一种水上交通安全风险仿真方法

摘要

本发明提供一种水上交通安全风险仿真方法，根据水上交通安全风险因素，建立关于因素矩阵、各因素的相对权重矩阵、评价矩阵的函数作为交通安全风险仿真模型；对仿真模型中的各因素根据概率分布进行参数估计，并随机生成各因素的仿真值；将随机生成的仿真值代入仿真模型中，通过模糊评判方法进行单个因素的风险计算；根据各因素的相对权重，通过模糊评判方法进行多个因素的综合风险计算；对多个因素的综合风险计算的结果进行反模糊化处理；将随机生成仿真值到完成反模糊化处理的过程进行多次重复仿真，之后输出水上交通安全风险仿真的结果。本发明能够同时处理水上交通安全风险随机信息和模糊信息，解决参数取值冲突问题。

说明书

技术领域

本发明涉及水上交通领域，仿真科学与技术领域以及安全科学与工程领 域，特别涉及一种水上交通安全风险仿真方法。

背景技术

水上交通安全风险具有时间波动性和空间差异性，传统的风险评价方法 很少能够反映被评价水域安全风险的时空差异性。同时，传统对水上交通安 全风险评价的研究，更侧重被评价水域的“危险性”，在评价指标的取值上， 具有时间波动特性的风险因素取平均值(如能见度、风、流等)，具有空间分 布差异的评价指标(如水深、航道弯曲度等)往往取自被评价水域中该因素 的最危险的数值(如最浅点水深)。在实际的水上交通系统中，很少存在某一 位置点的所有指标值都是“最危险的”，带来指标冲突的问题。水上交通因素 的动态变化带来了风险测度中的随机信息，对风险因素危险程度的判别带来 了模糊信息。海事管理机构和水上交通参与者迫切需要一种能同时处理水上 交通安全风险随机信息和模糊信息，并能解决参数取值冲突问题的风险测度 方法，以便全面掌握通航水域的风险情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种水上交通安全风险仿真方法，从而同时处理水 上交通安全风险随机信息和模糊信息，并能解决参数取值冲突问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种水上交通安全风险仿 真方法，其中：

根据水上交通安全风险因素，建立关于因素矩阵、各因素的相对权重矩 阵、评价矩阵的函数作为交通安全风险仿真模型；

对仿真模型中的各因素根据概率分布进行参数估计；

根据参数间的逻辑关系，以参数估计的结果随机生成各因素的仿真值；

将随机生成的仿真值代入仿真模型中，通过模糊评判方法进行单个因素 的风险计算；

根据各因素的相对权重，通过模糊评判方法进行多个因素的综合风险计 算；

对多个因素的综合风险计算的结果进行反模糊化处理；

将随机生成仿真值到完成反模糊化处理的过程进行多次重复仿真，之后 输出水上交通安全风险仿真的结果。

优选地，所述仿真模型的函数为：

U为因素集，其中各个元素对应水上交通安全风险的测度指标；

V为评价矩阵，其中各个元素对应水上交通安全风险的风险等级；

W为各因素的相对权重矩阵；R＝T_R(U,V)表示U到V的模糊隶属度矩阵； T_R表示U到V的模糊映射，U中任一元素u_i到V的映射由隶属函数表 示，T_R由一组隶属函数构成。

优选地，由AHP法计算获得测度指标的主观权重，由VCM法计算获得 测度指标的客观权重；

对于主观权重及客观权重，通过2-范数组合赋权法计算获得测度指标组 合权重，作为各因素的相对权重。

优选地，对于风险因素中实测数据的参数估计，包含：

年度能见度不良的天数的随机变量服从正态分布；

大风天数的随机变量近似服从威布尔分布；

潮流流速的随机变量近似服从威布尔分布；

对经过航道的船舶进行交通流量数据统计，计算得到船长的分布，得到 船长的随机变量近似服从对数正态分布；

对航道所处水域的船舶参数进行统计，得到船长与船舶吃水的相关关系 的算式，以一次仿真得到的船长数值代入相关关系的算式计算船舶吃水的随 机数值；

已开通航道的日交通流量的随机变量近似服从正态分布；

以临近已开通航道的日交通流量的随机数值的一半，作为未开通航道的 日交通流量的随机数值。

优选地，对于风险因素中基于空间分段的参数估计，是根据任意一种分 段参数将航道区间分成连续多个航段的分段区间；进行航道长度归一化后， 生成关于该分段参数的随机数并判断该随机数落入的分段区间，将落入的分 段区间所对应的分段参数的数值，作为航道区间的数值；

