大桥船撞动态风险评估系统的设计与实现.pdf

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1、第 2 3 卷 第 4 期2 0 1 3 年 4 月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol 23 No 4Apr 2 0 1 3大桥船撞动态风险评估系统的设计与实现*黄常海1胡甚平1教授高德毅1，2教授席永涛1副教授轩少永1讲师彭宇1(1 上海海事大学 商船学院，上海 2013062 上海市教育委员会 办公室，上海 200003)学科分类与代码:6203070(安全系统工程)中图分类号:X951文献标志码:A基金项目:国家自然科学基金资助(51279099);上海曙光计划(12SG40);上海海事大学校基金资助(20120057);上海海事大学研究生创新基金资

2、助(yc2012067);上海海事大学优秀博士学位论文培育项目(2013bxlp006)。【摘要】大桥船撞(SCB)风险评估与预警是预防与控制水上交通事故的重要内容之一，有助于实现桥梁安全，减少 SCB 事故的发生。在 SCB 风险因素辨识和梳理的基础上，建立 SCB 风险因素体系。然后，通过模糊推理系统(FIS)方法构建 SCB 动态风险评估模型，包括固有风险、风险上升修正因子、风险下降修正因子。再者，提出 SCB 动态风险评估系统(ASD)的设计方案，并开发评估系统。最后，以上海长江 SCB 的 ASD 为例，运用所开发的系统开展模拟试验。试验结果表明，用基于 FIS 的 ASD 能够评估

3、出 SCB 风险整体水平。【关键词】水上交通系统;大桥船撞(SCB);风险因素体系;模糊推理系统(FIS);动态风险评估系统(ASD)Design and ealization of Assessment System on Dynamic isk ofShip Collision with BridgeHUANG Chang-hai1HU Shen-ping1GAO De-yi1，2XI Yong-tao1XUAN Shao-yong1PENG Yu1(1 Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306

4、，China2 Administrative Office，Shanghai Municipal Education Commission，Shanghai 200003，China)Abstract:It was held by the authors that risk assessment and early-warning of SCB play an importantpart in prevention and control of marine traffic accident Factors affecting SCB were recognized and classi-fi

5、ed isk assessment models of SCB were built based on FIS，including an assessment model of inherentrisk，a model of risk increasing correction factor and a model of risk reducing factor A design proposal ofan assessment system of dynamic risk of SCB was formulated and the system was developed Simulated

6、experiment was conducted with the assessment system of dynamic risk of ship collision with Shanghai Yan-gtze river bridge The experiment shows that with the ASD based on FIS the whole risk situation of SCBcan be assessdKey words:marine traffic system;ship collision with bridge(SCB);risk factor syste

7、m;fuzzy inference system(FIS);assessment system on dynamic risk(ASD)*文章编号:1003 3033(2013)04 0120 07;收稿日期:2013 02 24;修稿日期:2013 03 290引言我国江河众多，跨河桥梁建设方兴未艾，然而船舶撞桥事故屡屡发生。据统计，1960 年以来，我国已发生内河船舶撞桥事故 300 余起1。大桥船撞(SCB，Ship Collision with Bridge)事故不仅会造成船、桥损伤，也可导致人员伤亡和环境污染。因此，大桥的防船撞设计和防船撞性能受到重视。国内外学者从不同的视角对大桥防

8、船撞问题进行研究，如耿波2、秦进3、黎军4 等探讨桥梁防船撞方案设计;姜华5、吴永固6、陈云鹤7 等从数值模拟的角度研究大桥的防船撞性能。以上研究主要集中在对大桥防撞设施的研究上，及对桥梁船撞风险的静态评估上，文献 2 4 是从降低事故后果的角度试图降低大桥船撞风险，文献 5 7 重在分析大桥(防)船撞风险的现状，均不能对大桥的船撞风险进行动态跟踪和预警。徐海祥等8 提出船 桥避碰监测预警系统，利用视频处理技术自动检测运动船舶目标，进行船 桥碰撞风险预测，但该系统在碰撞风险预测中并未考虑动态变化的航行环境因素和管理因素。为有效避免船舶撞桥事故的发生，由事故学习向事前预防的管理模式转变，提出大桥

