CN114882736A - 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法 - Google Patents

可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114882736A
CN114882736A CN202210361023.XA CN202210361023A CN114882736A CN 114882736 A CN114882736 A CN 114882736A CN 202210361023 A CN202210361023 A CN 202210361023A CN 114882736 A CN114882736 A CN 114882736A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ship
building
channel
distance
ships
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210361023.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114882736B (zh
Inventor
陈蜀喆
朱联钟
郭天宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202210361023.XA priority Critical patent/CN114882736B/zh
Publication of CN114882736A publication Critical patent/CN114882736A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114882736B publication Critical patent/CN114882736B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft
    • G08G3/02—Anti-collision systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

本发明提出一种可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，通过分析船舶与区域性建筑在极端气象水文工况下的会遇过程，明确导致碰撞风险的关键影响因子，以航线最边缘船舶的出现概率建立基于船舶失控漂移的安全间距计算模型，在挖掘船舶与区域性建筑可容忍碰撞概率的基础上，建立基于可容忍碰撞概率的安全间距计算模型，通过考虑航线内船舶交通流的相互影响，建立基于多船舶相互影响的速度与时间影响模型，并进行定量计算，确定海上区域性建筑范围与船舶航路安全间距的有效范围，本发明建立基于航道内船舶相互影响的安全间距计算模型，并得出安全间距的有效距离，合理设置船舶航路与海上建筑的安全距离避免船舶在建筑水域发生碰撞。

Description

可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法
技术领域
本发明属于海上区域性建筑与船舶避碰的技术领域，尤其涉及一种可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法。
背景技术
随着近几年海上风电厂及海上钻井平台等迅速的发展，船舶交通流与海上区域性建筑接近或者重合的水域也越来越密集，海上建筑的建设对船舶安全航行造成的影响也越来越显著，人们逐渐重视船舶航路与海上区域性建筑之间的交通状况，尤其关注在选址与对通航环境影响双重因素决定下的船舶航路与海上建筑的安全间距。在目前研究下，有关船舶航路与海上区域性建筑的研究大多参考海事安全规定、海上石油平台等大型海上障碍物的相关研究，将安全间距值设定为定值，对于安全距离的定量计算研究较少涉及，对于交通流特征的影响考虑得不够全面，因此需要建立一个完整的模型来定量界定安全合理的航路与海上建筑距离，从而有效降低可航水域宽度限制，减少海上建筑对通航环境的影响。
合理设置船舶航路与海上建筑之间的安全距离是避免船舶在风电场水域发生碰撞最有效的措施，具有极其重要的意义。现有的安全距离模型因其执行标准不同、海域因素差异较大，不能完全适用于各个地区的风电场选址及建造规划。论文针对现有研究在船舶与海上区域性建筑安全距离方面存在的不足，通过分析船舶在区域性建筑水域失控漂移历史案例，确定主要影响因子，从而建立基于失控漂移的安全间距计算模型；在探究船舶与风电场可容忍碰撞概率的基础上，建立基于可容忍碰撞概率的安全间距计算模型；同时，在考虑航道内船舶交通流互相影响下，建立基于航道内船舶相互影响的安全间距计算模型，并最终定量得出海上风电场水域船舶安全间距的有效距离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征包括如下步骤：
S1)建立船舶的安全间距计算模型：
S1.1)确定失控漂移船舶的安全间距计算模型的输入和输出；
S1.2)通过对失控漂移船舶与区域建筑碰撞过程的分析，同时考虑船舶类型以及船舶载重吨对碰撞过程的影响，构建基于失控漂移船舶与区域建筑安全间距计算模型；
S2)建立失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的可容忍碰撞概率计算模型：
S2.1)确定可容忍碰撞概率标准；
S2.2)结合失控漂移船舶与海上区域建筑碰撞分析过程，在考虑船舶横向位置、船舶初始速度、船舶类型、船舶航向、风、流、浪影响因子的前提下，构建失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率计算模型：
S3)确定航道内交通流效率影响因子：
S3.1)构建一个交通流效率损失系数的概念参数η，对影响航道交通效率的因子进行敏感性分析，得到各影响因子对交通效率损失的影响比重；
S3.2)建立单向航道通航模型，求取相应的航道船舶交通流损失系数η；
S4)验证安全间距计算模型的可行性：
S4.1)根据已经获取的船舶数据、环境条件和交通流数据，确定参数代入模型计算，得到最终安全间距值Dr；
