CN115438416B - 宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。其中，方法包括：将一年划分为多个时段；对各时段内通过所述桥梁的各类型船舶，分别执行如下操作：根据任一时段内通过所述桥梁的任一类型单船的动力学方程，求解所述单船进入撞桥风险区后在风力作用和水流作用下的偏移量；根据所述偏移量，计算所述单船从任一横向位置进入所述风险区后发生撞桥的航偏角范围；根据所述航偏角范围，计算所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率；累加所述类型的单船在各时段内的撞桥频率，得到所述类型船舶的撞桥年频率；累加各类型船舶的撞桥年频率与通航量的乘积，得到桥梁的年船撞概率。本实施例提高了预测准确度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及桥梁安全领域，尤其涉及一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
背景技术
近年来，随着日益增多的跨海大桥建设和海洋交通运输的蓬勃发展，导致在桥区宽阔水域范围内船桥交会次数的快速增加。桥梁的安全面临着船桥碰撞事故的严重威胁。桥梁的年船撞概率，是指桥梁在一年的时间内可能遭受船舶撞击的平均次数，是预测桥梁碰撞风险的重要指标。
现有的船撞桥概率计算方法，是基于船舶位置和移动状态的统计分析进行的，将各个能影响船撞桥事故发生的因素抽象成一经验参数直接输入概率计算公式中，大多适用于内河航道，在包括跨海大桥在内的宽阔水域，会与实际情况存在较大偏差。
发明内容
本发明实施例提供一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，考虑特定桥区水域风力和水流环境下船舶的偏移，提高风险概率的计算精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，包括：
将一年划分为多个时段，其中，特定桥梁所处宽阔水域中的风速和水速在同一时段内保持不变；
对各时段内通过所述桥梁的各类型船舶，分别执行如下操作：
S1、根据任一时段内通过所述桥梁的任一类型单船的动力学方程，求解所述单船进入撞桥风险区后在风力作用和水流作用下的偏移量；具体的，根据所述单船在静水中的阻力，计算所述单船进入撞桥风险区后受到的推进力；沿顺桥方向和横桥方向分解所述推进力，以及所述单船进入撞桥风险区后受到的水阻力和风阻力；根据分解后的各力，求解所述单船在所述风险区内沿顺桥方向和横桥方向的偏移量，分别作为在风力作用和水流作用下的偏移量；
S2、根据所述偏移量，计算所述单船从任一横向位置进入所述风险区后发生撞桥的航偏角范围，其中，横向位置表示沿顺桥方向的位置；
S3、根据所述航偏角范围，以及航迹横向位置和航偏角的概率分布，计算所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率；
S4、累加所述类型的单船在各时段内的撞桥频率，得到所述类型船舶的撞桥年频率；
累加各类型船舶的撞桥年频率与通航量的乘积，得到桥梁的年船撞概率。
第二方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
本发明实施例基于船舶的动力学方程，获得了船舶在风力和水流作用下的航行轨迹，实现了对宽阔航道内风力、水流影响的量化表示，并将该影响应用在船撞频率的计算中，提高了风险预警的灵敏度，使计算结果更符合实际情况。同时，在整个预测算法中，并没有将风力、水流的影响简化为一经验系数，而是将预测时间细分为粒度更小的时间段，更加精细的反映了一年中不同日期或不同小时内的环境变化；并充分考虑了船撞桥场景中的船舶初始位置和初始航偏角的不确定性，使计算船撞桥的频率计算具有更强的适应性。最后，汇总不同位置、不同航偏角、不同时段、不同船舶类型、不同通航量的撞桥频率，这一方式更加真实的反映船撞桥的行船场景，能更有效的利用大量的监测数据，得到更加符合待研究桥梁的真实船撞概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种撞桥风险区的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种单船在风、流作用下的轨迹示意图；
