一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法与流程

本发明涉及船舶安全控制技术领域领域，尤其涉及一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

背景技术：

随着国家经济的发展，货物与人员之间的交流越来越频繁，人们对物流和出行的要求越来越高，大型河流两岸沟通越来越密切。基础建设工程规模越来越大、需求越来越多，立体交通的提出导致水上水下活动复杂、频繁，从而出现越来越多新的复杂问题。

以长江为例，由于需求与供给的矛盾越来越突出，长江上已经建设了一百多座跨江桥梁和跨江电缆，这些水上工程在空间上与行驶在长江上的船舶争夺空间，使得本来可以通航船舶的空间受到限制，浪费了有限的航道资源，限制了水上交通的发展。为了最大限度地保障货物与人员的交流，又避免和减少水上活动对通航安全的影响，维护通航秩序，保护通航资源，保障航行安全，促进水运经济的发展，满足长江“黄金水道”建设和一带一路战略实施，课题组依托一系列跨江(海)桥梁工程和电缆工程通航安全影响论证相关专题研究积累中总结了船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

船舶失控后，在无动力、没有舵效的情况下，其运动状态取决于风和流的大小及方向、风动力中心和水动力中心的相对位置、船舶载量、船舶大小及尺度、船舶吃水、船舶形状等等诸多因素的影响。船舶在桥区水域的实际航行过程中，由于风和流的大小和方向是随机的，有多种组合情况，分析计算中需要将所有组合情况都进行计算。对于在桥区航行突然失控的船舶来说，不是所有的失控船舶都会对桥梁产生碰撞，有些失控船舶当失控点离桥较近时，可能会在自身惯性的作用下，直接从主通航孔与桥梁无碰撞地通过。根据桥区水域航道、水文、气象特征及有关航行管理规定，船舶只有在一定环境条件下的某些水域范围内失控，才有可能对桥梁产生碰撞危险。危险失控区域就是指船舶失控后，可能对桥梁产生碰撞危险的所有失控点的集合。本专利通过数值模拟和计算机仿真的方法计算失控船舶与桥梁发生碰撞的风险，根据仿真实验得出的船舶可能发生碰撞的区域位置和船舶特点，结合其通航环境和其他随机因素反溯其失控点的集合(即危险失控区)，以利于海事管理部门对其重点监控，保障施工期桥梁安全管理和交通流规划和管理。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中缺少对船舶失控后的运动轨迹预测的方法的缺陷，提供一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法，该方法包括以下步骤：

s1、将船舶失控后的漂移运动分为两个阶段：在惯性作用下滑行的停车冲程阶段，惯性消失后的流淌漂流阶段；并以桥梁区域内某个桥墩中心为原点建立坐标系；

s2、获取船舶失控时的航速、流速，船首向与桥轴法向的夹角，水流流向和桥轴法向的夹角，并计算船舶失控后的瞬时船速；

s3、根据船舶失控后的瞬时船速，计算停车冲程阶段内船舶的冲时和冲程，以及流淌漂流阶段内船舶的漂移时间和漂移距离；

s4、计算船舶从失控点到桥梁的总漂移量，若总漂移量与桥梁的交点与某个桥墩重合，则判断该失控点为有碰撞危险的失控点；

s5、利用计算机仿真，获取桥梁区域内有碰撞危险的失控点集合，并绘制船舶危险失控区域；

s6、根据绘制的船舶危险失控区域对发生船舶撞桥事故的风险进行概率分析。

进一步地，本发明的步骤s2中计算船舶失控后的瞬时船速的公式为：

其中，υ0为船舶失控后的瞬时船速，v为船舶失控时的航速，u为失控时的流速，α为失控时船首向与桥轴法向的夹角，β为失控时水流流向和桥轴法向的夹角。

进一步地，本发明的步骤s1中建立坐标系的方法为：以桥梁区域内某个桥墩中心为原点，x轴平行于桥轴线，y轴垂直于桥轴线，建立坐标系。

进一步地，本发明的步骤s3中计算冲时和冲程，以及漂移时间和漂移距离的方法为：

冲时t指从失控点开始至惯性消失的时间，通过以下公式求得：

其中，υ为船舶在冲程时间内任意时刻的船速，tst为船舶减速时间常数；

冲程的计算公式为：

冲程在垂直于桥轴线的坐标轴上的投影为冲距sc：

漂移距离sp指惯性消失后，如果船舶尚未抵达桥梁，在水流作用下沿桥梁所在坐标轴方向漂移的距离，其计算公式为：

sp＝u·tp·cosβ＝(dsk-sc)

