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大型船舶会船区碰撞风险的灰色评判模型.pdf
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1、NAVIGATIONOFCHINASep.20232023年9 月Vol.46No.3第46 卷第3期中国海航文章编号:10 0 0-46 53(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 8大型船舶会船区碰撞风险的灰色评判模型徐东星12,尹建川-2,孙 1.2(1.广东海洋大学船舶与海运学院,广东湛江52 40 8 8;2.广东省船舶智能与安全工程技术研究中心,广东湛江52 40 8 8)摘要:为提高大型船舶会船区的航行安全,减少大型船舶在会船区内的碰撞风险,提出一种基于水上交通冲突和枢纽复杂度的灰色变权聚类模型,对大型船舶会船区的碰撞风险进行评价,并对容量不足的会船区进行扩展提供合理化措施
2、。结合会船区交通流和水上交通冲突状况,选取交通冲突率和交通冲突点作为会船区碰撞风险的评价指标,并考虑评价指标的意义、量纲和数值上差距较大及会船区附近的锚地环境等因素,综合利用交通枢纽复杂度与初值化算子灰色变权聚类算法,对会船区的碰撞风险进行评价。以湛江港南三岛西航道4号会船区(分为东段、中段和西段3段)为例进行验证,评价结果与实际调查情况基本相符,较好地解决了海上通航环境中数据信息不足和定性分析对碰撞风险评价的影响,为会船区的碰撞风险评价提供新的研究方法,并在此基础上结合湛江港大型船舶会船区的客观情况提出对会船区进行扩展的建议,从而满足湛江港对于大型船舶会遇的实际需求,为航道设计和科学制定水上
3、交通管理措施提供参考依据关键词:会船区;水上交通冲突;交通枢纽复杂度;初值化算子;灰色变权聚类;碰撞风险中图分类号:U698.6文献标志码:AD01:10.3969/j.issn.1000-4653.2023.03.001Grey model for evaluaticollisionrisksinameetarea for large shipsXU Dongxingl2,YIN Jianchuan2,SUN Tingl-2(1.Naval Architecture and Shipping College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 52408
4、8,China;2.Guangdong Provincial Engineering Research Center for Ship Intelligence and Safety,Zhanjiang 524088,China)Abstract:A grey variable weight clustering model is introduced to evaluate the collision risks for large ships in a meetingarea.The traffic flow and the ships encountering situations in
5、 the meeting area are studied and the traffic conflict rate anddistribution of traffic conflict points are defined as the collision risk evaluation indexes for the meeting area.The greyvariable weight clustering model with adjusted initialization operator is used because the indexes are significantl
6、y different inmeaning,dimension,and range of value,besides,there are environment factors influencing the navigation safety in thearea such as the anchorage around.No.4 ship meeting area of west channel of Nansan Island in Zhanjiang Port is processedforverification.Key words:ship meeting area;vessel
7、traffic conflict;complexity of transportation hub;initialization operator;greyvariable weight clustering;collision risk海上交通运输是一动态的,复杂的人、机、环境和管理有机结合的系统。由于海上环境复杂多变,易导致人、机、环境和管理因素相互不协调,造成海上交通事故时有发生。随着经济全球化、国际贸收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 6基金项目:国家自然科学基金面上项目(52 2 7 136 1;52 2 310 14;518 7 9 0 2 4);广东省自然科学基金(2 0 2
8、3A1515010684);广东省高校重点领域专项(新一代信息技术)(2 0 2 1ZDZX1008)作者简介:徐东星(19 8 8 一),博士生,研究方向为交通信息工程及控制。E-mail:x d q d mu 16 3.c o m通信作者:尹建川(19 7 4一),博士,教授,研究方向为智能计算与数据挖掘。E-mail:y i n j i a n c h u a n g d o u.e d u.c n引用格式:徐东星,尹建川,孙斑.大型船舶会船区碰撞风险的灰色评判模型J.中国航海,2 0 2 3,46(3):1-8.XU D X,YIN J C,SUN T.Grey model for e
9、valuating collision risks in a meeting area for large ships JJ.Navigation of China,2023,46(3):1-8.(in Chinese)中国第46 卷第3期海航易量大幅增长,大型船舶交通量的大幅提升对水上交通运输安全提出新的要求。对于港口的某些敏感区域,根本无法承受大型船舶在该区域内造成的海事事故。船舶碰撞事故在海上交通事故中发生最频繁,且极易造成严重损失2。对于港口航道交汇区与分道通航区等船舶通航密度较大的水域,其具有交通流通航秩序复杂及航行在该水域中的船员心理压力增大等特点,造成水上安全形势愈发紧张,将导致
10、船舶发生碰撞事故的概率大大增加3。另外,随着交通量的增加,交通管理部门针对船舶会遇专门设置的会船区也面临容量不够,需要扩展的问题。因此,研究复杂会遇区域的船舶碰撞风险对减少船舶碰撞事故的发生具有一定的现实意义。交汇水域具有船舶交通密度大、复杂的水文气象条件与交叉局面等特点,是目前影响船舶安全行为最为复杂的水域之一。因此,学者们对交汇区域交通流的运行状况、船舶冲突规律等方面进行了研究。何良德等4通过引入空档率的概念,对可接受间隙理论模型进行改进并将其应用于内河航道交叉口通过能力的计算,实例表明通过能力与冲突交通量(呈负指数规律)和速度(呈缓-快-缓趋势)有关,并且穿越船舶取平均速度时评估通过能力
11、是合理的。金辉5以空间自相关理论为基础,提出一种能同时从时间和空间维度对交汇水域内船舶冲突特征进行分析和表征的时空统计模型。刘琪6 利用船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem,AIS)提取船舶会遇信息,分析会遇的时空演化形式,提出交汇水域会遇意图在线辨识方法并应用于助航预警系统。船舶碰撞风险的评价对于水域航行安全有着重要意义。SILVEIRA等7 提出一种基于专家判断的多准则排名方法来评估船舶碰撞风险,在碰撞风险评估背景下模拟专家的偏好。ZHANG等8 提出一种基于卷积神经网络和图像识别的方法来说明和分类会遇场景中的船舶碰撞风险。LI等9 结合动态贝叶斯网
12、络结构提出北极海域液化天然气(Lique-fiedNaturalGas,LNG)船舶航行的风险性能推理策略,一项案例研究证实北极夏季水域的主要风险是由航道中难以探测的障碍物构成的,如冰山和礁石。ZHENG等10 考虑模拟碰撞概率的本船和目标船的船舶领域之间的界限,提出基于支持向量机技术的船舶碰撞风险定量评估算法,可通过使用船舶状态获得连续和定量的碰撞风险,从而克服传统风险评估方法的一些缺点。HUANG等提出基于AIS的进港航道船舶航行安全评估方法,即交叉线法和蒙特卡罗法,通过对高雄港人境船舶行为的分析,定量评估高雄港入口和内航道的搁浅风险,对促进拥挤水道和港口的航行安全具有一定的意义。PAK等
