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(hào)武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目申 請 書項(xiàng)目類型： 在校研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目 項(xiàng)目子類：1.優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育項(xiàng)目;2.研究生國際學(xué)術(shù)交流預(yù)研項(xiàng)目;3.研究生自由探索創(chuàng)新項(xiàng)目（理工科、其他學(xué)科）。項(xiàng)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(dòng)電話：電子郵箱： jil4 所屬單位： 武漢理工大學(xué)航運(yùn)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(rèn)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(xiàng)目實(shí)施細(xì)則

2、。申請書各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。二、學(xué)科名稱與代碼：申報(bào)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(jí)學(xué)科代碼及名稱,交叉學(xué)科需填寫兩個(gè)學(xué)科代碼及名稱。三、起止時(shí)間：研究項(xiàng)目起始時(shí)間從申報(bào)年的當(dāng)年1月1日算起，項(xiàng)目研究周期一般為1，最長不超過2年。封面上受理編號(hào)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(diǎn)應(yīng)明確，研究重點(diǎn)應(yīng)突出，文字應(yīng)簡明扼要；技術(shù)路線應(yīng)切實(shí)可行；介紹研究基礎(chǔ)和條件應(yīng)實(shí)事求是，不得弄虛作假；經(jīng)費(fèi)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(bào)送研究生院（籌），申請人單獨(dú)申報(bào)項(xiàng)目不受理。七、請嚴(yán)格按照要求填寫申請書，形式審查不合格項(xiàng)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(yùn)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(gè)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(yùn)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(yùn)學(xué)院碩士研究生，專業(yè)為交通信息工程及控制項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持或參與的科研項(xiàng)目清單項(xiàng)目編號(hào)項(xiàng)目來源項(xiàng)目名稱本人排位承擔(dān)的工作批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)起止年月項(xiàng)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(jí)學(xué)科代碼158040二級(jí)學(xué)科代碼2二級(jí)學(xué)科名稱1水陸運(yùn)輸二級(jí)學(xué)科名稱2申請經(jīng)費(fèi)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(xiàng)目概況中文摘要（限200字）隨著水上交通運(yùn)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(xiàng)目旨在研究單船的擱淺概率，根據(jù)船舶航行的特點(diǎn)綜合水路交通信息，運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)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(diǎn)（限50字）提供了一種用于計(jì)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(tái)時(shí)相關(guān)參數(shù)的獲取及處理運(yùn)用蒙特卡洛方

7、法計(jì)算船舶擱淺概率預(yù)期成果（含擬實(shí)現(xiàn)目標(biāo)等）（限50字）在預(yù)期內(nèi)完成本項(xiàng)目研究內(nèi)容；在該研究成果的基礎(chǔ)上，為申請國家級(jí)、省部級(jí)基金項(xiàng)目作鋪墊。二、項(xiàng)目組主要成員（注：項(xiàng)目組主要成員包括項(xiàng)目申請人）序號(hào)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(xiàng)目分工年投入時(shí)間（月）簽名12345總?cè)藬?shù)博士生數(shù)碩士生數(shù)三、經(jīng)費(fèi)申請表(單位:萬元)科目申請經(jīng)費(fèi)備注（計(jì)算依據(jù)與說明）1.科研業(yè)務(wù)費(fèi)1.0（1）測試/計(jì)算/分析費(fèi)0.1數(shù)據(jù)處理分析費(fèi)用開支（2）能源/動(dòng)力費(fèi)0.0（3）會(huì)議費(fèi)/差旅費(fèi)0.4項(xiàng)目調(diào)研差旅；學(xué)術(shù)會(huì)議1-2次開支；（4）出版物/文獻(xiàn)/信息傳播費(fèi)0.5研究成果、發(fā)表論

8、文等相關(guān)版面費(fèi)及相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料購置（5）其它0.02.實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)0.03.儀器設(shè)備費(fèi)0.04.國際合作與交流費(fèi)0.05.勞務(wù)費(fèi)0.0合 計(jì)1.0四、報(bào)告正文（一）立項(xiàng)依據(jù)（項(xiàng)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(xiàn)目錄。）1.項(xiàng)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(hào)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(shí)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(dòng)用了42艘機(jī)動(dòng)船和1400多人，消耗清潔劑達(dá)10萬噸之多。1978年23萬噸級(jí)的利比里亞籍“AMOCO