漂移时间tp的计算公式为：

tp＝sp/u·cosβ＝(dsk-sc)/u·cosβ

其中，dsk为失控点至桥梁的距离，υ0为船舶失控后的瞬时船速，u为失控时的流速，α为失控时船首向与桥轴法向的夹角，β为失控时水流流向和桥轴法向的夹角。

进一步地，本发明的步骤s4中计算船舶从失控点到桥梁的总漂移量的方法为：

冲程在垂直于桥轴线的坐标轴上的投影记作sc，失控点至桥梁的距离为dsk；

若dsk＞sc，表示船舶在到达桥梁之前惯性已消失，船舶将在水流的作用下随流淌航一段距离才能抵达桥梁，总漂移量为：

b＝b1+b2+b′1+b′2

其中，b为总漂移量；b1为冲期流致漂移量；b2为流淌漂移量；b′1为冲期风致漂移量；b′2为流淌期风致漂移量；

若dsk＜sc，表示船舶在到达桥梁时惯性还未消失，船舶将在惯性的作用下继续运动一段距离，总漂移量为：

b＝b3+b′3

其中，b3为冲期桥前流致漂移量，b′3为冲期桥前风致漂移量。

进一步地，本发明的冲期流致漂移量、流淌漂移量、冲期风致漂移量和流淌期风致漂移量的计算方法为：

冲期流致漂移量表示船舶在停车冲程阶段内沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

流淌漂移量表示船舶在流淌漂流阶段内，在水流作用下沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

b2＝u·tp·sinβ＝sp·tanβ

其中，υ0为船舶失控后的瞬时船速，u为失控时的流速，α为失控时船首向与桥轴法向的夹角，β为失控时水流流向和桥轴法向的夹角，t为冲时，tst为船舶减速时间常数，tp为漂移时间；

冲期风致漂移量表示船舶在停车冲程阶段内，受风作用沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

流淌期风致漂移量表示船舶在流淌漂流阶段内，受风作用沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

其中，va2为流淌期的相对风速，k取值为0.038～0.041，k'为浅水修正系数，ba为船体水线上侧受风面积，bw为船体水线下侧面积，υa1为风中船速，va1为冲程内的相对风速。

进一步地，本发明的冲期桥前流致漂移量和冲期桥前风致漂移量的计算方法为：

冲期桥前流致漂移量表示惯性未消失时船舶在停车冲程阶段内沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

其中，t为船舶从失控点冲抵桥梁所需的时间；

冲期桥前风致漂移量表示惯性未消失时船舶在停车冲程阶段内，受风作用沿桥梁方向的漂移距离，其计算公式为：

其中，υa3为冲期桥前的风中船速，va3为冲期桥前的相对风速。

进一步地，本发明的步骤s6中进行概率分析的方法具体为：

船舶在航道水域内任意一点失控的概率服从平均分布，失控船舶碰撞跨越塔的概率计算数学模型为：

本发明产生的有益效果是：本发明的船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法，提供了一种船舶风、流共同作用下的船舶漂移轨迹的计算方法，针对不同类型和尺度船舶的特点、实际载况及实际交通分布情况，结合具体的风向、受风位置、水流状态及其他通航条件，将船舶风致漂移模型和船舶流致漂移模型结合起来，进行数值模拟计算，根据不同桥梁选址和桥墩的实际位置，最后计算船舶碰撞桥墩的概率、碰撞姿态及撞击速度；结合计算机仿真，可以再现船舶从失控到碰撞的过程，进一步认知船舶失控漂移对船舶交通安全的影响，并有助于相应预防措施的制定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的船舶失控不采取抛锚措施的漂移动态示意图；

图2为本发明实施例的失控危险区域示意图；

图3为本发明实施例的船舶交通仿真案例图；

图4为本发明实施例的船舶失控漂移仿真案例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法，该方法包括以下步骤：