S4.2)根据建立的碰撞概率计算模型，计算出不同的距离所对应的碰撞发生概率，将该概率与可容忍标准进行比对，确定安全间距的范围，判断计算所得安全间距值Dr是否属于安全间距范围。
按上述方案，步骤S1.1中所述安全间距计算模型的输入包括航路模块输入、船舶模块输入、区域建筑模块输入和环境模块输入，航路模块输入包括航路的长度、宽度及位置，船舶模块输入包括船舶位置、船舶初始速度、船舶航向和船舶载重吨，区域建筑模块输入包括区域建筑位置和区域建筑边界长度，环境模块输入，环境模块输入包括风、浪、流的船舶漂流因素；
所述安全间距计算模型的输出为失控漂移船舶与区域建筑安全间距以及安全间距随各因素的变化规律。
按上述方案，步骤S1.2中所述安全间距计算模型的构建流程如下：
通过对失控漂移船舶进行受力分析，可得到如下受力公式：
Figure BDA0003583725310000031
Figure BDA0003583725310000032
Figure BDA0003583725310000033
式中，M为船舶载重吨，mf为科氏力，Fw为风的拖拽力，Fc为流的拖拽力，Fs为波浪辐射力，ρw、ρc分别为空气和海水的密度，Sw、Sc分别为失控漂移船舶水面以上船体面积和水面以下船体面积，Cw、Cc分别为风和流的拽力系数，vd为船舶风流合速度，vw为风速，vc为流速；
假设目标船舶在海上始终处于一钟动态平衡的状态，即在任意时刻和位置均满足dvd/dt＝0，同时，不考虑波浪的辐射力以及科氏力的作用，得到下列关系式：Fw+Fc＝0，从而可以推导出vd的大小及vd与vw的夹角α公式如下：
Figure BDA0003583725310000041
设区域建筑首尾之间的距离在航道上的投影长度为L1,失控漂移船舶的初速度为vy，则船舶通过区域建筑投影长度L所花费的时间t为：
Figure BDA0003583725310000042
失控船舶的纵向漂移量也即安全间距D为：D＝t×vd。
按上述方案，步骤S2.1中所述可容忍碰撞概率标准的确定包括如下内容：参考ALARP原则来制定可容忍碰撞概率标准，通过设定不可容忍标准线和可忽略标准线将事件发生的概率分为三个区域，分别为不可容忍区、可容忍区和可忽略区，确定可容忍碰撞概率标准的基本结构，将失控漂移船舶与海上区域建筑碰撞概率的可容忍标准划分为不可容忍碰撞概率、可容忍碰撞概率和可忽略碰撞概率三个部分。
按上述方案，步骤S2.2中所述漂移碰撞的概率计算模型的构建包括如下流程：失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率P的计算公式为：
Figure BDA0003583725310000043
式中，Pb为目标船舶在航路上发生失控的概率，x为失控船舶在航道上横向宽度的坐标，B为失控船舶的平均宽度，f(x)指船舶横向分布的概率密度函数，Pcw为失控船舶在风、流的环境因子作用下漂移至区域建筑区域的概率；
Figure BDA0003583725310000044
x＝L1+x2-x1
Figure BDA0003583725310000051
x1＝t1×vy
Figure BDA0003583725310000052
x2＝t2×vy，式中，x为船舶失控会与区域建筑发生碰撞的航路长度，S为船舶所在靠近区域建筑的航路总长度，x1为船舶漂移至区域建筑左上边沿区域纵向位移量，t1为船舶行驶x1距离所花费的时间，x2为船舶漂移至区域建筑右下边沿区域纵向位移量，t2为船舶行驶x2距离所花费的时间，联立上述各式可得：
Figure BDA0003583725310000053
Figure BDA0003583725310000054
Figure BDA0003583725310000055
失控船舶在风、浪和流的环境因子的共同作用下将会产生一定的漂移合速度，通过对比该漂移合速度的方向与海上区域建筑方位的一致性得出Pcw计算公式如下：
Figure BDA0003583725310000056
式中，Nw是划分的风向种类数量，Nc是划分的流向种类数量，Pw、Pc分别是风向为w方向及流向为c方向的概率。
按上述方案，步骤S3.1中所述交通流效率损失系数η的推导过程如下：
船舶通过航道所花费时间为航道长度与船舶保持速度之比为：
Figure BDA0003583725310000057
其中，T1为理想状态下船舶通过航道的时间，S为航道的长度，V为船舶速度；船舶实际通过航道所花费的时间为行驶时间与其他时间之和为：
Figure BDA0003583725310000058
其中，TA为实际状态下船舶通过航道的时间,tw为船舶在其他情况下所花费的损失时间，包括但不限于拥堵、突发事件的情况，Vc为船舶在航道内行驶的平均速度；将实际花费的时间与理想状态花费的时间进行比值，得到了交通效率损失系数η＝TA/T1，用来表示交通效率的损失程度。
按上述方案，步骤S3.2中所述建立单向航道通航模型求解η包括如下内容：首先建立双船模型，假设船a、b进入某单向通航航道，航道长度S，船a先进入航道，船b距离船a距离dab，船a速度Va小于船b速度Vb，假设两船在S1处达到通航安全间距要求，剩下路程为S2，则满足：S＝S1+S2
Figure BDA0003583725310000061
可得：
Figure BDA0003583725310000062
Figure BDA0003583725310000063
Figure BDA0003583725310000064
当存在多艘船舶时，以上述单线航道通航模型为基础，利用公式得到多船航道通航模型，假设三艘船a、b、c依次进入某单线通航航道，航速关系满足Vc>Vb>Va，船a、b及船b、c之间的距离分别为dab、dbc，理想状态下三艘船舶通过航道的时间为：
Figure BDA0003583725310000065
实际情况下三艘船舶通过航道的时间则为：TA＝ta+tb+tc，船a的时间为：
Figure BDA0003583725310000066
对于船b类比两船模型，船b的时间满足：
Figure BDA0003583725310000067
其中，S1ab为船a、b接近安全间距时在航道行驶的距离，S2ab为剩下未行驶的距离，计算可得：
Figure BDA0003583725310000068