13、12 通过一个真实的案例研究,确定影响港口航行安全的因素,用模糊层次分析法(FuzzyAnalyticHierarchProcess,FA H P)用于评估这些因素的重要性,并从船长的角度对韩国港口的安全等级进行排序。董海亮等13利用层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,A H P)建立通航风险评估指标体系并收集风险评估历史数据,采用极限学习机构建船舶通航风险评估模型,提高船舶通航风险评估的准确性。黄跃华14采用灰色定权聚类算法对天津港通航安全进行综合评价,是对传统评价模型的发展,对丰富港口通航安全评价方法具有一定的意义。以上通过定量与定性相结合,从宏观角度对海上船舶碰
14、撞风险进行较为全面的分析。对某航行区域的水上交通安全评价除了考虑当地的水域通航环境,常依托水上交通事故作为重要的参考指标,以事故数、事故类型和事故等级等具体指标判断区域安全性。目前,水上交通冲突技术(Vessel TrafficConflictTechnique,VT CT)作为海上交通安全评价和事故预测的有力工具,国内外学者对VTCT开展了多方面的探讨,如冲突类型的判别、水上交通安全评价和VTCT的标准化等问题进行研究。李松等15运用VTCT对船舶定线制航道交叉口交通流冲突的情况进行研究,对局部水域的安全状况进行评价,寻找改善措施,减少警戒区交通冲突的发生,降低事故率。李惠敏16 以成山头这
15、一特定水域,通过对该水域内交通流和交通冲突数据进行分析处理,引进VTCT,以冲突率为指标,运用灰色聚类评价模型判定该水域内各区域的危险度。张金水等17 利用在时间维度上扩展的空间自相关模型探讨了不同时间尺度下船舶的冲突变化,该模型能对隐藏在船舶冲突数据中的特征更进一步地进行分析与挖掘。KUMAR等18 提出利用VTCT测量港口锚地水域潜在的碰撞风险和检验导致碰撞的因素,建立港口锚地水域潜在碰撞模型,得出基于碰撞模型的港口锚地水域碰撞的可能性与港口引航员感知到的碰撞可能性趋于一致的结论。谭志荣等19 对船舶交通管理系统(Ve s s e l T r a f f i c Se r v i c e,
16、VT S)存储的船舶全程航行动态大数据进行挖掘,并在交通冲突和黑点理论的基础上,采用NearMiss分布来定量描述水域风险的方法,可定量挖掘水域交通冲突风险的时空特征。江福才等2 0 基于冲突阈值的概念构建交汇水域冲突局面等级评价标准。范耀天等2 1为降低专家主徐东星,等区碰撞风险的灰色评判模型观性对水上交通流冲突严重度评价的影响,根据聚类分析与BP(Ba c k Pr o p a g a t i o n)神经网络建立评价模型对水上交通流冲突严重度进行评价。上述研究从微观的角度利用VTCT对港口水域的船舶碰撞风险进行评价。由于在对船舶碰撞风险进行评价时,评标指标存在关系模糊、来源不清且主观性较
17、强等问题,易导致评价结果可能出现偏离实际的情况。另外,常用的船舶碰撞风险的评价方法中同样存在一些缺陷,如:综合模糊评判方法其本身存在计算复杂、指标权重的确定存在主观性强等缺陷;AHP所需定量数据较少,但定性成分多,不具备解决小样本数据条件下不确定性问题的潜在机制,往往难以取得满意的结果等;灰色定权聚类算法需根据定性分析确定各指标的聚类权,定权重不能准确评估会船区的状态等问题;而灰色系统理论主要解决“部分信息已知、部分信息未知”小样本、贫信息的不确定问题2 2。海上交通系统具有复杂性,影响系统安全的因素很多,有确定性因素(如助航设施)和不确定因素(如交通量、气候情况和船舶驾驶员技术水平等),可认
18、为海上交通系统具有灰色特性。因此,本文将结合水上交通冲突和枢纽复杂度的灰色变权聚类模型对VTS区域中的会船区船舶碰撞风险进行评价,同时考虑评价指标意义、量纲的差异和数值相差较大等因素,引人初值化算子消除某些指标作用的微弱性,并对容量不足的会船区的设置制定合理化措施,进一步降低大型船舶在会船区的碰撞风险,提高会船区航行的安全性。1会船区的水上交通冲突我国沿海为保障交通密集水域的安全,对重点区域运用船舶定线制的管理,对港口的交通流进行疏导,减少交通会遇次数,限定会船区域,要求船舶在一定的水域内进行会遇避让,这些水域通常称为会船区。船舶航行在会船区,受到人、船、环境等因素的影响,会船区的交通运行状态
19、不断发生改变,这些改变在一定的时间和空间的作用下,产生交通冲突并可能继续产生转换,严重的有可能转变为海事事故。本文将会船区作为冲突集中产生的一个交通安全系统,综合考虑其受到的影响因素,见图1。这些影响因素造成了船舶在会船区的交通冲突,随着交通冲突的数量和严重程度升级,就有可能增加碰撞风险。图1中:当船舶无干扰通过,则表示正常通过;当船舶需采取行动才能安全通过,则表示交通冲突;当船舶无法安全通过,表示产生海事事故环境因素会船航路交会船-航道(风、浪、区船叉点及区出海事助航其他宽度、流、潮汐舶交转向入口监管设施因素水深等和能见度)通量点数量数量锚区进出船会船区通航船舶渔船船舶驾驶行为无干扰通过避险
20、成功通过避险失败未通过正常通过交通冲突交通事故图1会船区交通冲突产生过程Fig.1Process of traffic conflict in the ship meeting area2会船区的碰撞风险评价模型2.1会船区的交通冲突率指标在水路运输中常用最近会遇距离(DistanceofClose Point of Approaching,d c p A)、最近会遇时间(T i me t o Cl o s e Po i n t o f A p p r o a c h i n g,t c p a)来分析两船之间的危险。开阔水域和港内水域对于dcpA和tcpA的安全界限是各有不同的。本文借鉴相关
21、学者和航海经验认为当-1 mintcpA10 min且dcpA0.5nmile时,船舶在狭窄水域、警戒区等交通密集区域,存在紧迫局面,产生会船区交通冲突2 3。通过船舶AIS数据的收集,根据此交通冲突标准,在指定区域内收集单位时间内的交通冲突数和交通量的数据,形成某会船区域的交通冲突率。本文将考察的会船区域中分几个不同的范围进行观测其交通冲突率,并在一定时间内按照不同时间段统计冲突率。2.2会船区的交通枢纽复杂性指标交通冲突点是指来自冲突区域内各个方向的交通流以一定角度相互交叉、汇合和分开的地点。这是交通冲突区域内各个交通流路线的交点,是交通冲突产生的根源2 4。交通冲突点数目可表明所在区域交
22、通冲突的密集程度,同时也可根据交通冲突点数目来预判一些预设区域的冲突程度,以避免采用交通冲突率必须使用实际数据分析的问题,交通冲突点数目将可在一定程度上对预设区域所采取的交通管制措施进行评判,给规划者一定的参考意见。对于交通影响程度最大的交通冲突点是交叉点,其次是合流点,再次是分流点。在道路交通领域,通常采用交通枢纽复杂性指标A来评价交叉口的复杂程度2 5,有A=ng+3nm+5nc(1)中4第46 卷第3期国海航式(1)中:nB为分流点;nm为合流点;nc为交叉点。当A10时,枢纽很简单;当10 A25时,枢纽简单;当2 555时,则枢纽是复杂的2 6。由此可见,枢纽越复杂,相互之间交通流的
23、干扰越大,所造成的安全风险也越大。对于水路交通冲突点的分析,还应需根据在航道附近锚地、泊位的所在位置关系,考虑船舶进出锚地而产生交通流的影响因素。2.3灰色变权聚类评价算法VTCT通常采用会船区的交通量和交通冲突数作为评价的数据源,对其会船区的碰撞风险状况进行评价。但会船区的交通冲突仅记录特定时段的指标数据。在所记录的指标数据中,并未记录会船区自交通冲突和交通量出现以来的全部信息,并且所选指标并不是会船区碰撞风险的唯一评价指标,还存在一些不确定因素(气候情况、船舶驾驶员心理状态等),因此,可认为会船区的交通系统处于灰色状态。灰色系统理论适用“部分信息已知,部分信息未知”的“贫信息”不确定性系统
24、,通过对部分已知信息的开发,实现对现实世界的确切描述。2】在对会船区的碰撞风险评价时,不可能获得会船区的全部指标的统计信息,可针对会船区信息不完全的特点,利用灰色理论建立评价方法,可有效提高评价结果的可信度。灰色变权聚类评价模型描述如下。1)设有n个聚类对象,m个聚类指标,s个不同灰类,根据第i(i=1,n)个对象关于i(j=1,m)指标的样本值xi,将第i个对象归人第k(k=1,,s)个灰类之中,称为灰色聚类。2)将n个对象关于指标i的取值相应地分为s个灰类,称为i指标子类。i指标子类的白化权函数记为fi()。常用的白化权函数描述见图2。0 x()(2)*(3)i(4)(a)典型白化权函数:
25、f【(1),(2),(3),x(4)01X,(3)X(4)(b)下限测度白化权函数:j一,xi(3),x i(4)】X;(1)X;(2)X;(4)(c)适中测度白化权函数:fx(1),(2),一,(4)】0X;(1)X;(2)(d)上限测度白化权函数:fix i(1),x i(2),-,-注:“”表示白化权函数无相应的转折点图2 常用的白化权函数Fig.2Common whitenization weight function3)设入为i指标k子类临界值,则称m乐=入示入为i指标关于h子类的权。4)设x,为对象i关于指标j的标本,fi()为j指标k子类的白化权函数,ni为i指标关于k子类m的权
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