航代表船型相协同，将桥梁的主动防船撞预警系统与桥区航段通航船舶相协同，构建桥区水域智能化、信息化航道关键节点。在桥梁设计阶段充分利用桥线及桥位、桥墩布局，从源头上尽可能的消除或降低桥梁碍航性；在桥梁的施工阶段考虑了施工区域工程船舶对来往船舶航线改变的影响，降低施工作业环境中往来的工程船舶以及噪声与光源对航行该水域的船舶安全的影响；在桥梁的运营阶段对河道疏浚，码头、锚地、横越区进行科学管理，建立完备的主动防船撞预警系统等。多阶段，多层次，多角度协同解决桥梁与船舶碰撞问题，最大程度的保障航道桥梁及通航船舶的安全。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，包含以下步骤：

分别构建环境子系统、船舶子系统及与所述环境子系统、船舶子系统相协同的桥梁子系统，从而构成桥梁防撞系统；

通过对所述环境子系统及船舶子系统、桥梁子系统协同关系的分析，并引入序参量桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行协同配置；

其中，从桥梁的设计阶段、施工阶段以及运营阶段三个维度构建桥梁子系统；所述桥梁设计阶段包含桥位与桥址、桥跨与通航净空及桥梁防撞结构与布局三个层面；所述桥梁施工阶段包含工程船舶往来、航道线路变迁、噪声与光源三个层面；所述桥梁运营阶段包含主动防船撞预警系统、船舶安全管理、航道与航行管理三个层面。

2.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，所述桥位与桥址层面与所述环境子系统相协同，所述桥跨与通航净空层面与所述环境子系统相协同，所述桥梁防撞结构与布局层面与所述环境子系统相协同。

3.如权利要求2所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，若所述桥梁子系统设计阶段与所述环境子系统不协同，则优化桥梁防撞结构，和/或，将桥梁防撞结构与通航代表船型协同，和/或，将桥跨与通航净空和船舶交通流协同，和/或，将通航净空与桥区水域历史最高水位相协同，和/或，将通航净空及通航净宽与至少未来10年船舶交通量的增长相协同，和/或，将桥梁的选址定于航道顺直、水深充裕的水域，和/或，将桥梁布置的轴线尽量与航道水流方向正交。

4.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，若桥梁子系统的施工阶段存在船撞隐患，则优化工程船舶往来航线，和/或，控制施工现场噪声及光源的污染，和/或，调整原有通航船舶航线。

5.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，所述桥梁子系统的运营阶同船舶子系统相协同，若所述桥梁子系统运营阶段与船舶子系统不协同，则将主动防船撞预警系统与船舶相协同，和/或，对船舶驾驶员进行安全培训，提高船舶驾驶员安全意识，和/或，定期检查船舶设备的有效性，和/或，船舶的防撞结构与桥型相适应，和/或，为航道及桥涵设置合理的助航标注，和/或，对河道、码头、锚地、横越区进行科学管理。

6.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，从水文气象、航道状况以及交通状况三个层面构建环境子系统，所述水文气象层面包含：风、雨、雾、水流、水深、水位涨落；所述航道状况层面包含：航道变迁、碍航物、航道弯曲角；所述交通状况层面包含：桥区水域船舶交通密度、通航代表船型、船舶航行轨迹分布。

7.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，从人为操作及船舶设备、结构两个层面构建船舶子系统，所述人为操作层面包含预警的及时性、判断的准确性以及操作的规范性，所述船舶设备、结构层面包含船舶防撞结构及设备的有效性。

8.如权利要求1所述的基于协同学的桥梁防撞系统协同配置的构建方法，其特征在于，采用桥梁船撞概率及桥梁船撞倒塌概率对桥梁防撞系统进行优化协同配置，并以桥梁撞船概率与桥梁船撞倒塌概率两者乘积的最小值作为桥梁防撞系统协同配置的优化目标。

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