对于船c会有两段减速的过程，其中第一段是由于船b速度高于船c而导致减速；第二段是因为船b因船a减速后导致的连锁反应从而引起的二次减速，船b的时间满足：
Figure BDA0003583725310000071
其中，S1bc为船b、c接近安全间距时在航道行驶的距离，S2bc为船c二次减速和一次减速之间行驶的距离，S3bc为剩下未行驶的距离，分析可得：S3bc＝S2ab，则可得：
Figure BDA0003583725310000072
故三船交通效率损失系数为：
Figure BDA0003583725310000073
通过上述分析，根据已得到的公式，进行迭代，得到多艘船舶共同行驶时的交通效率损失系数：
Figure BDA0003583725310000074
按上述方案，步骤S4.2中所述最终安全间距值Dr＝D×η。
本发明的有益效果是：提供一种可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，通过分析船舶在区域性建筑水域失控漂移历史案例，确定主要影响因子，从而建立基于失控漂移的安全间距计算模型；在探究船舶与风电场可容忍碰撞概率的基础上，建立基于可容忍碰撞概率的安全间距计算模型；同时，在考虑航道内船舶交通流互相影响下，建立基于航道内船舶相互影响的安全间距计算模型，并最终定量得出海上风电场水域船舶安全间距的有效距离，合理设置船舶航路与海上建筑之间的安全距离，避免船舶在海上建筑水域发生碰撞。
附图说明
图1为本发明一个实施例的失控船舶的漂移场景图。
图2为本发明一个实施例的流程框图。
图3为本发明一个实施例的输入模型板块示意图。
图4为本发明一个实施例的失控船风流合速度分解图。
图5为本发明一个实施例的概率标准示意图。
图6为本发明一个实施例的失控船碰撞范围示意图。
图7为本发明一个实施例的双船模型示意图。
图8为本发明一个实施例的三船模型示意图。
图9为本发明一个实施例的风电场E区当地海域风玫瑰图。
图10为本发明一个实施例的风电场E区航路与风电场碰撞概率示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
基于失控漂移船舶进行碰撞过程分析。失控漂移是指船舶在区域建筑水域附近航道航行时，由于舵机失灵或者其它原因导致船舶失控，只能保速保向航行，在风、浪、流等环境因子的作用下航向指向区域建筑，由于船舶无法避碰，从而逐渐接近建筑区域发生碰撞。当船舶于A点失控，经B点漂流到区域建筑区域，在风力Fw和流力Fc的作用下得到风流合速度vd。失控船舶能否与区域建筑无碰撞地漂过航道由船舶到达区域建筑前的横向漂移量、船舶纵向位移量是等共同决定。漂移场景如图1所示。
如图2所示，本发明提供一种可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，针对现有研究在船舶与海上区域性建筑安全距离方面存在的不足，通过分析船舶在区域性建筑水域失控漂移历史案例，确定主要影响因子，从而建立基于失控漂移的安全间距计算模型；在探究船舶与风电场可容忍碰撞概率的基础上，建立基于可容忍碰撞概率的安全间距计算模型；同时，在考虑航道内船舶交通流互相影响下，建立基于航道内船舶相互影响的安全间距计算模型，并最终定量得出海上风电场水域船舶安全间距的有效距离。
具体包括如下步骤：
1、建立船舶的安全间距计算模型：
确定失控漂移船舶的安全间距计算模型的输入和输出是构建模型的一个关键步骤。模型的输入指的是对失控漂移船舶与区域建筑安全间距存在影响的因素，主要包括航路模块输入、船舶模块输入、区域建筑模块输入和环境模块输入，航路模块输入包括航路的长度、宽度及位置，船舶模块输入包括船舶位置、船舶初始速度、船舶航向和船舶载重吨，区域建筑模块输入包括区域建筑位置和区域建筑边界长度，环境模块输入，环境模块输入包括风、浪、流的船舶漂流因素，模型的输出指的是失控漂移船舶与区域建筑安全间距以及安全间距随各因素的变化规律。输入模型板块如图3所示。
2、构建基于失控漂移船舶与区域建筑安全间距计算模型：
确定风流合速度vd的大小和方向首先需要掌握失控船的受力情况，失控船主要受风、流、波的作用，通过对失控漂移船舶进行受力分析，可得到如下受力公式：
Figure BDA0003583725310000091
Figure BDA0003583725310000092
Figure BDA0003583725310000093
式中，M为船舶载重吨，mf为科氏力，Fw为风的拖拽力，Fc为流的拖拽力，Fs为波浪辐射力，ρw、ρc分别为空气和海水的密度，Sw、Sc分别为失控漂移船舶水面以上船体面积和水面以下船体面积，Cw、Cc分别为风和流的拽力系数，vd为船舶风流合速度，vw为风速，vc为流速；
假设目标船舶在海上始终处于一钟动态平衡的状态，即在任意时刻和位置均满足dvd/dt＝0，同时，不考虑波浪的辐射力以及科氏力的作用，得到下列关系式：Fw+Fc＝0，从而可以推导出vd的大小及vd与vw的夹角α公式如下：
Figure BDA0003583725310000101
设区域建筑首尾之间的距离在航道上的投影长度为L1,失控漂移船舶的初速度为vy，则船舶通过区域建筑投影长度L所花费的时间t为：
Figure BDA0003583725310000102
失控船舶的纵向漂移量也即安全间距D为：D＝t×vd。
3、确定可容忍碰撞概率标准：
目前欧洲多数国家根据不同的风险特征制定出了不同的可接受风险标准，其中ALARP(As LowAs Reasonably Practicable)原则在海上交通领域最为熟知，应用最为广泛。因此参考ALARP原则来制定可容忍碰撞概率标准，通过设定不可容忍标准线和可忽略标准线将事件发生的概率分为三个区域，分别为不可容忍区、可容忍区和可忽略区。参考可接受风险标准制定的方法与原则来设置可容忍碰撞概率标准，然后基于失控漂移的安全间距计算模型的基础上建立基于可容忍碰撞概率的安全间距计算模型。理论上来说，海上区域建筑与航路的距离越大，碰撞的概率越小，但是受到当前技术限制以及海上环境的影响，区域建筑的建设与运营也需要考虑海域资源的合理利用和开发。尤其是区域建筑附近航路交通流密度较小的区域，船舶与区域建筑碰撞的概率很低，设置过大的安全间距会对水域资源造成浪费，对区域建筑的可持续发展不利。通过分析，结合不可容忍概率标准和可忽略碰撞概率标准，设定可忽略距离di和不可容忍距离de两个距离概念，分别对应可忽略碰撞概率pi和不可容忍碰撞概率pe(见图5)。