其中，所述分段参数包含航道宽度、航道转向角、航道交叉角度、障航 物距离、航道水深。

优选地，根据多次重复仿真中设定次数的仿真结果，绘制各因素的序列 波动曲线，来查看各因素的仿真值在仿真过程中的波动变化，各因素值的取 值范围及变化速率；

根据多次重复仿真中设定次数的仿真结果，绘制水域交通安全仿真统计 图，查看各因素的仿真值根据各自参数的分布，以确定所处的风险水平；

根据多次重复仿真中设定次数的仿真结果，绘制风险空间分布能量图谱， 来查看不同航道位置处的风险值变化及空间分布差异。

综上所述，本发明提供的水上交通安全风险仿真方法，其优点在于：本 发明提出基于MC-FCE的水上交通安全仿真方法和流程，结合定线制水域实 例，构建基于MC-FCE的水上交通安全风险仿真模型。针对水上交通安全风 险测度涉及模糊性、随机性等多种不确定信息处理，提出融合MC与FCE方 法同时处理模糊信息和随机信息。针对传统水上交通风险评价中存在指标取 值冲突问题，提出通过随机参数的空间耦合进行化解。

附图说明

图1是MC-FCE仿真方法流程示意图；

图2是水上交通安全风险测度指标示意图；

图3是水上交通安全风险仿真流程示意图；

图4是气象水文子系统风险因素仿真值(前1000次)的示意图；

图5是自然环境子系统部分风险因素仿真值(前1000次)；

图6是交通环境子系统部分风险因素仿真值(前1000次)；

图7是定线制水域交通风险仿真值(前1000次)的示意图；

图8是定线制水域交通风险仿真值统计图(100000次仿真)；

图9是定线制水域交通风险分布图(200000次仿真)。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合上海港桥区水域通航安全风险评价的具体实施方式，进一步阐述本 发明。

1.设计水上交通安全风险仿真方法

MC仿真(蒙特卡洛仿真)方法可以较好的解决风险测度中的随机性问 题，而FCE(模糊综合评判)方法可以有效处理风险测度中的模糊性信息。 水上交通风险测度既涉及随机信息的处理，又涉及模糊信息的处理，为了同 时处理水上交通风险测度中的随机信息和模糊信息，基于MC仿真方法和 FCE仿真方法，构建水上交通安全风险MC-FCM杂合仿真方法。

MC-FCE仿真方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)确定因素集；

2)确定评价集；

3)确定因素的隶属函数；

4)确定因素指标权重；

5)对因素集中的各因素进行参数估计；

6)依据参数估计结果随机生成各因素的仿真值；

7)根据所确定的各因素的评价集、隶属函数进行单因素的模糊评判；

8)对单因素模糊评判的结果，根据4)所确定的权重进行多因素综合模 糊评判；

9)对多因素综合模糊评判结果进行反模糊化处理；

10)N次重复6)步—9)步；

11)对仿真结果进行分析和检验。

2.制定水上交通安全风险测度指标体系

测度指标体系的建立是构建测度模型的基础，测度指标的选择直接影响 测度模型的合理性和测度结果的准确性。在对水上交通安全事故进行系统梳 理和深入剖析的基础上，整理归类，最终确定如图2所示的交通安全风险测 度指标体系。

对各测度指标进行分级时的评判集为{C₁,C₂,C₃,C₄,C₅}，即I,II,III,IV和V 级，分别表示高风险、较高风险、一般风险、较低风险、低风险，各测度指 标的分级标准如下。

