基于蒙特卡洛方法的船舶擱淺預(yù)警

1、受理部門：研究生院（籌）受理編號武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項目申 請 書項目類型： 在校研究生創(chuàng)新研究項目 項目子類：1.優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育項目;2.研究生國際學(xué)術(shù)交流預(yù)研項目;3.研究生自由探索創(chuàng)新項目（理工科、其他學(xué)科）。項目名稱： 港口水域通航環(huán)境系統(tǒng)安全模態(tài)研究 申 請 人： 楊君蘭 移動電話：電子郵箱： jil4 所屬單位： 武漢理工大學(xué)航運學(xué)院 申請日期： 2011 年 2 月 27 日 武漢理工大學(xué)二O一一年一月填 表 說 明一、填寫本表前，請認真閱讀武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金管理暫行辦法和武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金在校研究生創(chuàng)新研究項目實施細則

2、。申請書各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。二、學(xué)科名稱與代碼：申報學(xué)科代碼請參照學(xué)科分類與代碼（GB/T13745-92）填寫，須填寫至二級學(xué)科代碼及名稱,交叉學(xué)科需填寫兩個學(xué)科代碼及名稱。三、起止時間：研究項目起始時間從申報年的當(dāng)年1月1日算起，項目研究周期一般為1，最長不超過2年。封面上受理編號請不要填寫，由學(xué)校統(tǒng)一填寫。四、研究屬性：分為基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)研究、共性關(guān)鍵技術(shù)、學(xué)科交叉與集成、其他。五、申請書中創(chuàng)新點應(yīng)明確，研究重點應(yīng)突出，文字應(yīng)簡明扼要；技術(shù)路線應(yīng)切實可行；介紹研究基礎(chǔ)和條件應(yīng)實事求是，不得弄虛作假；經(jīng)費預(yù)算根據(jù)充分，支出合理，符合有關(guān)文件規(guī)定。六、申請書為A4開本

3、，于左側(cè)裝訂成冊，雙面打印，一式二份（至少一份為原件），由所在院系審查簽署意見并簽章后，統(tǒng)一報送研究生院（籌），申請人單獨申報項目不受理。七、請嚴格按照要求填寫申請書，形式審查不合格項目申請視為無效申請。一、基本信息 申請人信息姓名楊君蘭性別女出生年月1985.06民族漢族現(xiàn)就讀學(xué)院（中心、所）航運學(xué)院研究生類別博士在讀入學(xué)年月碩士在讀入學(xué)年月2010.09現(xiàn)就讀專業(yè)交通信息工程及控制主要研究方向交通環(huán)境與安全保障研究生導(dǎo)師姓名文元橋主要研究方向交通信息工程及控制本人聯(lián)系電子郵箱jil4個人簡歷（自大學(xué)填起）起止年月學(xué)習(xí)（或工作）單位、畢業(yè)專業(yè)、獲學(xué)位類別、任何職務(wù)2

4、005.092009.62010.9至今武漢理工大學(xué)航運學(xué)院海事管理專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位武漢理工大學(xué)航運學(xué)院碩士研究生，專業(yè)為交通信息工程及控制項目負責(zé)人主持或參與的科研項目清單項目編號項目來源項目名稱本人排位承擔(dān)的工作批準經(jīng)費起止年月項目信息名稱中文基于蒙特卡洛方法的船舶擱淺預(yù)警英文二級學(xué)科代碼158040二級學(xué)科代碼2二級學(xué)科名稱1水陸運輸二級學(xué)科名稱2申請經(jīng)費5萬元 3萬元1萬元 0.5萬元起止年月2011年 1月 2012年 1月研究屬性應(yīng)用研究項目概況中文摘要（限200字）隨著水上交通運輸?shù)陌l(fā)展，水上交通事故的數(shù)量也在不斷增長，作為船舶擱淺作為發(fā)生率僅次于碰撞的事故，對它的研究相對碰

5、撞卻少得多。本項目旨在研究單船的擱淺概率，根據(jù)船舶航行的特點綜合水路交通信息，運用蒙特卡洛方法計算船舶在航道內(nèi)的擱淺概率，并對不安全狀態(tài)提出預(yù)警。英文摘要（限400字）With the development of waterborne transportation, the number of accidents within waterway keeps increasing. However, grounding as the most likely happened accidents only next to ship collision, the research related

6、is far less than grounding. The project, focusing on the grounding of single ship, calculate the probability of grounding of one ship with monte carlo based on the transport information and proposed warning on unsafe state.創(chuàng)新點（限50字）提供了一種用于計算單船在航道內(nèi)擱淺的方法擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題（限100字）在構(gòu)建船舶擱淺預(yù)警平臺時相關(guān)參數(shù)的獲取及處理運用蒙特卡洛方