图4是本发明实施例提供的不同单船在同一水域环境下的实际航迹；
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例提供的一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法的流程图。该方法适用于对宽阔水域中的桥梁进行船撞风险预测的情况，尤其适用于包括跨海大桥在内的宽阔水域中具有通航孔和长非通航孔的大型桥梁。该方法由电子设备执行，如图1所示，具体包括如下步骤：
S110、将一年划分为多个时段，其中，特定桥梁所处宽阔水域中的风速和水速在同一时段内保持不变。
本实施例中船撞风险的预测对象为特定桥梁，预测结果为桥梁的年船撞概率。为了提高预测精度，本步骤首先将一年划分为多个时段，作为后续预测的最小时间单位。划分的标准为桥梁所处宽阔水域中的风速和水速在同一时段内保持不变，而不同时段间的风速和水速是不同的。
可选的，各时段的风速和水速通过历史观测数据获取。根据观测资料的精度和频率选取合适的时段进行划分，例如1天、1小时。时段划分越细，对航道内的风流环境反映越精确，预测精度越高。
S120、对各时段内通过所述桥梁的各类型船舶，分别执行如下操作：
S1、根据任一时段内通过所述桥梁的任一类型单船的动力学方程，求解所述单船进入撞桥风险区后在风力作用和水流作用下的偏移量。
船舶类型包括客船、货船、油轮、拖轮、渔船和其余船舶等。不同类型船舶的参数不同，包括质量、船舶体长、船舶宽度、空载和满载吃水深度，以及各自的年通航量。
风险区指存在撞桥风险的区域，通常为从桥墩前方一定距离开始到桥轴线之间的区域，如图2所示，从线A1到桥轴线之间的区域即为风险区，风险区沿横桥方向的长度称为风险计算长度。
偏移量指单船位置的偏移量，即单船在风力作用和水流作用下的位移。现有的船撞桥概率计算方法，大多假设船舶在驶入桥区水域以后，在不改变操纵的情况下，沿船艏方向直线航行，而没有考虑风、流等环境因素对船舶航迹的影响。事实上，风力和水流对船舶航迹的影响是不能忽略的，在船舶通过风险区的大约10-20分钟内，在不利的环境影响下，船舶可能会产生几十米甚至几百米的偏移。这对于船撞桥这个尺度的研究中是不能忽略的。因此，本实施对风、流作用对航船轨迹的影响进行了准确的量化计算。
图3为一种单船在风、流作用下的轨迹示意图。图中以顺桥方向为X方向，以横桥方向为Y方向，并以单船进入风险区的初始位置为原点建立了X-Y坐标系。通常情况下，为了顺利通过桥梁，单船沿会与沿Y方向基本一致的方向进入风险区，在无风、流影响时沿Y轴直线行驶穿过桥梁。但在宽阔水域，风力和水流作用使单船发生偏移，实际航行轨迹如图中的虚线所示，u(x, y, t)表示每一时刻的位置坐标。其中，x表示沿顺桥方向的位置，y表示沿横桥方向的位置，t表示时刻。
参照图2，任一类型的单船在风、流作用下航行的动力学方程为：
其中，m表示单船质量，F s 表示单船推进力，F f 表示水阻力，F w 表示风阻力。
水阻力F f ，即单船在水中的阻力，其计算公式为：
其中，ρ表示水的密度，c f 表示摩擦系数，v s 表示单船和水流的相对速度，S表示单船在水下的面积。c f 的计算公式如下：
其中，Re表示雷诺数，只和船舶质量有关。
推进力，即单船自身的发动机提供的驱动力，最常用的计算方法为：根据发动机的
工作原理，通过各种发动机参数计算出该推进力。但实际应用中，在预测桥梁的年船撞概率
时，提前获取每类单船的发动机参数是不现实的，且通过发动机参数计算得到的推进力也
并非完全准确。因此，为了兼顾可实现性和准确性，本实施例仍从单船的动力学角度出发，
通过单船进入风险区域后的特定运动状态，计算发动机提供的推进力。具体来说，单船进入
风险区域后，如果没有风力、水流的影响，会以一定船速平稳穿过桥梁，而不会进行加速、减
速等特别控制，整个过程基本满足匀速运动状态。在该运动状态下，推进力F s 等于单船在静