将对应的参数输入到安全间距计算模型后，若得出船舶与区域建筑碰撞概率P<pi，说明区域建筑与航路的距离属于广泛可忽略的安全距离，船舶与区域建筑碰撞风险很低可以不考虑；若碰撞概率满足pi<P<pe，说明区域建筑与航路的距离属于可容忍的安全距离，即在最低合理可行的原则上，该距离是可以接受的，但该距离的合理性仍需进一步研究，船舶以该距离航行于区域建筑附近时应谨慎驾驶；若得出P>pe，说明区域建筑与航路的距离过小，导致碰撞风险超出可接受范围，需要对区域建筑与航路的距离进行适当调整。
基于ALARP原则来制定可容忍碰撞概率标准，首要条件是设定不可容忍标准线和可忽略标准线。参考国家海事局对于船舶事故碰撞发生概率的要求以及现实中出现船舶碰撞事故的概率，结合风险的主观意愿和风险实况，根据求取的概率设置为不可容忍碰撞概率标准临界值和可忽略碰撞概率标准临界值，如下表所示：
表一
碰撞概率可接受程度 船舶碰撞概率标准/年
不可容忍 >1×10-5
可容忍 2×10-6～1×10-5
可忽略 <2×10-6
4、构建失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率计算模型：
结合失控漂移船舶与海上区域建筑碰撞分析过程，在考虑船舶横向位置、船舶初始速度、船舶类型、船舶航向、风、流、浪等影响因子，构建失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率计算模型，如下所示：
Figure BDA0003583725310000111
式中，Pb为目标船舶在航路上发生失控的概率，x为失控船舶在航道上横向宽度的坐标，B为失控船舶的平均宽度，f(x)指船舶横向分布的概率密度函数，Pcw为失控船舶在风、流的环境因子作用下漂移至区域建筑区域的概率；
碰撞范围如图6所示，根据分析可得：
Figure BDA0003583725310000112
x＝L1+x2-x1
Figure BDA0003583725310000113
x1＝t1×vy
Figure BDA0003583725310000114
x2＝t2×vy，式中，x为船舶失控会与区域建筑发生碰撞的航路长度，S为船舶所在靠近区域建筑的航路总长度，x1为船舶漂移至区域建筑左上边沿区域纵向位移量，t1为船舶行驶x1距离所花费的时间，x2为船舶漂移至区域建筑右下边沿区域纵向位移量，t2为船舶行驶x2距离所花费的时间，联立上述各式可得：
Figure BDA0003583725310000121
Figure BDA0003583725310000122
Figure BDA0003583725310000123
失控船舶在风、浪和流的环境因子的共同作用下将会产生一定的漂移合速度，通过对比该漂移合速度的方向与海上区域建筑方位的一致性得出Pcw计算公式如下：
Figure BDA0003583725310000124
式中，Nw是划分的风向种类数量，Nc是划分的流向种类数量，Pw、Pc分别是风向为w方向及流向为c方向的概率。
5、确定航道内交通流效率影响因子：
为了更好的研究航道内交通流特征，将航道作理想化处理，通航船舶均满足通航净宽以及水深，航道顺直，单向航道仅允许同向行驶，引入船舶领域概念。
在这个过程前，先构建一个概念参数：交通效率损失系数η，以实际情况下船舶行驶在航道内的总时间与船舶在无干扰情况下通过航道的理想时间比值来确定。理想情况下船舶进入航道即保持航速驶过航道，通航环境以及他船对本船没有限制和影响。船舶通过航道所花费时间为航道长度与船舶保持速度之比，即为：
Figure BDA0003583725310000125
其中，T1为理想状态下船舶通过航道的时间，S为航道的长度，V为船舶速度；船舶实际通过航道所花费的时间为行驶时间与其他时间之和为：
Figure BDA0003583725310000126
其中，TA为实际状态下船舶通过航道的时间,tw为船舶在其他情况下所花费的损失时间，包括但不限于拥堵、突发事件的情况，Vc为船舶在航道内行驶的平均速度；将实际花费的时间与理想状态花费的时间进行比值，得到了交通效率损失系数η＝TA/T1，用来表示交通效率的损失程度。
当η值为“1”时，意味着此时为理想状态，船舶实际状态花费的时间与理
想状态下花费的时间相同，即不存在损失时间。大多数情况下，η值大于“1”，表明此时存在损失时间，实际状态下船舶通航所花费的时间大于理想状态。随着η值增大，船舶行驶过程中的损失时间逐渐增大，因他船的影响降速过程增多，交通效率也越来越低。
6、建立单向航道通航模型，求取相应的航道船舶交通流损失系数η：
(1)双船模型(见图7)
假设船a、b进入某单向通航航道，航道长度S，船a先进入航道，船b距离船a距离dab，船a速度Va小于船b速度Vb，假设两船在S1处达到通航安全间距要求，剩下路程为S2，则满足：S＝S1+S2
Figure BDA0003583725310000131
可得：
Figure BDA0003583725310000132
Figure BDA0003583725310000133
Figure BDA0003583725310000134
(2)双船模型(见图8)
当存在多艘船舶时，以上述单线航道通航模型为基础，利用公式得到多船航道通航模型，假设三艘船a、b、c依次进入某单线通航航道，航速关系满足Vc>Vb>Va，船a、b及船b、c之间的距离分别为dab、dbc，理想状态下三艘船舶通过航道的时间为：
Figure BDA0003583725310000135
实际情况下三艘船舶通过航道的时间则为：TA＝ta+tb+tc，船a的时间为：
Figure BDA0003583725310000141
对于船b类比两船模型，船b的时间满足：
Figure BDA0003583725310000142
其中，S1ab为船a、b接近安全间距时在航道行驶的距离，S2ab为剩下未行驶的距离，计算可得：
Figure BDA0003583725310000143
对于船c会有两段减速的过程，其中第一段是由于船b速度高于船c而导致减速；第二段是因为船b因船a减速后导致的连锁反应从而引起的二次减速，船b的时间满足：
Figure BDA0003583725310000144