9、主动防撞管理方案。大桥主动防撞管理，首先完成对大桥船撞动态风险的评估，识别对大桥威胁较大的船舶，识别大桥所处的船撞高风险状态，即对大桥船撞动态风险进行实时评估，并进行预警信号发布。根据预警信号的不同，响应不同级别的管理。笔者将在大桥船撞风险因素辨识和梳理的基础上，建立大桥船撞风险因素体系。然后，构建大桥船撞动态风险评估模型，包括基于模糊推理系统(FIS，Fuzzy Inference System)方法构建固有风险评估模型以及建立风险上升修正因子模型、风险下降修正因子模型。提出大桥船撞动态风险评估系统(ASD，Assessment System on Dynamic isk)的设计方案并进行评

10、估系统的开发。以上海长江大桥船撞 ASD为例，运用所开发的系统开展模拟试验。1大桥船撞风险因素的辨识大桥船撞风险具有系统性、动态性和非恒常性。大桥船撞风险系统构成因素也具有实时变化的特点，可以根据风险分析的要求确立系统风险分析对象。因而，大桥船撞风险分析实质上是对动态风险的系统分析。当然，其系统风险因素是有动态表征和可采集性选择的特征。所谓动态性表征因素，是指大桥区域实时变化的因素，包括船舶信息、船员信息、水域气象水文信息和相关管理因素信息。虽然桥梁本身因素也是造成大桥船撞风险来源的因素，但因其在相当长的一段时期内是相对固定的，因此不纳入动态信息的范畴。所谓可采集性，是指在动态环境下可通过相关

11、监控设备或现场报告采集到的信息，如可采集到的船舶信息、气象水文信息、相关管理因素信息等，这些因素如图 1 所示。图 1大桥船撞风险因素Fig 1isk factors of SCB图 1 中所采集的因素包含了 2 个层次，第 1 层次的危险源和第 2 层次的危险源。第 1 层次的危险源主要包括人为的因素、船舶因素和环境因素9。第 2 层次的危险源主要包括管理因素，管理因素主要包括政府管理、大桥业主及管理单位的管理和海事管理 3 个方面。2大桥船撞动态风险评估模型2 1基于模糊推理的固有风险评估模型211模糊推理系统模糊推理是一种仿生行为的近似推理方法，主要用来解决带有模糊现象的复杂推理问题。由

12、于模糊现象普遍存在，因此，模糊推理系统被广泛使用。121第 4 期黄常海等:大桥船撞动态风险评估系统的设计与实现目前，已经在自动控制，数据处理、决策分析及模式识别等领域得到成功应用。从功能上来看，模糊推理系统主要由模糊化、模糊规则库、模糊推理方法及去模糊化几部分组成10。考虑到桥区水域船舶交通系统是由人、机、环、管组成的多因素复杂大系统，各种要素对桥区水域船舶交通安全的影响，各要素之间的关系，都是无法完全精确量化的，同时为了能够实现动态评估，采用模糊推理的方法，用 FIS 实现对大桥船撞风险的定量化评估。212基于模糊推理的大桥船撞固有风险评估模型在不影响评估结果的基础上，结合专家建议选取其中

13、比较适用、较容易判别的评估指标用于建立基于 FIS 的大桥船撞风险(固有风险)评估模型和大桥船撞实时风险修正模型。基于 FIS 的大桥船撞固有风险评估的逻辑模型如图 2 所示。大桥船撞固有风险(I)评估模型包括船舶动态参数、桥梁影响因子、自然环境、交通环境等风险评估子系统。图 2基于 FIS 的大桥船撞固有风险评估的逻辑模型Fig 2Logic model of assessment on inherent risk of SCB based on FIS2 2大桥船撞风险修正模型221风险下降修正因子模型大桥防船撞装置的设置、为确保大桥安全而采取的各种管理措施和管理行为可有效降低大桥船撞风险