水中的阻力。因此在公式（2）中取
，就得到F s 的计算公式：
其中，
表示单船的航行速度。
风阻力F w ，即单船在风中受到的力，其计算公式如下：
其中，A w 表示单船受风面积，v w 表示平均风速，
表示风压系数，可选的，
取0.72。A w
的计算公式如下：
其中，DW表示船舶质量。此处船的质量单位为kg，其余公式中采用国际制单位。
基于公式（1）-（6）所示的动力学方程，求解所述单船进入撞桥风险区后在风力作用和水流作用下的偏移量，具体包括如下步骤：
步骤一、沿顺桥方向和横桥方向分解所述单船进入撞桥风险区后受到的推进力、水阻力和风阻力，用于对单船进行沿上述两个方向的受力分析。具体的，结合图3，将公式（4）中的推进力F s 分别沿X、Y方向进行分解，得到沿X、Y方向的推进力：
其中，F sx 表示沿顺桥方向的推进力，x表示单船沿顺桥方向的位置；F sy 表示沿横桥方向的推进力，y表示沿单船沿横桥方向的位置。
同理，将公式（2）中的水阻力F s 分别沿X、Y方向进行分解，得到沿X、Y方向的水阻力：
其中，F fx 表示沿顺桥方向的水阻力，F fy 表示沿横桥方向的水阻力，v c 表示水流速度。
将公式（5）中的风阻力F w 分别沿X、Y方向进行分解，得到沿X、Y方向的风阻力：
其中，F wx 表示沿顺桥方向的风阻力，F wy 表示沿横桥方向的风阻力。
步骤二、根据分解后的各力，求解所述单船在所述风险区内沿顺桥方向和横桥方向的偏移量，分别作为在风力作用和水流作用下的偏移量。在工程实际中，风力作用主要导致船舶沿X方向偏移，水流作用主要导致船舶沿Y方向偏移，因此本实施例计算单船沿X、Y方向的偏移，作为风力作用和水流作用的量化表示。具体的，将公式（1）（7）（9）（11）联立，得出单船沿X方向的动力学方程：
将公式（1）（8）（10）（12）联立，得出船舶沿Y方向的动力学方程：
求解公式（13）和（14）的二阶偏微分方程，得到单船沿横桥方向进入所述风险区后的每一时刻的位置u(x,y,t)。图4显示了35000吨、10000吨和1000吨单船在同一水域环境下通过舟岱大桥时的实际航迹。其中，舟岱大桥为浙江省舟山水域内的一座大型跨海桥梁，特别适合采用本实施例的方法进行计算，计算中采用的水域环境参数为：4级的横风（风速约6.7m/s）、2m/s的顺流。可以看出，单船质量越大，受风、流影响的偏移量越大；质量越小，受风、流影响的偏移量越小，与物理规律一致。进一步的，上述二阶偏微分方程的求解方式有多种，例如龙哥库塔法等。
得到每一时刻的单船位置u(x,y,t)后，根据所述风险区的长度和平均船速，计算所述单船通过所述风险区的平均时间。具体的，风险区的长度也称为风险计算长度D，可以通过对特定桥梁进行问卷调查等方式进行确定，在缺乏具体资料的时候，对于在内河宽阔水域的桥梁，D可以取3km，对于跨海大桥，D可以取5km。单船通过桥梁的平均船速可以通过历史数据统计得到，例如取5m/s。用风险区的长度除以该平均船速，得到单船通过风险区的平均时间。
然后，根据所述平均时间，提取所述单船在进入所述风险区和离开所述风险区的
时刻所处的位置。具体的，如果所述平均时间为
，进入风险区的时刻为t 1，离开风险区的
时刻为
，分别提取t 1时刻的位移u(x 1,y 1,t 1)和
时刻的位移u(x 2,y 2,
)。
将所述两个位置相减，得到所述单船在所述风险区内沿顺桥方向的偏移量x 2-x 1，以及沿横
桥方向的偏移量y 2-y 1，分别作为在风力作用下的偏移量λ 1，以及在水流作用下的偏移量λ 2。
综上，整个S1从动力学角度提供了一种风力和水流作用下的偏移量计算方法，根据单船在风险区的运动状态，将最为复杂的推进力转换为静水状态下的水阻力进行计算，省去了对发动机相关参数的获取，只需依赖水的流速这一环境参数就可以得到准确的估算结果，可实现性强。此外，本步骤在动力学分析中将单船作为一个质点，没有额外进行船体旋转的力矩分析，进一步提高了计算速度。这是因为，尽管船体旋转也会影响单船的行驶角度引起船体偏移，但这一旋转本质上也是由于风力和水流作用引起的，通过公式（13）和（14）已经可以囊括风力和水流的作用，如果将单船继续放大为刚体，分析其本身的形态变化，只会增加计算量，不会对计算精度带来本质改变。此外，对船体的进一步分析，需要获取船体质量分布、转动特性等复杂参数，可实现性差。