其中，S1bc为船b、c接近安全间距时在航道行驶的距离，S2bc为船c二次减速和一次减速之间行驶的距离，S3bc为剩下未行驶的距离，分析可得：S3bc＝S2ab，则可得：
Figure BDA0003583725310000145
故三船交通效率损失系数为：
Figure BDA0003583725310000146
通过上述分析，根据已得到的公式，进行迭代，得到多艘船舶共同行驶时的交通效率损失系数：
Figure BDA0003583725310000147
由公式不难发现，多艘船舶行驶时，交通损失受最前船船速的影响最大，如果后面的船均比前方的船速低，那么交通效率损失系数则为1，即为理想状态下的通航时间；若后面的船速均比前方的船速大，那么连锁反应将导致多个减速过程，从而导致η值增大。
7、验证安全间距计算模型的可行性：
根据已经获取的船舶数据、环境条件和交通流数据，确定参数代入模型计算，得到最终安全间距值Dr；根据建立的碰撞概率计算模型，计算出不同的距离所对应的碰撞发生概率，将该概率与可容忍标准进行比对，确定安全间距的范围，判断计算所得安全间距值Dr是否属于安全间距范围。
实施例一
海上风电场E区为例，对其所在水域环境进行分析和描述，对其中所需要的参数进行设置，以便进行接下来的船舶航路与风电场安全间距实例研究与计算。
海上风电场E区呈西北～东北走向，东西长6000m，南北长约为7000m，占据的水域面积较大，附近存在多条船舶航路，对于船舶航行安全存在一定的影响。取距风电场最近的航路，根据对航路上交通流分析可得船舶速度约为4～14kn每小时，船舶间航速服从均值8.80，标准差为3.20的正态分布。通航船舶以货船为主，平均船长180m。当地海域风玫瑰图如图9所示：
根据已经获取的船舶数据、环境条件和交通流数据，确定下列具体的参数数据代入模型中进行计算。为了便于计算，只求取风和流均与船舶正横且指向风电场方向。模型参数取值如下表：
表二
Figure BDA0003583725310000151
在航道内部交通流的影响下，取六艘船舶在航道中行驶，利用多船模型，将航道内船舶间距和船舶航速用均值和标准差来表示，且数值与计算碰撞概率模型中参数相同。经计算后求得交通效率损失率η约为1.15。
将模型参数取值分别带入计算模型中，可以得到安全间距D，而D满足条件：Dr＝D×η，Dr为最终安全间距。
为了确定航路与海上风电场的安全距离，根据建立的碰撞概率计算模型，计算出不同的距离所对应的碰撞发生概率，将该概率与可容忍标准进行比对，从而判断船舶航路与海上风电场的距离是否在安全距离范围内，最终进一步确定安全间距的范围。
将不同的数据代入碰撞概率计算模型中，得到风电场E区附近航路与风电场碰撞概率如图10所示。
将得到的失控漂移船舶与风电场间距与可容忍碰撞概率标准进行比对，得到不可容忍概率标准临界值和可忽略概率标准临界值划分范围如下表所示：
表三
Figure BDA0003583725310000161
海上风电场29台单机风机植桩已全部安装完成，海上风电场E区与附近的船舶航路距离大约为2500米，大于不可容忍的距离，小于可忽略的距离，说明求取的船舶航路与海上风电场安全间距属于可接受的范围，也说明论文所使用的安全间距求取模型存在一定的可行性。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征包括如下步骤：
S1)建立船舶的安全间距计算模型：
S1.1)确定失控漂移船舶的安全间距计算模型的输入和输出；
S1.2)通过对失控漂移船舶与区域建筑碰撞过程的分析，同时考虑船舶类型以及船舶载重吨对碰撞过程的影响，构建基于失控漂移船舶与区域建筑安全间距计算模型；
S2)建立失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的可容忍碰撞概率计算模型：
S2.1)确定可容忍碰撞概率标准；
S2.2)结合失控漂移船舶与海上区域建筑碰撞分析过程，在考虑船舶横向位置、船舶初始速度、船舶类型、船舶航向、风、流、浪影响因子的前提下，构建失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率计算模型：
S3)确定航道内交通流效率影响因子：
S3.1)构建一个交通流效率损失系数的概念参数η，对影响航道交通效率的因子进行敏感性分析，得到各影响因子对交通效率损失的影响比重；
S3.2)建立单向航道通航模型，求取相应的航道船舶交通流损失系数η；
S4)验证安全间距计算模型的可行性：
S4.1)根据已经获取的船舶数据、环境条件和交通流数据，确定参数代入模型计算，得到最终安全间距值Dr；
S4.2)根据建立的碰撞概率计算模型，计算出不同的距离所对应的碰撞发生概率，将该概率与可容忍标准进行比对，确定安全间距的范围，判断计算所得安全间距值Dr是否属于安全间距范围。
2.根据权利要求1所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S1.1中所述安全间距计算模型的输入包括航路模块输入、船舶模块输入、区域建筑模块输入和环境模块输入，航路模块输入包括航路的长度、宽度及位置，船舶模块输入包括船舶位置、船舶初始速度、船舶航向和船舶载重吨，区域建筑模块输入包括区域建筑位置和区域建筑边界长度，环境模块输入，环境模块输入包括风、浪、流的船舶漂流因素；
所述安全间距计算模型的输出为失控漂移船舶与区域建筑安全间距以及安全间距随各因素的变化规律。
3.根据权利要求2所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S1.2中所述安全间距计算模型的构建流程如下：
通过对失控漂移船舶进行受力分析，可得到如下受力公式：
Figure FDA0003583725300000021
Figure FDA0003583725300000022
Figure FDA0003583725300000023
式中，M为船舶载重吨，mf为科氏力，Fw为风的拖拽力，Fc为流的拖拽力，Fs为波浪辐射力，ρw、ρc分别为空气和海水的密度，Sw、Sc分别为失控漂移船舶水面以上船体面积和水面以下船体面积，Cw、Cc分别为风和流的拽力系数，vd为船舶风流合速度，vw为风速，vc为流速；
假设目标船舶在海上始终处于一钟动态平衡的状态，即在任意时刻和位置均满足dvd/dt＝0，同时，不考虑波浪的辐射力以及科氏力的作用，得到下列关系式：Fw+Fc＝0，从而可以推导出vd的大小及vd与vw的夹角α公式如下：