14、。以上因素在模型中为布尔型参数(即“有”或“无”)，对有助于大桥船撞风险降低的因素进行求和后，乘以风险下降率因子()，即得出风险下降修正因子 f。一般 取值为 0，0.2，文中取值为 0.05。图 3风险下降修正因子模型Fig 3isk reducing correction factor model222风险上升修正因子模型异常船舶的出现、各种助航和应急设施的不完善、相关法规制度的不完善都会使大桥船撞风险上图 4风险上升修正因子模型Fig 4isk increasing correction factor model升。为“非”运算，即输入为 0，则输出为 1，反之亦然;为“或”运算，即只要

15、不是所有的输入均为0，则输出为 1。对各因素值进行布尔运算后算术求和，乘以风险上升率因子(I)，即得出风险上升修正因子 fI。一般 I取值为 0，0.2，文中取值为 0.05。223大桥船撞风险实时修正模型大桥船撞实时风险修正模型是在大桥固有风险评估的基础上，依据监管和通信设备、监管措施的实221中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第23卷2013年施对大桥固有风险作出的实时修正。根据风险上升修正因子 fI和风险下降修正因子 f对大桥船撞固有风险进行实时修正，得到大桥船撞动态(实时)风险评估值 D。D=I(1+fI f)图 5大桥船撞风险评估实时修正模型Fig 5

16、ealtime revised risk assessment model of SCB3大桥船撞 ASD 设计3 1ASD 的数据采集与录入船长、船宽、吃水、船舶类型、船速、国际海事组织(IMO，International Maritime Organization)号码、海上移动通信业务标识(MMSI，Maritime Mobile Serv-ice Identity)、航向等信息可直接从接收的船舶自动识别系统(AIS，Automatic Identification System)信息中提取。水深、风力等级、风向、流速、流向、能见度等信息，可以通过布设气象、水文传感器，或者接入气 象 信

17、 息 系 统(WIS，WorldMeteorologicalOrganization Information System)，以及必要时借助甚高频(VHF，Very High Frequency)通信系统询问现场船员等手段进行采集。在劳氏数据库中，可通过IMO/MMSI 关联对应的船舶，获取相应的船舶吨位、建造时间、船高等信息。根据 AIS 信息中的航向、吃水信息和通过气象水文传感器(WIS/VHF)采集的风向、流向、水深信息可推断出风弦角、流弦角、富余水深等信息。根据AIS 中获得的船宽、劳氏数据库中提取的船高数据以及已知的通航孔宽度、通航净空高度等数据，可推出富余宽度、富裕高度信息。助航设

18、施、失控船舶、走锚船舶、断缆船舶、与防范船舶的沟通确认、现场执法监管情况、大桥与运营方(业主)运营监管情况的信息，可通过VHF 报告、询问、船舶交通管理系统(VTS，VesselTraffic Services)观 测、闭 路 电 视(CCTV，ClosedCircuit Television)观测等手段获得，并将数据手动录入系统中。大桥船撞动态风险评估系统的数据源如图 6 所示。图 6大桥船撞 ASD 数据采集Fig 6Data collection of ASD of SCB3 2ASD 的功能设计大桥船撞 ASD 由信息采集与录入模块、风险评估模块、风险预警模块、交通流信息处理模块构成，

19、如图 7 所示。图 7大桥船撞 ASD 功能设计Fig 7Functional design of ASD of SCB1)信息采集与录入模块:主要是人机因素、桥321第 4 期黄常海等:大桥船撞动态风险评估系统的设计与实现梁因素和环境因素的采集及管理措施的录入。2)风险评估模块:主要根据采集和录入的风险因素数据，利用 FIS 的推理，完成各级子系统的风险推理。由子系统风险推理与结果显示、风险波动曲线实时绘制、船撞风险实时评估与显示模块组成。其中，子系统风险推理与结果显示完成各级子系统的风险推理和结果显示;船撞风险实时评估与显示对大桥船撞固有风险进行实时推理，并根据监管信息对推理结果进行修正;