9、CADIZ”號(hào)在法國布里塔尼海域因舵機(jī)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(jì)損失達(dá)3億美元。1989年3月24日ExxonValdez號(hào)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(fèi)用就高達(dá)22億美元。盡管各國的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，但是從世界各國對海事的統(tǒng)計(jì)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(yùn)事業(yè)的迅速發(fā)展，船舶的數(shù)量激增，每天進(jìn)出港口的船舶十分頻繁，一旦有船舶擱淺就會(huì)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(huì)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(jì)的發(fā)展及進(jìn)出口貿(mào)易的進(jìn)一步增加，海上交通運(yùn)輸日益繁忙。船舶大型化，高速化在加速船舶周轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(yùn)，使船舶擱淺觸礁的性質(zhì)起了非常顯著的變化。因?yàn)榇笮陀洼喌臄R淺觸礁往往意味著巨大的經(jīng)濟(jì)損失和海上巨額保險(xiǎn)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(shí)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、。現(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(xiǎn)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(xiǎn)就是0，一旦發(fā)生就是百分之百，所以研究單個(gè)船只的行船安全就需要考慮單船的擱淺風(fēng)險(xiǎn)，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(xiàng)目從微觀入手，運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)算出單船在某一特定水域的擱淺風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目的研究具有較高的理論意義和實(shí)際意義，具體體現(xiàn)在：1）項(xiàng)目的理論意義項(xiàng)目在計(jì)算單個(gè)船舶擱淺概率時(shí)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(xiàng)目的實(shí)際意義運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)算船舶擱淺的概率，根據(jù)得出的風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)目的研究成果可以運(yùn)用于實(shí)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(jì)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(dòng)力船的研制, 防止在擱淺或碰撞事故中受到嚴(yán)重?fù)p傷而發(fā)生核泄露。1967年Torry Canyon 號(hào)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(yán)重污染事件推動(dòng)了1978年的MARPOL會(huì)談紀(jì)要(MARPOL73 /78) 的產(chǎn)生。美國國會(huì)于1990年通過了油污染法(OPA90),要求所有進(jìn)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(jìn)入上世紀(jì)90年代,日本資助了一個(gè)長達(dá)7年的旨在防止油船漏油的研究計(jì)劃,它分為兩個(gè)階段:油船結(jié)構(gòu)失效和漏油的預(yù)報(bào)方法(19911995),以及耐撞性新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展(19951997),采用實(shí)尺度船舶試驗(yàn)和基于顯示有限元法的數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究。挪威船級(jí)社(DNV)開展了一個(gè)三年計(jì)劃(1991 1993)

14、,建立了計(jì)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(gè)研究油船安全性的聯(lián)合計(jì)劃(19921995),建立了船舶擱淺時(shí)構(gòu)件的失效模式,并推出了實(shí)用計(jì)算程序DAMAGE。1995年Sea Prince 號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于船舶碰撞問題。由于研究經(jīng)費(fèi)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(gè)方向：一是從宏觀上考慮航道內(nèi)所有船舶的擱淺風(fēng)險(xiǎn)，另一個(gè)是從微觀角度考慮單個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)算船舶擱淺的概率模型都是在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。而在研究單艘船舶的擱淺概率方向，主要有基于模糊評(píng)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(jí)別的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定模糊評(píng)價(jià)矩陣，根據(jù)最大隸屬度法,將最大評(píng)

16、判指數(shù)max () 對應(yīng)的備擇集元素作為評(píng)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(diǎn))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(gè)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(dá)不確定性知識(shí)。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(jì)理論采集數(shù)據(jù)(先驗(yàn)概率) ,再利用貝葉斯公式或其他方式獲得新的附加信息, 進(jìn)行修正后得到新的數(shù)據(jù)(后驗(yàn)概率)。在研究船舶擱淺概率時(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)，然后由各節(jié)點(diǎn)的實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，從現(xiàn)有的方法來看，它充分考慮到了人的因素，運(yùn)用模糊評(píng)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(huì)遇到各種情況，上述方法顯得不夠靈活。參考文獻(xiàn)：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(bào).2002(1):112115.6 胡中凱,尹群,張健,李良碧.基于模糊綜合評(píng)判的近海航道船舶擱淺定量風(fēng)險(xiǎn)研究.船海工程.2010(1):159165.（二）研究內(nèi)容及研究目標(biāo)1研究內(nèi)容、研究目標(biāo)，擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。本項(xiàng)目旨在通過運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)算單艘船舶擱淺的概率，對不安全的航行進(jìn)行預(yù)警，提高船舶航行的安全性。本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容包括：1）船舶擱淺預(yù)警平臺(tái)的構(gòu)建根據(jù)

20、船舶在航道內(nèi)航行的特點(diǎn)，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(jī)制通過研究船舶在水上航行的特點(diǎn)，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(bào)警級(jí)別。3）基于蒙特卡洛方法的擱淺概率計(jì)算簡要介紹蒙特卡洛方法，將蒙特卡洛方法運(yùn)用于船舶擱淺概率的計(jì)算。本項(xiàng)目的研究目標(biāo)為：本項(xiàng)目的研究目標(biāo)主要就是運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)算單艘船舶在各個(gè)方向上的擱淺概率，并根據(jù)事先制定的預(yù)警機(jī)制對不安全的航行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，保障船舶航行安全。對于本項(xiàng)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(tái)時(shí)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(dá)等，究竟運(yùn)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(xiàng)目要解決的重點(diǎn)問題。2）運(yùn)用蒙特卡洛方法計(jì)算船舶擱淺概率如何運(yùn)用蒙特卡洛方法模擬船舶航行以及如何計(jì)算單艘船舶的擱淺概率是本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵問題。2. 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處 本項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處在于提供了一種用于計(jì)算單船在航道