Figure FDA0003583725300000031
设区域建筑首尾之间的距离在航道上的投影长度为L1,失控漂移船舶的初速度为vy，则船舶通过区域建筑投影长度L所花费的时间t为：
Figure FDA0003583725300000032
失控船舶的纵向漂移量也即安全间距D为：D＝t×vd。
4.根据权利要求3所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S2.1中所述可容忍碰撞概率标准的确定包括如下内容：参考ALARP原则来制定可容忍碰撞概率标准，通过设定不可容忍标准线和可忽略标准线将事件发生的概率分为三个区域，分别为不可容忍区、可容忍区和可忽略区，确定可容忍碰撞概率标准的基本结构，将失控漂移船舶与海上区域建筑碰撞概率的可容忍标准划分为不可容忍碰撞概率、可容忍碰撞概率和可忽略碰撞概率三个部分。
5.根据权利要求4所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S2.2中所述漂移碰撞的概率计算模型的构建包括如下流程：失控船舶与海上区域建筑发生漂移碰撞的概率P的计算公式为：
Figure FDA0003583725300000041
式中，Pb为目标船舶在航路上发生失控的概率，x为失控船舶在航道上横向宽度的坐标，B为失控船舶的平均宽度，f(x)指船舶横向分布的概率密度函数，Pcw为失控船舶在风、流的环境因子作用下漂移至区域建筑区域的概率；
Figure FDA0003583725300000042
x＝L1+x2-x1
Figure FDA0003583725300000043
x1＝t1×vy
Figure FDA0003583725300000044
x2＝t2×vy，式中，x为船舶失控会与区域建筑发生碰撞的航路长度，S为船舶所在靠近区域建筑的航路总长度，x1为船舶漂移至区域建筑左上边沿区域纵向位移量，t1为船舶行驶x1距离所花费的时间，x2为船舶漂移至区域建筑右下边沿区域纵向位移量，t2为船舶行驶x2距离所花费的时间，联立上述各式可得：
Figure FDA0003583725300000045
Figure FDA0003583725300000046
Figure FDA0003583725300000047
失控船舶在风、浪和流的环境因子的共同作用下将会产生一定的漂移合速度，通过对比该漂移合速度的方向与海上区域建筑方位的一致性得出Pcw计算公式如下：
Figure FDA0003583725300000051
式中，Nw是划分的风向种类数量，Nc是划分的流向种类数量，Pw、Pc分别是风向为w方向及流向为c方向的概率。
6.根据权利要求5所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S3.1中所述交通流效率损失系数η的推导过程如下：
船舶通过航道所花费时间为航道长度与船舶保持速度之比为：
Figure FDA0003583725300000052
其中，T1为理想状态下船舶通过航道的时间，S为航道的长度，V为船舶速度；船舶实际通过航道所花费的时间为行驶时间与其他时间之和为：
Figure FDA0003583725300000053
其中，TA为实际状态下船舶通过航道的时间,tw为船舶在其他情况下所花费的损失时间，包括但不限于拥堵、突发事件的情况，Vc为船舶在航道内行驶的平均速度；将实际花费的时间与理想状态花费的时间进行比值，得到了交通效率损失系数η＝TA/T1，用来表示交通效率的损失程度。
7.根据权利要求6所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S3.2中所述建立单向航道通航模型求解η包括如下内容：首先建立双船模型，假设船a、b进入某单向通航航道，航道长度S，船a先进入航道，船b距离船a距离dab，船a速度Va小于船b速度Vb，假设两船在S1处达到通航安全间距要求，剩下路程为S2，则满足：S＝S1+S2
Figure FDA0003583725300000054
可得：
Figure FDA0003583725300000055
Figure FDA0003583725300000061
Figure FDA0003583725300000062
当存在多艘船舶时，以上述单线航道通航模型为基础，利用公式得到多船航道通航模型，假设三艘船a、b、c依次进入某单线通航航道，航速关系满足Vc>Vb>Va，船a、b及船b、c之间的距离分别为dab、dbc，理想状态下三艘船舶通过航道的时间为：
Figure FDA0003583725300000063
实际情况下三艘船舶通过航道的时间则为：TA＝ta+tb+tc，船a的时间为：
Figure FDA0003583725300000064
对于船b类比两船模型，船b的时间满足：
Figure FDA0003583725300000065
其中，S1ab为船a、b接近安全间距时在航道行驶的距离，S2ab为剩下未行驶的距离，计算可得：
Figure FDA0003583725300000066
对于船c会有两段减速的过程，其中第一段是由于船b速度高于船c而导致减速；第二段是因为船b因船a减速后导致的连锁反应从而引起的二次减速，船b的时间满足：
Figure FDA0003583725300000067
其中，S1bc为船b、c接近安全间距时在航道行驶的距离，S2bc为船c二次减速和一次减速之间行驶的距离，S3bc为剩下未行驶的距离，分析可得：S3bc＝S2ab，则可得：
Figure FDA0003583725300000068
故三船交通效率损失系数为：
Figure FDA0003583725300000071
通过上述分析，根据已得到的公式，进行迭代，得到多艘船舶共同行驶时的交通效率损失系数：
Figure FDA0003583725300000072
8.根据权利要求7所述的可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法，其特征在于，步骤S4.2中所述最终安全间距值Dr＝D×η。