7、法計算船舶擱淺概率預(yù)期成果（含擬實現(xiàn)目標等）（限50字）在預(yù)期內(nèi)完成本項目研究內(nèi)容；在該研究成果的基礎(chǔ)上，為申請國家級、省部級基金項目作鋪墊。二、項目組主要成員（注：項目組主要成員包括項目申請人）序號姓 名出生年月性別現(xiàn)就讀單位學(xué)習(xí)層次（碩士或博士在讀）學(xué)習(xí)專業(yè)研究方向項目分工年投入時間（月）簽名12345總?cè)藬?shù)博士生數(shù)碩士生數(shù)三、經(jīng)費申請表(單位:萬元)科目申請經(jīng)費備注（計算依據(jù)與說明）1.科研業(yè)務(wù)費1.0（1）測試/計算/分析費0.1數(shù)據(jù)處理分析費用開支（2）能源/動力費0.0（3）會議費/差旅費0.4項目調(diào)研差旅；學(xué)術(shù)會議1-2次開支；（4）出版物/文獻/信息傳播費0.5研究成果、發(fā)表論

8、文等相關(guān)版面費及相關(guān)書籍和文獻資料購置（5）其它0.02.實驗材料費0.03.儀器設(shè)備費0.04.國際合作與交流費0.05.勞務(wù)費0.0合 計1.0四、報告正文（一）立項依據(jù)（項目的研究意義、科學(xué)依據(jù)、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢分析、科學(xué)/技術(shù)意義，并附主要參考文獻目錄。）1.項目研究目的及意義1967年3月18日利比亞11.8萬噸的油輪“TORREY CANYON”號于英吉利海峽七石礁附近觸礁沉沒，10天之內(nèi)其原油除小部分在轟炸沉船時燒掉外，其余皆流在海上，大面積洋面及海岸被污染，單為處理污染就動用了42艘機動船和1400多人，消耗清潔劑達10萬噸之多。1978年23萬噸級的利比里亞籍“AMOCO

9、CADIZ”號在法國布里塔尼海域因舵機損壞導(dǎo)致船舶觸礁，船體斷裂流出原油22萬噸，污染法國沿岸250公里，直接經(jīng)濟損失達3億美元。1989年3月24日ExxonValdez號油輪在阿拉斯加威廉王子港觸礁，造成溢油1100萬加侖，僅清理污染的費用就高達22億美元。盡管各國的統(tǒng)計標準不同，但是從世界各國對海事的統(tǒng)計資料可知，擱淺事故在海事中占有的比例與船舶碰撞事故相當(dāng)。船舶擱淺是僅次于船舶碰撞之后第二高發(fā)的海事。但就事故需救助率來說，擱淺則是第一位的。船舶擱淺的海區(qū), 絕大多數(shù)都在港灣航道附近。由于海運事業(yè)的迅速發(fā)展，船舶的數(shù)量激增，每天進出港口的船舶十分頻繁，一旦有船舶擱淺就會直接影響海上交通及

10、船舶的周轉(zhuǎn)。特別是大型油輪若發(fā)生擱淺或觸礁造成原油外泄則不僅造成船主和貨主的損失, 還會導(dǎo)致大面積的海域污染，造成公害。如何預(yù)防擱淺事故的發(fā)生以及船舶擱淺事故發(fā)生后采取的措施已成為航海界的重要議題。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展及進出口貿(mào)易的進一步增加，海上交通運輸日益繁忙。船舶大型化，高速化在加速船舶周轉(zhuǎn)的同時，也使航道的擁擠程度激增，尤其是大型油輪的大量投入營運，使船舶擱淺觸礁的性質(zhì)起了非常顯著的變化。因為大型油輪的擱淺觸礁往往意味著巨大的經(jīng)濟損失和海上巨額保險金的支付以及對海洋生態(tài)環(huán)境的巨大損害，不但危及我們的現(xiàn)時生存環(huán)境，甚至若干年都無法恢復(fù)到原來的狀態(tài)。因此，預(yù)防船舶擱淺事故的發(fā)生具有重大的意義