S2、根据所述偏移量，计算所述单船从任一横向位置进入所述风险区后发生撞桥的航偏角范围。其中，横向位置表示沿顺桥方向的位置。
本步骤根据单船与桥墩位置的几何关系，求解单船从某一横向位置x进入风险区
后必然会与桥墩发生碰撞的情况下，单船在x处的航偏角
的取值范围。也就是说，当单船
以该范围内的航偏角从横向位置x进入风险区后，必然会与桥墩发生碰撞。具体的，根据以
下公式，计算所述单船从任一横向位置x进入所述风险区后发生撞桥的最大航偏角
和最
小航偏角
：
其中，B P 表示桥墩宽度，B M 表示单船宽度，D表示风险区的长度。进一步的，
和
分别为单船从桥墩的前后两侧擦边而过的临界航偏角，均为与横向位置x有关的变量。本步
骤通过引入风力作用下的偏移量和水流作用下的偏移量，同时考虑了复杂水域环境中风、
流对船舶航迹的影响。与现有技术中假设船舶在水域中沿当前速度直线行驶相比，计算结
果更加准确。
此外，值得一提的是，本步骤在最大航偏角和最小航偏角的估算中，仍将单船和桥
墩视为质点，忽略了船体长度和桥墩长度对航偏角计算的影响。这是由于在宽阔海域，风险
区长度D在5km左右，而船体长度不过几十米到一百米，桥墩长度也在30-40米左右，对
和
的计算影响微乎其微，因此予以省略，进一步提高计算速度。
S3、根据所述航偏角范围，以及航迹横向位置和航偏角的概率分布，计算所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率。
单船的撞桥频率与进入风险区时的横向位置和航偏角有关，本步骤结合航迹横向位置的概率分布，以及航线角的概率分布，计算单船在当前时段进入风险区并发生撞桥的概率。在一实施方式中，该过程包括如下步骤：
步骤一、根据所述航偏角范围和航偏角的概率分布，计算所述单船从所述横向位
置进入所述风险区后发生撞桥的第一概率。具体的，单船航偏角的概率分布满足正态分布，
根据
和
的定义，将其作为积分上下限代入以下公式，就可以算出单船从横向位置x进
入所述风险区后发生撞桥的第一概率P n ：
其中，
和σ θ 分别表示所述正态分布的均值和标准差。在有观测资料时，根据观测
资料拟合分布函数。在没有观测资料的情况下，航偏角分布可以取以0°为均值，10°为标准
差的正态分布。
步骤二、根据航迹横线位置的概率分布，计算所述单船从所述横向位置进入所述风险区的第二概率。具体来说，步骤一得到了单船从横向位置x进入风险区后发生撞桥的第一概率P n ，但单船的横向位置是可以任意选取的，只有横向位置=x时，概率P n 才是有意义的。因此，本步骤根据以下公式计算所述单船从所述横向位置x进入所述风险区的第二概率P m ：
其中，航迹横向位置的概率分布，即船舶在穿越桥梁时航迹在顺桥方向上的分布，也满足正态分布，标准差和均值分别为σ和μ 0。在有观测资料时根据观测资料拟合分布函数；在没有观测资料的情况下，该分布可以取以航道中心线为均值，船舶体长L OA 为标准差的正态分布。为了便于区分和描述，将航偏角的满足的正态分布称为第一正态分布，将航迹横向位置满足的正态分布称为第二正态分布。
步骤三、将所述第一概率和第二概率相乘，得到所述单船从所述横向位置进入所述风险区且发生撞桥的第三概率。具体的，根据以下公式，得到所述单船从横向位置x进入所述风险区且发生撞桥的第三概率P l ：
可以看出，式中
和
均为横向位置x的函数，因此，最终得到的P l 同样为横向位
置x的函数。此外，值得一提的是，这里的x和
均为单船进入风险区的初始位置处的横向位
置和航偏角，虽然在进入风险区后，单船内的横向位置和航偏角会不断变化，但初始位置处
的x和
是确定的，不存在随时间变化的概念。
步骤四、累加所有横向位置对应的第三概率，得到所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率。具体的，由于单船可能以任意横向位置进入风险区，因此根据以下积分公式对所有的横向位置进行积分，得到所述单船在所述时段内的撞桥频率P i ：