CN202210361023.XA 2022-04-07 2022-04-07 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法 Active CN114882736B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210361023.XA CN114882736B (zh) 2022-04-07 2022-04-07 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210361023.XA CN114882736B (zh) 2022-04-07 2022-04-07 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114882736A true CN114882736A (zh) 2022-08-09
CN114882736B CN114882736B (zh) 2023-11-24

Family

ID=82668649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210361023.XA Active CN114882736B (zh) 2022-04-07 2022-04-07 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114882736B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116913134A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 交通运输部水运科学研究所 监控海上风电场与船舶之间距离的方法、电子设备

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1357197A (fr) * 1963-03-27 1964-04-03 Weserwerft Schiffs Und Maschb Convoi de deux ou plus de deux bateaux liés par poussée à attelage orientable
KR20000009706A (ko) * 1998-07-28 2000-02-15 황해웅 인공지능형 해난 경보 시스템
DE10141805A1 (de) * 2000-09-23 2002-05-02 Martin Krais Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen mit Geschwindigkeits- und Wegstreckenbestimmung
CN106652565A (zh) * 2015-10-29 2017-05-10 华北电力大学 使用水流动力模型计算船舶适航区域的方法
CN107170295A (zh) * 2017-06-16 2017-09-15 武汉理工大学 一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法
CN107886775A (zh) * 2017-11-25 2018-04-06 交通运输部东海航海保障中心福州航标处 一种桥区船舶主动防撞预警方法及系统
NO20181045A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-04 Kongsberg Maritime CM AS Improving voyage efficiency of a vessel
CN111400864A (zh) * 2020-02-12 2020-07-10 武汉理工大学 一种基于前景理论的船舶避碰决策优化方法
CN113536544A (zh) * 2021-06-21 2021-10-22 武汉理工大学 一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1357197A (fr) * 1963-03-27 1964-04-03 Weserwerft Schiffs Und Maschb Convoi de deux ou plus de deux bateaux liés par poussée à attelage orientable
KR20000009706A (ko) * 1998-07-28 2000-02-15 황해웅 인공지능형 해난 경보 시스템
DE10141805A1 (de) * 2000-09-23 2002-05-02 Martin Krais Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen mit Geschwindigkeits- und Wegstreckenbestimmung
CN106652565A (zh) * 2015-10-29 2017-05-10 华北电力大学 使用水流动力模型计算船舶适航区域的方法
CN107170295A (zh) * 2017-06-16 2017-09-15 武汉理工大学 一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法
CN107886775A (zh) * 2017-11-25 2018-04-06 交通运输部东海航海保障中心福州航标处 一种桥区船舶主动防撞预警方法及系统
NO20181045A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-04 Kongsberg Maritime CM AS Improving voyage efficiency of a vessel
CN111400864A (zh) * 2020-02-12 2020-07-10 武汉理工大学 一种基于前景理论的船舶避碰决策优化方法
CN113536544A (zh) * 2021-06-21 2021-10-22 武汉理工大学 一种基于最小安全距离模型的船舶概率冲突检测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李佩云;郝伟;: "航道桥梁船撞风险概率模型的研究", 城市道桥与防洪, no. 03 *
