专利名称：：基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法
技术领域：
：本发明属于交通信息工程及控制
技术领域：
，具体地讲是一种基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法。
背景技术：
：随着船舶大型化的发展以及由此导致的操纵性变差，不断增长的船舶交通量，危险货物的运输以及对海洋环境的潜在威胁，船舶交通的管理已经成为世界上各港口水域广泛采用来降低水上交通风险的有效措施之一。在海运界处理风险的传统方法是被动性的应对在事故发生或问题出现后才采取措施。对于决策者来说很重要的一点就是认识到资源的有限因而要对问题的相关风险进行仔细分析而不是贸然地采取某一措施，否则往往是以很高的成本换来较低的效果。为了最大限度地降低水上交通风险，决策者应该采取主动应对(proactive)的方法一风险决策。美国海岸警备队(USCG)对"风险决策"的定义为把一个或者更多消极后果的信息进行有机地组织并产生一个概括性的有序体系帮助决策者制定更为合理的管理措施。风险决策有别于传统决策的一个显著特点就是考虑了一个或者多个消极后果的可能性。由于提高海上航行安全、交通效率和保护海洋环境的资源有限，风险决策对于海运政策、法规制定的必要性是显而易见的。如果这些有限的资源不能被合理分配，比如以高成本解决低风险的问题，则高风险的问题就会缺乏资源来应对。风险决策的应用将会解决这个问题，它通过科学的风险分析，形成一系列体系化和逻辑性的风险信息供决策者参考，同时也为有效合理分配有限资源来降低海上风险、最大限度地保护海洋环境以及提高交通效率提供了强有力的决策工具。水上通航环境是一个由多种因素相互作用而形成的系统。系统安全工程是最近50年迅速发展起来的新兴学科，它是一门系统化的学科，是一跨知识门类、跨学科的综合工程学。它在船舶运输安全研究方面方兴未艾。安全系统工程研究安全问题的方法主要是应用科学知识、系统工程的理论和方法去鉴别、预测、消除或控制系统中所存在的不安全因素和可能发生的事故的各种现象，从而使系统在一定的损失、效率等因素的约束下所发生的事故减少到最低限度，即达到该条件下的最佳安全伏态。风险评价是对系统的风险状况进行定量或定性的估计和评定。其根本目的是判别系统是否达到规定的安全目标或是否符合安全要求，并根据评价结果，对系统进行调整采取某些完善、加强安全措施。目前，在水上交通安全评价领域日本占主导地位。如小林弘明提出了以操船困难为指标的航行环境风险评价方法，将船舶操船特性随船型、船长、水深和风的条件变化对操船能力的影响来定量评价整个海域的操船困难度；新井康夫对操船能力的自然环境要素提出了量化的影响，并验证了这些指标与操船者的主观操船感觉的关系，为客观判断各要素对航行安金的影响，并采取对策改善航行环境提供了依据；井上欣三从两个方面定量处理了某水域潜在的危险度，一是船舶航行于该水域期间与它船会遇的机会有多少，二是每次会遇给操船者增加了多少负担，并以此作为定量表示该航行环境下的船舶航行潜在危险水平的指标等。国内的水上通航环境安全评价从对数学方法的选用角度，目前大致可以分为两类一类是使用概率论和数理统计等数学方法建立精确的数学模型，目前内河水域的通航安全评价工作基本上采用这种方法；另一类方法是在系统信息不完备的情况下，很难建立精确的数学模型时，采用模糊数学或灰色系统理论的方法对系统进行分析与评价。如我国学者吴兆麟教授就利用模糊数学理论对厦门港港口水域的航行危险度的评估进行了探讨研究。但以上评价方法都是从整体出发，不能具体到某一特定区域，也不能对该水域进行动态预测。下面就分别对上述方法进行概括性分析。(l)安全指标评价法一般统计分析即统计出各种原因导致的水上交通事故件数或加权事故换算件数(如按事故的等级赋予权系数)，求取各种原因导致的事故占事故总件数的百分比。数理统计分析即对各种原因导致的事故进行回归分析、主成份分析和相关分析等。目前关于我国内河通航水域的危险水平问题，许多学者和海事管理部门都以该水域中实际发生的事故的件数为基础来进行推算。