11、?，F(xiàn)有船舶擱淺的研究大多是從宏觀上針對航道內(nèi)所有航行船舶擱淺概率的研究，該做法可以反映出某一水域的航道條件，即該水域環(huán)境是否存在較大的擱淺風(fēng)險如存在較多的水底礙航物或該水域水深較淺深吃水船易發(fā)生擱淺，但是對于單一船舶而言，如果擱淺沒有發(fā)生它的擱淺風(fēng)險就是0，一旦發(fā)生就是百分之百，所以研究單個船只的行船安全就需要考慮單船的擱淺風(fēng)險，但目前針對單艘船舶在某一特定水域的擱淺預(yù)警研究較少。本項目從微觀入手，運用蒙特卡洛方法計算出單船在某一特定水域的擱淺風(fēng)險。項目的研究具有較高的理論意義和實際意義，具體體現(xiàn)在：1）項目的理論意義項目在計算單個船舶擱淺概率時采用了蒙特卡洛方法，為研究船舶擱淺事故的預(yù)測提供

12、了一種新的研究思路和研究手段。2）項目的實際意義運用蒙特卡洛方法計算船舶擱淺的概率，根據(jù)得出的風(fēng)險大小采取合理可行的船舶操縱措施來防止擱淺事故的發(fā)生，可以極大地降低船舶擱淺事故的發(fā)生率，提高船舶航行的安全性。此項目的研究成果可以運用于實際的航行過程中，為水上交通安全提供可靠地理論和技術(shù)保障。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析船舶擱淺領(lǐng)域的研究可以追溯到上世紀50年代末期, 開創(chuàng)性的工作是Min -orsky在1959年發(fā)表的研究論文,其工業(yè)背景是配合核動力船的研制, 防止在擱淺或碰撞事故中受到嚴重損傷而發(fā)生核泄露。1967年Torry Canyon 號油船的擱淺事故促使政府間海事協(xié)商組織(IMCO)于1

13、973年發(fā)表了MARPOL公約。1973 1977年期間多起嚴重污染事件推動了1978年的MARPOL會談紀要(MARPOL73 /78) 的產(chǎn)生。美國國會于1990年通過了油污染法(OPA90),要求所有進入美國水域的油船必須是雙殼結(jié)構(gòu)。國際海事組織(IMO)也于1992年公布了油船新規(guī)范。進入上世紀90年代,日本資助了一個長達7年的旨在防止油船漏油的研究計劃,它分為兩個階段:油船結(jié)構(gòu)失效和漏油的預(yù)報方法(19911995),以及耐撞性新結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展(19951997),采用實尺度船舶試驗和基于顯示有限元法的數(shù)值模擬系統(tǒng)進行研究。挪威船級社(DNV)開展了一個三年計劃(1991 1993)

14、,建立了計算油船在擱淺和碰撞中漏油的概率模型。麻省理工學(xué)院(MIT) 開展了一個研究油船安全性的聯(lián)合計劃(19921995),建立了船舶擱淺時構(gòu)件的失效模式,并推出了實用計算程序DAMAGE。1995年Sea Prince 號超大型油輪在惡劣氣候中擱淺,雖然該油輪被成功浮起,但卻在拖航中沉沒。國際上對船舶擱淺問題研究的深度和廣度遠遠小于船舶碰撞問題。由于研究經(jīng)費和研究手段的限制, 國內(nèi)對船舶擱淺方面的研究工作比較稀缺,在船舶擱淺預(yù)警方面的研究更是稀少。當(dāng)前對船舶擱淺預(yù)警/預(yù)測的研究有兩個方向：一是從宏觀上考慮航道內(nèi)所有船舶的擱淺風(fēng)險，另一個是從微觀角度考慮單個船舶在航道內(nèi)某特定水域的擱淺概率。

15、在宏觀上，船舶擱淺概率的研究都主要是基于Fujii的幾何擱淺概率展開得出了許多用于計算船舶擱淺概率的數(shù)學(xué)模型，如Pedersen模型、Karlsson模型、Otto模型等，目前在計算船舶擱淺概率上使用最多的是Pedersen模型，Peder- sen將船舶擱淺劃分為四種類型，得出船舶擱淺的概率為船舶的航跡分布在失效路徑上的積分與致因因子的乘積。隨后的計算船舶擱淺的概率模型都是在此模型基礎(chǔ)上進行的改進。而在研究單艘船舶的擱淺概率方向，主要有基于模糊評判的方法，即根據(jù)對船舶擱淺影響的大小將影響船舶擱淺的因素劃分成不同級別的評價指標，然后根據(jù)評價指標的權(quán)重確定模糊評價矩陣，根據(jù)最大隸屬度法,將最大評