3.水上交通安全风险测度指标权重的确定和检验

根据AHP法、VCM法获得测度指标的主客观权重，运用2-范数组合赋 权法获得测度指标组合权重，获得权重如下：

权重确定方法 AHP主观权重 VCM客观权重 组合权重 能见度 0.160 0.148 0.146 风 0.010 0.098 0.067 流 0.041 0.098 0.072 航道弯曲程度 0.082 0.101 0.088 航道交叉状况 0.106 0.053 0.08 碍航物 0.096 0.071 0.08 2倍船长/航道宽度 0.116 0.054 0.086 航道长度 0.085 0.048 0.065 航道水深 0.114 0.085 0.096 船舶交通量 0.105 0.047 0.077 助航服务 0.086 0.197 0.144

4.制定水上交通安全风险仿真流程

水上交通安全风险仿真流程图如图3所示，步骤如下：

第一步：在水上交通安全风险识别的基础上，建立水上交通安全仿真参 数模型。

第二步：对所建立的水上交通安全风险仿真模型中的各参数进行参数估 计。

第三步：结合水上交通安全风险仿真模型参数间的逻辑关系，根据上一 步估计的参数模型，生成随机数。

第四步：根据第一步提出的模型，代入第三步生成的各随机参数值进行 子系统的风险计算和水上交通系统安全风险的计算。

第五步：对水上交通安全风险仿真的结果进行分析，并对仿真结果进行 检验。

5.建立水上交通安全风险仿真参数模型

应用模糊综合评判方法建立定线制水域交通安全风险仿真模型，该仿真 模型是关于权重矩阵、因素矩阵和评价矩阵的函数。

其中：U为因素集，V为评价矩阵，W为各因素的相对权重矩阵，R＝T_R(U,V) 表示U到V的模糊隶属度矩阵。T_R表示U到V的模糊映射，U中任一元素u_i到 V的映射可以由隶属函数表示，T_R由一组隶属函数构成。

因素集U中各元素的含义

元素 含义 单位 u₁能见度不良天数 d·a^-1u₂标准风天数 d·mo^-1u₃流速 kn u₄最大转向角 ° u₅交叉角度 ° u₆与碍航物距离 n mile u₇船长(L_vessel)/航道宽度(W_channel) 无 u₈航道长度(L_channel)/航道宽度(W_channel) 无 u₉水深(Depth)/船舶最大吃水(Draft) 无 u₁₀船舶交通量 艘·a^-1u₁₁助航服务 无

评价集V中各元素的含义如下：

元素 含义 v₁低风险 v₂较低风险 v₃一般风险 v₄较高风险 v₅高风险

6.水上交通安全风险因素概率分布参数估计

1)基于实测数据的参数估计

(1)能见度不良天数

条帚门航道水域多年平均雾日数为16.3天，年最多雾日数为29天(1967 年)。假设其年度能见度不良的天数(u₁)服从正态分布，则随机变量u₁的均 值为16.3，标准差为4.2333，即u₁～N(16.3,4.2333)。

(2)大风天数

以距离条帚门航道相对较近的嵊泗海岛气象站多年的历史统计资料对基 础数据，对各月份大风天数(u₂)进行统计和折算。

对折算后大风天数的数据进行概率分布的参数拟合，随机变量u₂近似服 从威布尔分布，即u₂～W(17.4887,5.62956)。

(3)潮流流速

对条帚门公共航道水域范围内布设5个连续大、小潮观测和虾峙门航道 口外抛泥区布置的S6站的潮流观测数据进行分布参数拟合。对流速进行概 率分布的参数识别流速(u₃)近似服从威布尔分布，即u₃～W(1.37193,2.59049)。

(4)船长

水上交通安全风险是相对的，同样的航道条件，对于不同的通航船舶而 言，水上交通安全风险也不同。对经过条帚门航道和附件虾峙门航道的船舶 进行交通流量数据统计，计算可得到船长的分布。

对通过虾峙门和条帚门航道的船舶参数进行分布拟合，船长近似服从对 数正态分布，即ln(L_{vessel_length})～N(4.52715,0.62704)。

(5)吃水

对条帚门航道所处的宁波-舟山港水域的船舶参数进行统计，计算船长、 吃水的相关系数，对于船舶吃水则以一次仿真中所生成的船长乘以相关系数 进行计算。对通过虾峙门和条帚门航道的船舶参数进行分布拟合，船长与吃 水之间存在相关关系，关系式为：Draft＝0.03286*L_{vessel_length}+1.258。