由于同一类型的船舶参数相同，因此可以将所述单船对应的P i 作为所述类型船舶在所述时段内的撞桥频率。在步骤一到步骤四的计算中，通过航迹横向位置的概率分布考虑了船舶在桥区水域（即风险区）的初始位置的不确定性，通过航偏角的概率分布考虑了运动状态的不确定性，将其联合作用得到了单船的撞桥概率，更加符合真实情况。
S4、累加所述类型的单船在各时段内的撞桥频率，得到所述类型船舶的撞桥年频率。对不同的时段依次执行S1-S3所述的操作，依次得到所述类型的单船在各时段内的撞桥频率。如上所述，同一时段内的风速和水速保持不变，而不同时段内的风速和水速是不同的，因此，在不同时段下公式（13）-（20）的计算结果均不相同，得到的撞桥率也是不同的，从而精确反映了不同时段下的环境因素对撞桥风险的影响。
S130、累加各类型船舶的撞桥年频率与通航量的乘积，得到桥梁的年船撞概率。
将第i类船舶的撞桥年频率P i 与该类船舶的年通航量N i 相乘，然后将所有类型的所述乘积累加，得到桥梁的年船撞概率P。具体过程可以表述为以下公式：
其中，N i 由船型、尺寸、装载条件等区分。
本实施例基于船舶的动力学方程，获得了船舶在风力和水流作用下的航行轨迹，实现了对宽阔航道内风力、水流影响的量化表示，并将该影响应用在船撞频率的计算中，提高了风险预警的灵敏度，使计算结果更符合实际情况。同时，在整个预测算法中，并没有将风力、水流的影响简化为一经验系数，而是将预测时间细分为粒度更小的时间段，更加精细的反映了一年中不同日期或不同小时内的环境变化；并充分考虑了船撞桥场景中的船舶初始位置和初始航偏角的不确定性，使计算船撞桥的频率计算具有更强的适应性。最后，汇总不同位置、不同航偏角、不同时段、不同船舶类型、不同通航量的撞桥频率，这一方式更加真实的反映船撞桥的行船场景，能更有效的利用大量的监测数据，得到更加符合待研究桥梁的真实船撞概率。
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图5所示，该设备包括处理器50、存储器51、输入装置52和输出装置53；设备中处理器50的数量可以是一个或多个，图5中以一个处理器50为例；设备中的处理器50、存储器51、输入装置52和输出装置53可以通过总线或其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
存储器51作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法对应的程序指令/模块。处理器50通过运行存储在存储器51中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
存储器51可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器51可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器51可进一步包括相对于处理器50远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置52可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置53可包括显示屏等显示设备。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
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。
Claims (6)
1.一种宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，其特征在于，包括：
将一年划分为多个时段，其中，特定桥梁所处宽阔水域中的风速和水速在同一时段内保持不变；
对各时段内通过所述桥梁的各类型船舶，分别执行如下操作：