16、判指數(shù)max () 對應(yīng)的備擇集元素作為評判結(jié)果得出船舶的安全狀態(tài)。以及在經(jīng)典概率基礎(chǔ)上發(fā)展起來的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)( BN )包括2部分, 即由變量(節(jié)點)及連接它們之間的有向弧組成的有向無環(huán)圖( DAG )及表示每個變量和它的所有父代關(guān)系的條件概率表( CPT)組成。通過圖形表達不確定性知識。BN是利用主觀判斷和直覺修改并豐富客觀的采樣信息。先利用經(jīng)典統(tǒng)計理論采集數(shù)據(jù)(先驗概率) ,再利用貝葉斯公式或其他方式獲得新的附加信息, 進行修正后得到新的數(shù)據(jù)(后驗概率)。在研究船舶擱淺概率時，首先由故障樹分析出導(dǎo)致擱淺發(fā)生的各種因素導(dǎo)出船舶擱淺的各個節(jié)點，然后由各節(jié)點的實效概率值組合得到船

17、舶擱淺的概率。從以上分析可以看出，船舶擱淺發(fā)生頻率僅次于船舶碰撞的事故，但對它的研究卻遠遠少于對船舶碰撞，國內(nèi)對它的研究更是稀少。且大多集中在宏觀上，即研究某一航道內(nèi)船舶的擱淺概率。而研究單艘船舶擱淺概率時，從現(xiàn)有的方法來看，它充分考慮到了人的因素，運用模糊評判法或者事故樹貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對于研究船舶擱淺中人的因素比較有利，但作為船舶擱淺的預(yù)警，顯得不夠直觀，而且船舶在水上航行可能會遇到各種情況，上述方法顯得不夠靈活。參考文獻：1 Jutta Ylitalo. Modeling Marine Accident Frequency.2433.2 Arsham Mazaheri. PROBABILIST

18、IC MODELING OF SHIP GROUNDING.3 Fujii, Y., et al., Some Factors Affecting the Frequency of Accidents in Marine Traffic: I- The Diameter of Evasion for Crossing Encounters, II- The probability of Stranding, III- The Effect of Darkness of the Probability of Collision and Stranding. Journal of Navigati

19、on, 1974. 27(2): 239247.4 胡中凱,尹群,劉海燕.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對船舶擱淺概率的研究. 艦船科學(xué)技術(shù).2010(2):2431.5 陳剛,張圣坤.船舶擱淺概率的模糊事件樹分析.上海交通大學(xué)學(xué)報.2002(1):112115.6 胡中凱,尹群,張健,李良碧.基于模糊綜合評判的近海航道船舶擱淺定量風(fēng)險研究.船海工程.2010(1):159165.（二）研究內(nèi)容及研究目標1研究內(nèi)容、研究目標，擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。本項目旨在通過運用蒙特卡洛方法計算單艘船舶擱淺的概率，對不安全的航行進行預(yù)警，提高船舶航行的安全性。本項目的主要研究內(nèi)容包括：1）船舶擱淺預(yù)警平臺的構(gòu)建根據(jù)

20、船舶在航道內(nèi)航行的特點，探討現(xiàn)有各種水上信息采集技術(shù)的優(yōu)劣，選擇合適的信息采集技術(shù)獲取與船舶擱淺相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)信息如船舶吃水，航道水深等，為船舶擱淺預(yù)警提供所需的本船和航道通航環(huán)境信息2）建立預(yù)警機制通過研究船舶在水上航行的特點，建立基于最小安全水深的安全模型，結(jié)合船舶擱淺預(yù)警系統(tǒng)的功能要求，定義船舶防擱淺預(yù)警系統(tǒng)的安全報警級別。3）基于蒙特卡洛方法的擱淺概率計算簡要介紹蒙特卡洛方法，將蒙特卡洛方法運用于船舶擱淺概率的計算。本項目的研究目標為：本項目的研究目標主要就是運用蒙特卡洛方法計算單艘船舶在各個方向上的擱淺概率，并根據(jù)事先制定的預(yù)警機制對不安全的航行狀態(tài)進行報警，保障船舶航行安全。對于本項目來說，擬解決的關(guān)鍵問題包括：1）在構(gòu)建船舶擱淺預(yù)警平臺時相關(guān)參數(shù)的獲取及處理目前用于水上交通信息采集的技術(shù)有很多，如VTS、AIS、GPS、雷達等，究竟運用何種方式采集信息以及如何處理采集到的信息都是本項目要解決的重點問題。2）運用蒙特卡洛方法計算船舶擱淺概率如何運用蒙特卡洛方法模擬船舶航行以及如何計算單艘船舶的擱淺概率是本項目要解決的關(guān)鍵問題。2. 本項目的特色與創(chuàng)新之處 本項目的特色和創(chuàng)新之處在于提供了一種用于計算單船在航道