(6)船舶交通量

由于条帚门定线制航道尚未正式开通，待开通后将很大程度上缓解虾峙 门航道的压力，在本次仿真中，以虾峙门航道交通流量的0.5倍进行替代。

对虾峙门航道的日交通流量(AverageDailyTraffic)进行拟合，虾峙门航 道日交通流量近似服从正态分布，即ADT_XZM～N(135.645,29.1655²)。

将虾峙门0.5倍的船舶交通量记为条帚门航道交通量，则条帚门航道日均 交通流量也服从正态分布，即u₁₀～N(67.8225,14.5828²)。

2)基于空间分段的参数估计

(1)航道长度/航道宽度

航道内不同位置处的航道宽度、航道水深、航道弯曲程度、航道交叉角 度可能是不同的，因此，不同位置处的水上交通安全风险是不同的。在本文 的水上交通安全风险仿真中，仅考虑相对于航道起点的位置，不考虑相对于 航道中心线的位置，其中P₂到P₄段，长度为13.2nmile，即24446.4m。

设航道起点到终点的区间为[a,b]，根据不同位置航道宽度的变化，将航 道区间分成连续的航段[a,a_w(1)],[a_w(1),a_w(2)]…[a_w(m-1),a_w(m)]…[a_w(n),b]，生成[a,b]之间 的随机数，若落入区间[a_w(m-1),a_w(m)]，则此区间对应的航道宽度W_m为一次仿真 中的航道宽度W_channel取值。

对航道长度归一化后，航段分段区间为[0,0.29267]、[0.29267,0.402864]、 [0.402864,0.514468]、[0.514468,1]。随机数与航道宽度对应如下：

随机数区间 航道宽度(m) [0,0.292670) 1000 [0.292670,0.402864) 580+420*(rand()-0.29267)/0.110194 [0.402864,0.514468) 580 [0.514468,1] 800

确定航道宽度后，相应的u₇、u₈可依据以下公式来计算：

u₇＝L_vessel/W_channel，u₈＝L_channel/W_channel

(2)航道弯曲度

按照航道转向角(u₄)的不同，对航道进行分段，对航道长度归一化后， 航段分段区间为[0,0.151515]、[0.151515,0.487879]、[0.487879,0.790909]、[0.790909,1]， 对应的航道转向角分别为27°、0°、29°、0°。

随机数与航道弯曲度对应如下：

随机数区间 弯曲度(°) [0,0.151515) 27 [0.151515,0.487879) 0 [0.487879,0.790909) 29 [0.790909,1] 0

(3)航道交叉角度

在进行船舶操纵时，船舶值班人员通常需要在距航道交叉口约2海里处 开始行动，距离P4点2海里的航段判作交叉航段，交叉角67°。将P2点至 A7段以及从A7沿P2到P3方向延伸2海里的航段判作交叉航段，交叉角为 85°。随机数与航道交叉角对应如下：

表4-1航道交叉角

随机数区间 航道交叉角度(°) [0,0.241667) 67 [0.241667,0.848485) 0 [0.848485,1] 85

(4)碍航物距离

按照碍航物距离(u₆)的不同，对航道进行分段，对航道长度归一化后。 随机数与碍航物距离对应如下：

随机数区间 碍航物距离(m) [0,0.103234) [583,2828] [0.103234,0.127871) [758,980] [0.127871,0.149594) [940,980] [0.149594,0.375630) [813,1877] [0.375630,0.399743) [251,813] [0.399743,0.430275) [154,494] [0.430275,0.451070) [208,320] [0.451070,0.464694) [199,320] [0.464694,0.480425) [91,262] [0.480425,0.534317) [110,344] [0.534317,0.557818) [466,842] [0.557818,0.622095) [740,1262] [0.622095,0.671510) [606,744] [0.671510,0.692141) [677,1021] [0.692141,0.740701) [1059,1179] [0.740701,0.797832) [1161,1338] [0.797832,0.838488) [639,815] [0.838488,0.886945) [870,1111] [0.886945,0.938999) [1116,1382] [0.938999,1] [1382,2582]