20、风险波动曲线实时绘制完成各 FIS 和大桥船撞风险评估结果。3)风险预警模块:由风险因素判别模块、子系统风险推理结果判别及视觉预警模块、动态风险评估结果判别及视觉预警模块构成。其中，风险因素判别模块完成对实时采集的动态风险因素信息以及静态风险因素信息的阈值判别，并在显示区对超过设定阈值的高风险因素信息，以红色字体显示的方式进行视觉预警;子系统风险推理结果判别及视觉预警模块，完成对各子系统推理结果阈值的判别，并在显示区以红色、橙色、黄色背景的显示方式进行视觉预警;实时风险评估结果判别及视觉预警模块，完成对系统评估结果阈值的判别，并在显示区以红色、橙色、黄色、绿色背景的显示方式进行视觉预警。4)交

21、通流信息处理模块:主要由桥区船舶动态显示模块、跟踪区交通流密度计算模块、危险区和预警区船舶识别模块构成。其中，桥区船舶动态显示上海长江大桥和桥区船舶的情况;跟踪区交通流密度计算模块，实现该区的设定和显示，以及该区船舶的统计和处理;危险区和预警区船舶识别，实现 2 区的设定和显示，以及 2 区船舶的统计和处理，并对船舶进行强制红色预警。根据大桥总风险评估值与阈值，显示不同颜色的风险级别，每个级别需执行相应的风险预警措施。总的风险评估值与阈值和相应的风险预警措施见表 1。表 1总风险评估值与响应措施Table 1Total risk assessment value response measur

22、es序号 风险评估值 风险级别 管理措施响应模式1 0 40)低风险常态管理无响应2 40 85)中风险预警管理 40 55)蓝色预警 55 70)黄色预警 70 85)橙色预警3 85 100 高风险应急管理红色预警3 3ASD 的工作流程系统的工作流程如图 8 所示。系统在启动以后随时检测监管设备和监管措施的变更信息，如果没有检测到监管信息的变化，则周期性地执行信息采集的任务。系统将采集到的信息传入风险评估模块，借助已实现的固有风险评估模型，完成大桥船撞固有风险的评估。随后，进入风险修正模块，实时获取监管信息，完成固有风险各推理子系统和风险评估结果在系统界面上的显示，同时在界面上绘制系统风

23、险评估值波动曲线。接着进入风险预警模块，根据不同的风险评估值，完成大桥船撞处于高风险状态时的视觉预警。图 8大桥船撞 ASD 的工作流程Fig 8Work procedure of ASD of SCB4大桥船撞 ASD 的实现与模拟试验以上海长江大桥船撞动态风险评估系统为例，介绍系统实现与模拟试验。4 1上海长江大桥船撞风险监测区域的划分依据桥梁被船舶撞击的危险性，将监控区域划分为通航区、危险区、警告区和跟踪监测区。主通航区依据航道部门布设的航标灯的位置划分为宽为292.5 m 的上、下行航道，航道中心分别位于大桥主跨中。主跨 2 个侧各有跨径为 258 m 的桥跨，两侧通航孔宽 146 m

24、，航道中心分别位于主跨中心两侧各 494 m11。桥墩附近的危险区域、警告区域与通航区以外的区域共同构成限制通航区，依据离桥墩的距离分为 200 m 以内的危险区域、400 m 的警告区域和 2 000 m 以内的跟踪监测区域。不同预警区域的划分如图 9 所示。421中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第23卷2013年图 9上海长江大桥监管区域划分Fig 9Supervision area partition of Shanghai Yangtze river bridge4 2系统实现与模拟试验421系统的实现1)在 Matlab 7.0 平台上按图 2 的逻

25、辑模型实现各级模糊推理系统9，12 13，对每个子系统确定输入、输出变量的语言值及其隶属函数，确定模糊规则和各模糊运算方法。2)在 SQL Server 平 台 上 完 成 数 据 库 的 开发14，及相应数据的录入。3)在 Visual C+6.0 平台上完成系统的界面设计，基于 MAPX 控件完成电子海图的显示与交互12，15，通过 engine 接口完成 VC 与 Matlab 的混合编程以便实时调用 Matlab 平台下的各模糊推理系统12，16，开发串口信息采集模块，完成对部分信息的实时接收，利用 ActiveX 数据对象(ADO，ActiveXData Object)技术技术访问

26、SQL Server 平台下已开发的数据库11，14，完成数据交互。开发后的系统界面如图 10 所示。图10大桥船撞 ASD 运行图(自然环境较恶劣、监管正常)Fig 10Snapshot of ASD of SCB422模拟试验运行“上海长江大桥船撞动态风险评估与预警系统”，进行大桥船撞动态(实时)风险评估与预警模拟试验。在气象条件较恶劣，船舶尺寸较大，现场有执法人员监管，大桥运营方正常监管情况下，大桥船撞风险处于中等风险水平，风险评估值为 45(蓝色预警管理)，如图 10 所示。从图 10 中可以看出，系统可完成对高风险因素的判别和各子模糊推理系统的风险推理，通过右下角的监管信息等信息的交

27、互完成对系统动态(实时)风险的修正。系统可实时绘制大桥船撞风险的波动曲线，实时显示评估结果，并可根据评估结果发布相应的预警信号。5结论1)提出基于动态风险的大桥船撞评估系统。该评估系统较全面辨识大桥船撞风险因素的特征，首先，大桥船撞风险具有非恒常性，其次，大桥船撞风险影响因子采集的信息具有实时动态性。基于2 类动态信息建立风险评估系统，可以用于预警管理。2)建立基于 FIS 的大桥船撞风险评估模型。提出基于动态风险因子和静态风险因子的大桥船撞固有风险模型，针对不同的安全监管信息及相关设施设备的配置，构建风险上升修正因子模型和风险下降修正因子模型等修正大桥船撞动态风险评估结果。3)开发大桥船撞

28、ASD，实现大桥船撞 ASD的数据采集与录入、功能设计和工作流程，经上海长江大桥的应用试验，能够合理地评估出大桥船撞风险整体水平。大桥船撞 ASD 的实现与模拟试验表明系统具有很大的应用潜力。系统指标选取的合理性，系统运行的可靠性有待在实际应用中进一步发现和完善。521第 4 期黄常海等:大桥船撞动态风险评估系统的设计与实现参 考 文 献 1谭志荣 长江干线船撞桥事件机理及风险评估方法集成研究 D 武汉:武汉理工大学，2011TAN Zhi-rong Emergency Mechanism and Integration Methods of isk Assessment for Ship-B

29、ridge Collision in the Yan-gtze iver D Wuhan:Wuhan University of Technology，2011 2耿波，王君杰，汪宏，等 桥梁船撞风险评估系统总体研究 J 土木工程学报，2007，40(5):34 40GENG Bo，WANG Jun-jie，WANG Hong，et al isk assessment system for bridges against vessel impactsJ ChinaCivil Engineering Journal，2007，40(5):34 40 3秦进，魏东海 浅谈内河通航桥梁桥墩防撞设计

30、J 北方交通，2011，1(7):33 36QIN Jin，WEI Dong-hai Brief discussion on anti-collision design of piers of navigable bridges in inland rivers J North-ern Communi Cations，2011，1(7):33 36 4黎军，卢绍鸿 广东省下芦桥桥墩受撞分析及加固方案设计 C 中国公路学会桥梁和结构工程学会 2001 年桥梁学术研讨会论文集，2001:769 774LI Jun，LU Shao-hong Analysis of stroked pier stre