李子强;: "基于互信息的船舶碰撞风险因素分析", 浙江国际海运职业技术学院学报, no. 03 *
杨星;王晶尧;刘克中;杨旭刚;: "基于船舶减速的单线航道通航效率评价", 中国航海, no. 01 *
聂园园: "海上风电场与航路安全距离", 《海上风电场与航路安全距离》, vol. 42, no. 04, pages 12 - 17 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116913134A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 交通运输部水运科学研究所 监控海上风电场与船舶之间距离的方法、电子设备
CN116913134B (zh) * 2023-09-13 2023-11-14 交通运输部水运科学研究所 监控海上风电场与船舶之间距离的方法、电子设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN114882736B (zh) 2023-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thiers et al. A port simulation model as a permanent decision instrument
CN103577655B (zh) 基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法
CN111091721A (zh) 一种面向智慧车列交通系统的匝道合流控制方法及系统
CN105653826A (zh) 一种改进的海上搜救区域预测方法及系统
Zhang et al. Multi-object-based vessel traffic scheduling optimisation in a compound waterway of a large harbour
CN113343368A (zh) 一种基于arena的lng船舶进港对航道通过能力影响的计算方法
CN114882736A (zh) 可容忍风险船舶航路与海上区域建筑安全间距计算方法
CN114627680A (zh) 一种超大型船舶通航安全预测方法及系统
Muñuzuri et al. Planning navigation in inland waterways with tidal depth restrictions
CN101814235B (zh) 预约集港模式下的港区交通疏导配流方法
Jiang et al. Vessel scheduling model with resource restriction considerations for restricted channel in ports
Weng et al. Methodology for estimating waterway traffic capacity at Shanghai estuary of the Yangtze river
Lin et al. An overview of scholarly literature on navigation hazards in Arctic shipping routes
CN110175406A (zh) 基于船联网条件下的多船跟随行为模拟方法
Xia et al. Research on safety and efficiency warranted vessel scheduling in unidirectional multi-junction waterways of port waters
Hassel et al. Analysis of the main challenges with the current risk model for collisions between ships and offshore installations on the Norwegian Continental Shelf
Ni et al. Research on Port truck trajectory completion based on Long Short-Term Memory model and Speed distribution characteristics
YiLou et al. Study on the optimal dispatching algorithm of ships in and out of tidal two-way channel
Nie et al. A Novel Through Capacity Model for One-way Channel Based on Characteristics of the Vessel Traffic Flow
Gao et al. Modeling of Safe Distance Between Ship Routes and Offshore Wind Farm Based on Tolerable Collision Probability
CN113053170A (zh) 一种实现智能航行系统的方法
Dong et al. A kind of adaptive dynamic transit signal priority control method
Ten et al. Automatic identification system in accelerating decarbonization of maritime transportation: The state-of-the-art and opportunities
Li et al. Vessel-UAV collaborative routing problem for offshore oil and gas fields inspection
Mao et al. Review of ship navigation safety in ice-covered waters

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant