CN116304506A - 一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法 - Google Patents

一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,包括:桥梁基础参数和航道基础参数获取;桥区监督范围划定;根据桥梁的撞击风险承受能力划定阈值评判等级;对驶入监督范围区域内的船舶,启动监督分析机制;利用感知设备,进行实时位置信息采集;根据根据t‑1时刻和t时刻船舶位置参数,代入实时风险评估模型,分析桥区i个船舶在t时刻撞击每个桥墩的概率;根据当前时刻监督区域内所有船舶的撞击风险概率,计算航道桥墩在时刻的撞击风险;判断船舶是否通过桥梁。本发明能够实时判别行驶船舶相对桥梁的撞击风险,也能够判定在目前交通流量下的桥墩实时被撞风险,从而提前发现船舶撞击桥梁隐患。

Description

一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法
技术领域
本发明涉及桥梁安全预警技术,具体涉及一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法。
背景技术
目前,船舶的倾覆会导致船上污染物品的泄露,造成河流、水域污染和生态环境破坏的严重后果。
为此,多数桥梁采用防撞装置改善这一现状,然而物理防撞诚然可以减少撞击损伤,降低事故后果,但是无法降低船撞桥发生频数,事故后仍然面临应急处置、救援、维修等复杂问题,因此,业内逐渐的采用安装桥梁防撞主动预警系统,降低事故发生频率,从根源解决此类问题。一般地采用下述手段:一是以雷达、AIS船舶信息采集器作为船舶位置的读取设备,通过船舶和桥梁的相对位置关系来确定是否有撞击隐患。该方式简单直接,但是存在反馈滞后、预留纠正时间不足,不能完全制止事故发生。二是引入一定的评价机制,结合经典概率模型去评估船舶风险因子,但是模型较为简易,考虑参数不足,实时性不佳,难以达到准确预估的目的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,能够实时判别行驶船舶相对桥梁的撞击风险,也能够判定在目前交通流量下的桥墩实时被撞风险,从而提前发现船舶撞击桥梁隐患,达到更佳的预判及预警效果,适用于内河航道桥梁、跨海桥梁等,应用本方法,能够提早判断航迹异常船舶,有效的避免船桥相撞事故发生,为安全航运保驾护航。
本发明采用的技术方案是:一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,包括:
步骤1:桥梁基础参数和航道基础参数获取;
步骤2:桥区监督范围划定;
步骤3:根据桥梁的撞击风险承受能力划定阈值评判等级;
步骤4:对驶入监督范围区域内的船舶,启动监督分析机制;
步骤5:利用感知设备,进行实时位置信息采集;并根据历史数据绘制船舶的航迹数据,初步进行船舶位置与桥墩的相对位置判定;
步骤6:根据根据t-1时刻和t时刻船舶位置参数,代入实时风险评估模型,分析桥区i个船舶在t时刻撞击每个桥墩的概率PSi
步骤7:根据当前时刻监督区域内所有船舶的撞击风险概率,计算航道桥墩在时刻的撞击风险PB
步骤8:根据步骤5和步骤6计算的撞击风险概率,与桥梁自身的阈值进行对比,如果对比结果超过设定的风险阈值,根据阈值大小,确定风险等级,启动分级预警机制,并采取对应的应急措施;如果对比结果小于风险阈值,则继续监测,进入步骤4;
步骤9:根据实时采集的船舶位置信息,判断船舶是否通过桥梁,如果船舶通过桥梁,则分析结束,否则持续重复追踪计算,直至船舶安全过桥。
进一步地,所述步骤1中的桥梁参数和航道参数包括:桥梁主墩位置、主墩结构尺寸、桥跨、航道宽度、航道中心线、水流流速、水流方向、船舶类型、船舶尺寸、船舶过桥速度。
更进一步地,所述步骤2中监督范围应根据航道等级、水域特征,征求海事航道等监管部门的意见等进行划定。
更进一步地,所述步骤3中的整个桥区水域桥梁撞击风险阈值:根据风险程度,分为A、B、C三个等级,分别代表撞击风险较小、撞击风险一般和极易发生撞击三个风险程度。
更进一步地,所述步骤5,船舶的信息感知设备,包括但不限于雷达、AIS信息接收器、图像采集方式。
更进一步地,所述步骤6,船舶撞击概率是指船舶进入桥区后,在某一时刻,所处的位置及速度状态下,发生撞击桥梁事件的概率;
实时风险评估模型是基于Kunzi模型优化的实时路径积分算法,其核心计算公式为:
Figure BDA0004114192870000031
其中,s为停船距离,μs、σs为停船距离s的均值和标准差;二者的确定应该结合当地通航船舶类型、吨级,结合当时水位、船舶速度动态来评估选取;
D为船舶到桥轴线的距离:
Figure BDA0004114192870000032
kba和bba为x轴和桥轴线的斜率和截距;
f(s)为船舶在距离桥梁s米能够停船的概率;f(θ)为当前位置下的船舶以角θ误航后得到有效控制的概率;
Figure BDA0004114192870000033
s(θ)=Dsinθbc/sin(θbc-θ)
Figure BDA0004114192870000034
θmin、θmax分别表示某吨位的船舶在航道中的点(x,y)处撞击桥墩的偏航角下界和上界值,由下式确定:
(1)当y<Y0-BP2-BM2时:
Figure BDA0004114192870000035
Figure BDA0004114192870000041
(2)当Y0-BP/2-BM/2<y<Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure BDA0004114192870000042
Figure BDA0004114192870000043
(3)当y>Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure BDA0004114192870000044
Figure BDA0004114192870000045
式中,A(x,y)为船舶的航迹点位置坐标;(X0,Y0)为目标桥墩中心坐标;BP和BH分别为桥墩的宽度和长度;BM和BL分别为船舶的型宽和长度。
更进一步地,所述步骤7,桥墩被撞概率是指在某一时刻,进入桥区的所有船舶发生撞击水中桥墩事件的概率之和,计算公式为:
Figure BDA0004114192870000046
式中:PB为桥梁被撞概率,n为该桥区某一时刻的船舶数量,PSi为第i只船舶撞桥概率。
本发明的优点:
本发明提出了针对船舶和桥墩的实施风险概率计算模型,从船桥双重角度上建立了实时评估机制,更加精确的定位了船舶风险和桥墩风险,使得预警更具有倾向性,更易定位隐患根源。
依据概率风险大小了,提出了风险分级的思想,建立了撞击风险的阈值评判机制,更加有效、精准的实现预警过程,充分利用应急资源。
考虑了水位变化频率、船舶速度对碰撞概率的影响,在分析计算中添加了这两个动态影响因子,使计算方法更加符合实际情况。
对不必要的参数进行了优化,提出了一种快捷迅速,基于实时积分,动态刷新的风险概率分析方法,实时性佳,实用性更强。
本发明从船舶实时撞击风险概率和桥墩实时被撞风险概率两个因素出发,双重保障桥梁安全。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的分析流程图;
图2是本发明中航道范围的示意图;
图3是本发明中实施风险概率模型计算示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,实施风险评估的船桥撞击隐患预警方法包括以下步骤:
步骤1:桥梁基础参数和航道基础参数获取;通过桥区调研,主要收集所涉及桥梁的桥墩位置、桥墩结构尺寸、桥跨、航道宽度、航道中心线、水流流速、水流方向、船舶类型、船舶尺寸、船舶过桥速度等参数;
步骤2:桥区监督范围划定:桥区范围如附图2所示,包括航道河岸线、航道边线、船舶监控线组成,所示范围将桥区水域划分为禁航区和通航区,本发明提及的算法模型仅针对通航区域内的行驶船舶,对于禁航区的船舶,属于危险驾驶行为,无需分析风险概率,应直接发布预警信息。
船舶监控线与桥轴线的距离根据航道等级、通航代表船舶、以及管理部门意见、专家意见等综合评估确定。一般不小于1.5km。
步骤3:根据桥梁的撞击风险承受能力划定阈值评判等级;
具体地,根据桥梁等级、重要程度等,设置桥梁能够接受的风险阈值大桥,一般无要求时,可按照30%以内为撞击风险小,30%-60%为撞击风险一般,60%-80%为撞击风险较大,80%以上为极易发生撞桥事件,定义为A、B、C三个等级,由此设置不同的应急响应预案,达到精准预警的目的。
步骤4:对驶入监督范围区域内的船舶,启动监督分析机制;
为了节约资源,高效率预警,只对于进入船舶监控线内的船舶启动风险概率分析机制,监控线外的船舶,由于距离桥区较远,不在管控范围之内。
步骤5:利用感知设备,进行实时位置信息采集。并根据历史数据绘制船舶的航迹数据,初步进行船舶位置与桥墩的相对位置判定。
具体地,感知设备包括激光雷达、微波雷达、AIS、图像设备等,通过直接测量或者间接测量的形式,获取船舶的实时位置坐标值(x,y);一般地,规定x方向为顺桥向,y方向为横桥向。为了保证分析的时效性,采样频次不低于5s一点。
步骤6:根据根据t-1时刻和t时刻船舶位置参数,代入实时风险评估模型,分析桥区i个船舶在t时刻撞击每个桥墩的概率PSi
具体地,当感知设备采集到船舶t-1时刻的位置速度信息(xt-1,yt-1,vt-1)和t时刻的位置速度信息(xt,yt,vt),并从现场其他设备中读取实时水位参数h,判定μs、σs时,应考虑v和h影响因子。同时,计算船舶x轴方向与桥轴线的斜率和截距kba和bba
基于JAVA或者C实现下述实时积分的代码解析:
Figure BDA0004114192870000071
其中,s为停船距离,μs、σs为停船距离s的均值和标准差;二者的确定应该结合当地通航船舶类型、吨级,结合当时水位、船舶速度动态来评估选取。
D为船舶到桥轴线的距离:
Figure BDA0004114192870000072
f(s)为船舶在距离桥梁s米能够停船的概率;f(θ)为当前位置下的船舶以角θ误航后得到有效控制的概率。
Figure BDA0004114192870000073
s(θ)=Dsinθbc/sin(θbc-θ)
Figure BDA0004114192870000074
θmin、θmax分别表示某吨位的船舶在航道中的点(x,y)处撞击桥墩的偏航角下界和上界值,依据附图3,由下式确定:
(1)当y<Y0-BP/2-BM/2时:
Figure BDA0004114192870000075
Figure BDA0004114192870000076
(2)当Y0-BP/2-BM/2<y<Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure BDA0004114192870000077
Figure BDA0004114192870000081
(3)当y>Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure BDA0004114192870000082
Figure BDA0004114192870000083
式中,A(x,y)为船舶的航迹点位置坐标;(X0,Y0)为目标桥墩中心坐标;BP和BH分别为桥墩的宽度和长度;BM和BL分别为船舶的型宽和长度。
步骤7:根据当前时刻监督区域内所有船舶的撞击风险概率,计算航道桥墩在时刻的撞击风险PB
具体的,以步骤6的方法计算桥区监督范围内的所有船舶的实时撞击概率,由下述公式,求得每个桥墩的被撞概率大小:
Figure BDA0004114192870000084
式中:PB为桥梁被撞概率,n为该桥区某一时刻的船舶数量,PSi为第i只船舶撞桥概率。
步骤8:根据步骤5和步骤6计算的撞击风险概率,与桥梁自身的阈值进行对比,如果对比结果超过设定的风险阈值,根据阈值大小,确定风险等级,启动分级预警机制,并采取对应的应急措施。如果对比结果小于风险阈值,则继续监测,进入步骤4;
依照步骤3中确定的阈值,与步骤6和步骤7的计算阈值作比较,确定当前状态下风险概率的所属区间,根据对应的设计规则进行预警告警动作。
步骤9:根据实时采集的船舶位置信息,判断船舶是否通过桥梁,如果船舶通过桥梁,则分析结束,否则持续重复追踪计算,直至船舶安全过桥。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,包括:
步骤1:桥梁基础参数和航道基础参数获取;
步骤2:桥区监督范围划定;
步骤3:根据桥梁的撞击风险承受能力划定阈值评判等级;
步骤4:对驶入监督范围区域内的船舶,启动监督分析机制;