31、ngthening scheme for Xialu bridge in Guangdong provinceC Proceedings of 2001 China Highway and Transportation Society Conference on oad Bridge，2001:769 774 5姜华，王君杰 船舶撞击桥梁仿真模拟研究现状与展望 J 世界桥梁，2011(5):56 60JIANG Hua，WANG Jun-jie Present status and prospect of simulation study of vessel colliding against

32、 bridge J WorldBridges，2011(5):56 60 6吴永固，耿波，汪宏 桥梁船撞动力有限元数值模拟分析 J 重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29(5):681 684WU Yong-gu，GENG Bo，WANG Hong Dynamic finite element numerical simulation of vessel-bridge collisionJ Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(5):681 684 7陈云鹤，朱应欣，吴广怀 拖带船队撞击钢围堰防撞

33、墩的数值模拟分析 J 现代交通技术，2011，8(1):20 23CHEN Yun-he，ZHU Ying-xin，WU Guang-huai Numerical simulation for the towing fleet impact on anti-collision pier ofsteel cofferdam J Morden Transpotation Technology，2011，8(1):20 23 8徐海祥，吴卫国，余晋刚，等 船 桥避碰监测预警系统研究 J 中国安全科学学报，2011，21(7):151 156XU Hai-xiang，WU Wei-guo，YU Jin

34、-gang，et al Study on ship-bridge collision avoidence systemJ China SafetyScience Journal，2011，21(7):151 156 9黄常海，胡甚平，郝严斌，等 单船动态风险评估模糊推理系统的设计与模拟 J 中国航海，2011，34(2):68 73HUANG Chang-hai，HU Shen-ping，HAO Yan-bin，et al Design and simulation of real-time dynamic risk assessmentsystem for single ship based

35、 on FIS algorithm J Navigation of China，2011，34(2):68 73 10 潘正华 模糊推理算法的数学原理 J 计算机研究与发展，2008，45(S1):165 168PAN Zheng-hua Mathematical principle of the algorithms of fuzzy reasoningJ Journal of Computer esearch andDevelopment，2008，45(S1):165 168 11 邵长宇，黄少文，卢永成 上海长江大桥总体设计与构思 J 世界桥梁，2009(S1):6 9，26SHAO

36、Chang-yu，HUANG Shao-wen，LU Yong-cheng Overall design and design consideration of Shanghai Changjiangriver bridge J World Bridges，2009(S1):6 9，26 12 黄常海 基于 VC 与 MATLAB 的船舶航行动态风险推理系统研究 D 上海:上海海事大学，2011HUANG Chang-hai Study on Vessel Navigation Dynamic isk easoning System Based on VC MATLAB D Shang-hai

37、:Shanghai Maritime University，2011 13 石辛民，郝整清 模糊控制及其 MATLAB 仿真 M 北京:清华大学出版社，2008:149 189SHI Xin-min，HAO Zheng-qing Fuzzy Control and Its Simulation with MATLABM Beijing:Tsinghua UniversityPress，2008:149 189 14 桂思强 数据库基础与实践 基于 SQL Server2005 M 北京:清华大学出版社，2007:311 319GUI Si-qiang Fundamentals and Prac

38、tice of Database Based on SQL Server 2005 M Beijing:Tsinghua UniversityPress，2007:311 319 15 尹旭日，张武军 Visual C+环境下 MapX 的开发技术 M 北京:冶金工业出版社，2009:95 111YIN Xu-ri，ZHANG Wu-jun Development Technology of MapX under Visual C+Environment M Beijing:Metallur-gical Industry Press，2009:95 111 16 刘维 精通 Matlab 与 C/C+混合程序设计 M 北京:北京航空航天大学出版社，2012:220 229LIU Wei Proficient in Hybrid Program Design of Matlab and C/C+M Beijing:Beihang University Press，2012:220 229作者简介:黄常海(1987 )，男，山东滕州人，博士研究生，研究方向为水上交通安全管理、海上搜救无线传感网等。E-mail:changhai406126 com621中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第23卷2013年