S1、根据任一时段内通过所述桥梁的任一类型单船的动力学方程，求解所述单船进入撞桥风险区后在风力作用和水流作用下的偏移量；具体的，根据所述单船在静水中的阻力，计算所述单船进入撞桥风险区后受到的推进力；沿顺桥方向和横桥方向分解所述推进力，以及所述单船进入撞桥风险区后受到的水阻力和风阻力；根据分解后的各力，求解所述单船在所述风险区内沿顺桥方向和横桥方向的偏移量，分别作为在风力作用和水流作用下的偏移量；
S2、根据所述偏移量，计算所述单船从任一横向位置进入所述风险区后发生撞桥的航偏角范围，其中，横向位置表示沿顺桥方向的位置；
S3、根据所述航偏角范围，以及航迹横向位置和航偏角的概率分布，计算所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率；具体的，所述航偏角的概率分布满足第一正态分布，所述根据航迹横线位置的概率分布满足第二正态分布，则S3包括：根据以下公式，计算单船从横向位置x进入所述风险区后发生撞桥的第一概率P n ：
，其中，
和
分别表示单船在从横向位置x进入所述风险区后发生撞桥的最大航偏角和最小航偏角，
和
分别表示所述第一正态分布的均值和标准差；根据以下公式，计算所述单船从所述横向位置x进入所述风险区的第二概率P m ：
，其中，σ和
分别表示所述第二正态分布的标准差和均值；根据以下公式，得到所述单船从横向位置x进入所述风险区且发生撞桥的第三概率P l ：
；根据以下公式，得到所述类型的单船在所述时段内的撞桥频率P i ：
S4、累加所述类型的单船在各时段内的撞桥频率，得到所述类型船舶的撞桥年频率；
累加各类型船舶的撞桥年频率与通航量的乘积，得到桥梁的年船撞概率；
其中，根据所述单船在静水中的阻力，计算所述单船进入撞桥风险区后受到的推进力，包括：
根据单船进入风险区后的特定运动状态，将
代入水阻力F f 的计算公式
（2），得到单船进入撞桥风险区后受到的推进力：
（4）
其中，ρ表示水的密度，c f 表示摩擦系数，v s 表示单船和水流的相对速度，S表示单船在水下的面积。
2.根据权利要求1所述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，其特征在于，所述各时段为1天或1小时。
3.根据权利要求1所述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，其特征在于，所述根据分解后的各力，求解所述单船在所述风险区内沿顺桥方向和横桥方向的偏移量，包括：
根据如下公式，求解所述单船沿顺桥方向进入所述风险区后的每一时刻的位置u(x,y,t)：
其中，x表示单船沿顺桥方向的位置，y表示单船沿横桥方向的位置，m表示船舶质量，t表示时间，c f 表示摩擦系数，ρ表示水的密度，v c 表示所述时段的水流速度，S表示船舶在水下的面积，v w 表示所述时段的平均风速，A w 表示船舶的受风面积，ζ表示风压系数，α表示所述时段水流与横桥方向的夹角，β表示所述时段风力与横桥方向的夹角；
根据所述风险区的长度和平均船速，计算所述单船通过所述风险区的平均时间；
根据所述平均时间，提取所述单船在进入所述风险区和离开所述风险区的时刻所处的位置；
根据所述位置，计算所述单船在所述风险区内沿顺桥方向和横桥方向的偏移量。
4.根据权利要求1所述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法，其特征在于，所述根据所述偏移量，计算所述单船从任一横向位置进入所述风险区后发生撞桥的航偏角范围，包括：
根据以下公式，计算所述单船从任一横向位置x进入所述风险区后发生撞桥的最大航偏角
和最小航偏角
：
其中，B P 表示桥墩宽度，B M 表示单船宽度，D表示所述风险区的长度，λ 1表示风力作用下的偏移量，λ 2表示水流作用下的偏移量。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4中任一所述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一所述的宽阔水域桥梁船撞的风险概率计算方法。
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