步骤5:利用感知设备,进行实时位置信息采集;并根据历史数据绘制船舶的航迹数据,初步进行船舶位置与桥墩的相对位置判定;
步骤6:根据根据t-1时刻和t时刻船舶位置参数,代入实时风险评估模型,分析桥区i个船舶在t时刻撞击每个桥墩的概率PSi
步骤7:根据当前时刻监督区域内所有船舶的撞击风险概率,计算航道桥墩在时刻的撞击风险PB
步骤8:根据步骤5和步骤6计算的撞击风险概率,与桥梁自身的阈值进行对比,如果对比结果超过设定的风险阈值,根据阈值大小,确定风险等级,启动分级预警机制,并采取对应的应急措施;如果对比结果小于风险阈值,则继续监测,进入步骤4;
步骤9:根据实时采集的船舶位置信息,判断船舶是否通过桥梁,如果船舶通过桥梁,则分析结束,否则持续重复追踪计算,直至船舶安全过桥。
2.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤1中的桥梁参数和航道参数包括:桥梁主墩位置、主墩结构尺寸、桥跨、航道宽度、航道中心线、水流流速、水流方向、船舶类型、船舶尺寸、船舶过桥速度。
3.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤2中监督范围应根据航道等级、水域特征,征求海事航道等监管部门的意见等进行划定。
4.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤3中的整个桥区水域桥梁撞击风险阈值:根据风险程度,分为A、B、C三个等级,分别代表撞击风险较小、撞击风险一般和极易发生撞击三个风险程度。
5.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤5,船舶的信息感知设备,包括但不限于雷达、AIS信息接收器、图像采集方式。
6.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤6,船舶撞击概率是指船舶进入桥区后,在某一时刻,所处的位置及速度状态下,发生撞击桥梁事件的概率;
实时风险评估模型是基于Kunzi模型优化的实时路径积分算法,其核心计算公式为:
Figure FDA0004114192860000021
其中,s为停船距离,μs、σs为停船距离s的均值和标准差;二者的确定应该结合当地通航船舶类型、吨级,结合当时水位、船舶速度动态来评估选取;
D为船舶到桥轴线的距离:
Figure FDA0004114192860000022
kba和bba为x轴和桥轴线的斜率和截距;
f(s)为船舶在距离桥梁s米能够停船的概率;f(θ)为当前位置下的船舶以角θ误航后得到有效控制的概率;
Figure FDA0004114192860000023
s(θ)=Dsinθbc/sin(θbc-θ)
Figure FDA0004114192860000031
θmin、θmax分别表示某吨位的船舶在航道中的点(x,y)处撞击桥墩的偏航角下界和上界值,由下式确定:
(1)当y<Y0-BP/2-BM/2时:
Figure FDA0004114192860000032
Figure FDA0004114192860000033
(2)当Y0-BP/2-BM/2<y<Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure FDA0004114192860000034
Figure FDA0004114192860000035
(3)当y>Y0+BP/2+/BM/2时:
Figure FDA0004114192860000036
Figure FDA0004114192860000037
式中,A(x,y)为船舶的航迹点位置坐标;(X0,Y0)为目标桥墩中心坐标;BP和BH分别为桥墩的宽度和长度;BM和BL分别为船舶的型宽和长度。
7.根据权利要求1所述的基于实时风险评估的船桥撞击隐患分析方法,其特征在于,所述步骤7,桥墩被撞概率是指在某一时刻,进入桥区的所有船舶发生撞击水中桥墩事件的概率之和,计算公式为:
Figure FDA0004114192860000041
式中:PB为桥梁被撞概率,n为该桥区某一时刻的船舶数量,PSi为第i只船舶撞桥概率。
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