使用数理统计的方法对系统进行分析评价时，要求有一定的样本量，随着样本统计量的增加且达到一定数量时，频率分布才呈现稳定性，其模型和评价结果才较可靠。上述方法虽然在水上交通事故定量分析工作中发挥了重要作用，但也存在一定的局限性首先，统计各种原因导致事故的件数只能表示数值的绝对多少，没有很好地反映出各类原因与事故发生的联系程度；其次，数理统计分析方法要求的样本量大，而且要求有较好的样本分布，在实际工作中已积累的事故数据要满足上述要求难度较大。另外，对于预测将来通航环境变化所伴生的危险水平的变化，采用这种方法也难以达到目的。(2)灰色系统理论1982年我国学者邓聚龙教授发表的第一篇灰色系统论文《灰色系统的控制问题》以来，灰色系统理论受到国内外学术界和广大实际工作者的极大关注。在控制理论中，将信息完全明确的系统称为白色系统，信息未知的系统称为黑色系统，部分信息明确，部分信息不明确的系统称为灰色系统。"信息不完全"是"灰"的基本含义，从不同的场合，不同的角度看，还可以将"灰"的含义加以引申，灰色系统理论提出了一种新的系统分析方法，即关联分析方法。它是根据因素之间发展态势的相似或相异程度，来衡量因素间关联程度的方法。由于关联分析是按发展趋势作分析，因此对样本量的多少没有过分要求，也不需要典型的分布规律，计算量小，即使是十个变量(序列)的情况也可以手工计算；而且不致出现关联度的量化结果与定性分析不一致的情况。灰色系统理论一般所解决的是对系统信息认识不完全的系统，它能够通过对系统认识较少的信息对系统进行较深入的分析和研究。由于通航环境系统是由多因素构成的较复杂的系统，目前对系统各要素间的相互关系作用还不十分清楚，另外加上水上交通事故的小概率性以及数据难以收集等原因，导致它们既没有简单的物理原型和数学原型，其内部机制关系也是模糊不确定的。它们在互相关系作用、程度和数据收集等方面均符合灰色系统的概念。因此灰色系统理论在通航环境的危险度分析方面为许多学者所采用。但灰色系统理论还不是成熟理论系统，还存在许多不完善的地方。例如，对实际问题应用灰色理论，釆用不同的无量纲化方法，结论不同，这就很难令人信服用关联度分析得出的结论。另外，关联度只能体现数据列的正相关关系，不能体现负相关关系，所以不能用关联度代替相关系数，也不能用关联分析方法代替统计中的因素分析法。对某些实际问题，还必须采用回归分析、主成分分析、正交设计等各种统计分析方法。(3)模糊数学模糊数学是1965年由美国加尼福利亚大学控制专家L口A.扎德首先提出的。四十年来这一学科获得了迅速的发展。我国引进和研究这门学科仅二十几年时间，但因为模糊数学具有较强的生命力和渗透力，所以发展十分迅速。模糊数学是用数学方法研究和处理具有"模糊性"现象的数学。模糊数学评价的基本方法是从所评判的事物中选出几个所要考虑的因素，综合考虑该事物关于各个因素的影响建立起评价指标体系，根据实际评价的需要确定各指标因素的评价标准，确定各指标因素的隶属函数并进行单因素评价。然后按照各个因素的不同权重，应用模糊变换原理、模糊识别的方法和相应的隶属原则，建立综合评价的数学模型，依此数学模型实现对研究对象的综合评价工作。目前沿海港口航行水域的风险评估研究多采用模糊数学的方式，但以上谈及的几种评价方法都是从整体出发，不能具体到某一特定区域，无法直观体现出某特定水域的区域性风险差异，也不能对该水域交通风险进行动态预测。
发明内容本发明的目的是基于模糊数学的方式，在丰富详实的水上通航环境历史数据的基础上建立数学模型，而提供一种基于地理信息系统的通航环境网格化、动态化的风险评价和预测方法。为了实现上述目的，本发明所采用的方法是以某一水域通航风险的现状和未来为研究对象，根据该水域历史的和当前的交通状况，分析水域的通航环境的特征，结合该水域水上交通事故的特点，建立碰撞、搁浅事故风险评价和预测模型，评价水域通航条件的变化对水域通航环境产生的影响以及相应的通航风险，直观地体现出水域风险的地理分布，并对未来的水上交通风险进行动态预测。本发明在一定程度上避免了那些仅用定性方法评价的粗浅化，具有险的地理分布，而且可以预测未来的通航环境风险情况，使海事主管机关、引航员以及相关管理部门能够直观的了解不同区域的风险情况，实现资源分配的合理化。