(5)航道水深

条帚门水道水域宽而河床浅，水域窄而河床深。水道中部河床窄深，从 金钵盂岛至水道东部口门外共约15km范围内，水深基本大于30m，最深处 可达108m。在金钵盂岛西侧和元山岛东侧口外各存在水深浅于20m的浅滩。 金钵盂岛西侧浅滩范围较小，沿水道轴线方向长度约为2.2km。水道东侧口 外的浅滩范围较大，东西向20m等深线间距约12.5km^[145]。

根据航道水深(Draft)的变化，将航道区间分成连续的航段 [a,a_d(1)],[a_d(1),a_d(2)]…[a_d(m-1),a_d(m)]…[a_d(n),b]。随机数与航道水深对应如下：

归一化航段(随机数) 水深(m) [0,0.126482) [30,50] [0.126482,0.142292) [20,30] [0.142292,0.189723) [30,50] [0.189723,0.387352) [50,108] [0.387352,0.418972) [20,230] [0.418972,0.545455) [50,108] [0.545455,0.608696) [30,50] [0.608696,0.703557) [20,30] [0.703557,0.806324) [17.1,20] [0.806324,0.830040) [20,30] [0.830040,0.932806) [30,50] [0.932806,1.000000] [50,108]

确定航道水深后，相应的u₉可依据公式：u₉＝Depth/Draft计算。

3)基于主观数据的参数估计

在本次仿真中，将助航服务作为随机变量进行处理，参考专家建议，假 定其助航服务评分值服从均值为85，方差为10的正态分布，即u₁₁～N(85,10²)。

7.水上交通安全风险仿真结果分析与检验

1)水上交通安全风险仿真序列

对定线制水域的交通安全风险进行大量重复仿真实验，取仿真过程中的 前1000次数据，绘制各因素的序列波动曲线，如图4、图5、图6所示，对 应的风险仿真结果如图7所示。从图中可以看出，各风险因素仿真值在仿真 过程中波动变化，各因素值的取值范围，变化速率不同，交通风险仿真值随 各风险因素值得变化进行波动。

2)水上交通安全风险仿真统计

研究水域交通安全仿真统计图(100000次仿真)如图8所示。从图中， 可以直观看出，各风险因素的取值根据各自参数的分布不同，差异较大，交 通安全风险值近似成正态分布，仿真值大多处于较低风险区间和一般风险区 间。水上交通安全风险因素与仿真结果统计表如下：

类别 均值 方差 最大值 最小值 中位数 变异系数 能见度 16.3216 17.8532 34.6506 0.1479 16.3336 0.2589 大风天数 16.1564 11.0223 27.4038 2.0425 16.3714 0.2055 流速 1.2184 0.2559 3.5742 0.0137 1.1909 0.4152 弯曲度 29.0031 1333.1 85 0 0 1.2589 航道长度/航道宽度 50.319 79.3176 70.2483 40.744 50.93 0.177 碍航物距离 0.5876 0.089 1.5269 0.0492 0.5765 0.5076 船长/航道宽度 0.1352 0.0079 0.7204 0.0101 0.1119 0.6585 水深/吃水 12.4209 72.8863 64.7025 1.1658 10.0185 0.6873 助航服务 83.6134 77.0239 99.9992 40.664 84.0942 0.105 交通量 135.7146 848.6317 260.4217 10.6804 135.7889 0.2147 系统风险 1.5689 0.0707 3.0923 0.8275 1.5376 0.1694

条帚门定线制航道交通安全风险平均处于较低风险水平，最高风险处于 一般风险水平。水上交通安全风险仿真的结果低于使用组合赋权层次机构模 型的结果，这是因为MC-FCE方法解决了参数指标耦合带来的参数取值冲突 问题，比较合理的反映了航道实际交通安全状况。

3)水上交通安全风险时空分布

对研究水域的水上交通安全风险进行大量重复仿真运算，取其中2000000 次仿真的数据，绘制风险空间分布能量图谱，如图9示。从图中可以直观看 出，不同航道位置处的风险值变化明显，空间分布差异大。同一航道位置处 的风险值差异较大，这主要是由时变风险因素引起的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范 围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

综上所述，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱 离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权 利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。