s1、将船舶失控后的漂移运动分为两个阶段：在惯性作用下滑行的停车冲程阶段，惯性消失后的流淌漂流阶段；并以桥梁区域内某个桥墩中心为原点建立坐标系；

s2、获取船舶失控时的航速、流速，船首向与桥轴法向的夹角，水流流向和桥轴法向的夹角，并计算船舶失控后的瞬时船速；

s3、根据船舶失控后的瞬时船速，计算停车冲程阶段内船舶的冲时和冲程，以及流淌漂流阶段内船舶的漂移时间和漂移距离；

s4、计算船舶从失控点到桥梁的总漂移量，若总漂移量与桥梁的交点与某个桥墩重合，则判断该失控点为有碰撞危险的失控点；

s5、利用计算机仿真，获取桥梁区域内有碰撞危险的失控点集合，并绘制船舶危险失控区域；

s6、根据绘制的船舶危险失控区域对发生船舶撞桥事故的风险进行概率分析。

在本发明的另一个具体实施例中，该方法包括以下步骤：建模，把船舶失控漂移运动模型分为两个阶段，即停车冲程阶段和流淌漂移阶段；然后确定船舶在失控时的船速模型，也就是船舶失控漂移的初始特征；完成船舶失控后到惯性消失前的冲程和冲时计算；随后完成船舶惯性消失后船舶在风、流作用下的漂移量计算；最后对危险失控区域进行图示说明，并利用计算机仿真的方法计算失控船舶与桥梁发生碰撞的风险。

步骤1.模型的建立。根据确定的不同代表船型的自身参数(如船舶长度、宽度、型深、排水量、吃水、操纵性等)，建立船舶失控漂移运动模型。

为了模拟计算方便，首先建立一个计算坐标系统，如设定计算坐标的原点为某桥墩中心坐标，纵轴(x)平行于桥轴线，横轴(y)垂直于桥轴线。船舶过桥时，设船首尾线与y轴的夹角称为偏航角α，流向与y轴的夹角称为流向角β。

当船舶突然失控后，根据物理学和船舶操纵的有关理论，船舶最开始时必定在惯性力的作用下，沿船舶原来的运动方向滑行一段距离，在船舶操纵中称为停车冲程，其在y轴上的投影称为冲距，见图1。惯性消失以后，船舶在风、流的作用下进行流淌运动。

步骤2.失控时的船速计算

根据不同的船舶载况及船舶失控时的航速对在风流作用下的失控船舶建立数学模型；

因进江海轮的航速v一般不超过11km，故失控时的船速υ0可用下式计算：

即：

其中，υ0为船舶失控后的瞬时船速，v为船舶失控时的航速(m/s)，u为失控时的流速(m/s)，根据计算要求分别取3.5m/s、2.5m/s和1m/s，α为失控时船首向与桥轴法向的夹角，β为失控时水流流向和桥轴法向的夹角。

步骤3.冲程、冲时的计算

1、冲时

冲时(t)是指从失控点开始至惯性消失为止所需的时间。船舶在惯性条件下的瞬时速度可按公式(3)求取，当υ与水流流速相等时(即惯性消失时)，根据公式(3)所得时间就是冲时：

其中，υ为船舶在冲程时间内任意时刻的船速(m/s)，tst为船舶减速时间常数，tst＝c/ln2，c可根据排水量查表取得；

表1船速减半时间常数c

2、静水冲程

静水冲程(s’)是指在冲时t时间内，船舶沿船速方向移动的距离。可用下式估算：

3、动水冲程

计算动水冲程时应考虑船舶在冲时t内，随流漂航的距离，因此动水冲程(s)可用下式表达：

4、冲距

动水冲程在y轴上的投影称为冲距(sc)。其大小可按下式计算：

5、漂距

漂移距离sp指惯性消失后，如果船舶尚未抵达桥梁，在水流作用下沿桥梁所在坐标轴方向漂移的距离，其计算公式为：

sp＝u·tp·cosβ＝(dsk-sc)(7)

漂移时间tp的计算公式为：

tp＝sp/u·cosβ＝(dsk-sc)/u·cosβ(8)

其中，tp为流淌漂移时间(s)，即船舶从停冲点(惯性消失点)移动到桥梁所用时间，dsk为失控点至桥梁的距离。

步骤4.漂移量的计算

对船舶失控后的漂移量的进行计算，包括船舶在惯性、风、流等各种复合作用下的漂移量进行计算。

1、冲期流致漂移量

冲期流致漂移量(b1)是指船舶在整个冲时t时间内，在流的作用下沿x轴方向向南偏移的距离。其大小可由下式计算：

2、流淌漂移量

流淌漂移量(b2)指惯性消失后，如船舶尚未抵达桥梁，在流作用下，当船舶抵达桥梁时，在x轴方向移动的距离。其大小可由下式计算：

b2＝u·tp·sinβ＝sp·tanβ(10)

3、冲期桥前流致漂移量

冲期桥前流致漂移量(b3)指当船舶的冲距大于失控点至桥梁的距离时，即sc＞dsk，船舶自失控点冲抵桥梁的过程中(桥前冲距为dsk)，在x轴方向向南移动的距离。可由下式计算：

其中t为船舶自失控点冲抵桥梁所需时间，可由下式运用c++通过趋值的方法求取。

4、冲期风致漂移量

冲期风致漂移量(b1')指船舶在整个冲程期间，受风作用，在x轴方向上漂移的距离。计算中根据要求按七级的横风考虑。计算公式为：

其中：

该系数一般取0.038～0.041；

k'为浅水修正系数，可根据实际水深与吃水之比查表获得；

表2浅水水域横风漂移速度的修正系数k‘

ba为船体水线上侧受风面积(m²)，取ba＝l·(d-d)，l为船长，d为型深；

bw为船体水线下侧面积(m²)，取bw＝l·d；

υa1为风中船速(kn)，此处取冲程期的平均船速；

va1为冲程期的相对风速(m/s)，取平均值；

5、流淌期风致漂移量

流淌期风致漂移量(b'2)指惯性消失后，如船舶尚未抵达桥梁，在风作用下，当船舶抵达桥梁时，在x轴方向移动的距离。其大小可由下式计算：

式中：va2——流淌期的相对风速(m/s)；

6、冲期桥前风致漂移量

冲期桥前风致漂移量(b'3)指当船舶的冲距大于失控点至桥梁的距离时，即sc＞dsk，船舶自失控点冲抵桥梁的过程中(桥前冲距为dsk)，在风的作用下，在x轴方向向南漂移的距离。可由下式计算：

式中：

υa3为冲期桥前的风中船速(kn)，此处取冲期桥前的平均船速；

va3为冲期桥前的相对风速(m/s)，取平均值；

t为船舶自失控点冲抵桥梁所需时间。

7、总漂移量

总漂移量(b)是指船舶从失控点开始到船舶抵达桥梁为止，在船舶偏航、风、流的共同作用下，沿x轴方向偏移的总距离。总漂移量的大小是判断船舶失控后能否碰撞桥墩的重要依据之一。

当dsk＞sc时，船舶在到达桥梁之前惯性已消失，船舶将在流的作用下随流淌航一段距离才能抵达桥梁，这种情况下的总漂移量为：

b＝b1+b2+b′1+b′2(16)

所需时间为：

tz＝t+tp(17)

当dsk＜sc时，船舶在到达桥梁时惯性还未消失，船舶将在惯性的作用下继续运动一段距离，这种情况下的总漂移量为：

b＝b3+b'3(18)

所需时间即为船舶自失控点冲抵桥梁所需时间t。

步骤5.危险失控区域的确定

通过对船舶可能产生碰撞桥梁危险的所有失控点的计算集合，绘制船舶失控后的危险失控区域，及船舶产生碰撞桥墩危险时可能的碰撞位置。

对于在桥区航行突然失控的船舶来说，不是所有的失控船舶都会对桥梁产生碰撞,有些失控船舶当失控点离桥较近时，可能会在自身惯性的作用下，直接从主通航孔或边孔与桥梁无碰撞地通过。船舶只有在一定环境条件下的某些水域范围内失控，才有可能对桥梁产生碰撞危险。危险失控区域就是指船舶失控后，可能对桥梁产生碰撞危险的所有失控点的集合。

当船舶进入桥区后，船舶是否会与桥墩相撞，由失控点和船舶在桥梁轴线方向上移动的距离(漂移量大小)共同决定。图2表示某桥梁50000吨级海轮在压载情况下，流速为2.5m/s时，上、下水失控危险区域示意图。

步骤6.利用计算机仿真的方法计算失控船舶与桥梁发生碰撞的风险。

根据确定的船舶危险失控区域，对可能发生船舶撞桥事故的风险进行概率分析，由于船舶在自身航道水域内任意一点失控的概率是均等的，即服从平均分布，所以失控船舶碰撞跨越塔的概率计算数学模型可描述如下(如图2)：

相应的危险失控区面积，即船舶失控后会碰撞跨越线墩的所有失控点的总集；所在航道相应的水域面积，指船舶上/下行离跨越线为5km范围内。

图3为船舶交通仿真中船舶轨迹，船舶在横截面上满足实际分布。图4为船舶随机发生失控漂移时在风和流作用下的运动轨迹。

船舶失控漂移运动规律和碰撞概率确定后，可以有针对性地为桥梁设计防撞设施，保障船舶交通安全和桥梁安全。此外，针对高碰撞风险桥梁位置相应的危险失控区域，海事管理部门可以对其重点监控，根据水域特点和船舶驾驶员的航行操纵习惯，保障施工期桥梁安全管理和交通流规划和管理。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。