同时对保障港口水域具有良好的通航环境和通航秩序，对保障水上交通安全具有很强的现实意义和指导意义。图1为本发明实施例能见度与碰撞事故拟合关系图。图2为本发明实施例风力与碰撞事故拟合关系图。图3为本发明实施例船舶碰撞风险分析及预测流程。图4为本发明实施例水域船舶搁浅风险评价及预测流程。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。本发明通过对近年来天津港水上交通事故和船舶交通历史数据进行详细地统计和分析，确定天津港水域交通事故特征因子，提出了基于网格单元的风险评价方法，对天津港水域船舶碰撞和搁浅风险的地理分布进行研究。具体实施步骤如下建立船舶碰撞风险评价和预测模型第一步骤在研究水域利用交通调查、历史数据收集和专家询访等方法获取研究水域的船舶类型分布、尺度分布、速度分布、会遇距离(不同船舶尺度)、交通量分布、交通流密度分布、航道宽度、会遇角度、地理信息、当地水上交通安全规定等资料和数据；第二步骤结合研究水域的地理信息和航道状况使用MapinfoProfessional软件对水域进行网格化处理。就每一个单元格对船舶交通量分布、尺度分布、速度分布、交通流密度分布、会遇角度等进行细化；第三步骤通过数据拟合等方法对研究水域能见度、风力和船舶尺度等因子与船舶碰撞事故的关系进行确定；其中a、建立碰撞事故与能见度关系调研获取的能见度与碰撞事故信息(见表-l)表-l天津港水域碰撞事故与能见度关系表<table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>对上述数据进行拟合(见图1)GeneralmodelExpl:f(x)=aftxp(bDx)Coefficients(with95%confidencebounds):a=10.62b=-0.8904<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage13</formula>结果拟合良好；SSE(拟合误差平方和)0.1847;R-square(多重可决系数)G.9958;AdjustedR-square(经调整的可决系凄t):0.9936;RMSE(均方4艮误差)0.3039因此，天津港水域船舶碰撞能见度因子为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式中V—天津港水域船舶碰撞能见度因子；v—能见度(海里)；Vw—天津港水域船舶碰撞能见度权重。b、建立碰撞事故与风的关系在天津港调研获取的风与碰撞事故相关信息(见表-2)。表2天津港水域碰撞事故与风力关系表<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>对上述数据进行拟合(见图2),结果如下GeneralmodelExpl:f(x)=a[ixp(b[X)Coefficients(with95%confidencebounds):a=0.1118b=0.7451/(w)=0.1118ttxp(0.745结果拟合良好；SSE(拟合误差平方和)12.08;R-square(多重可决系数)0.9913;AdjustedR-square(经调整的可决系数):0.9891;RMSE(均方根误差)1.738因此，天津港水域船舶碰撞风影响因子为『=J"Jj5/(w)Lw(f)rfWf，,，=J〖0.11181上xp(0.7451LW)帥)"fL^式中W—天津港水域船舶碰撞风影响因子；w—风力(级)；W,—天津港水域船舶碰撞风影响权重。c、建立碰撞事故与船舶尺度关系在天津港调研获取的船舶尺度与碰撞事故相关信息(见表-3)。表3天津港水域碰撞事故与船舶尺度关系表口屯位项目5000DWT以下5000~10000DWT1万~2万DWT2万DWT以上合计89111627吨位频率(％)54.5619.5712.2813.59由于对上述数据无法进行良好的拟合，天津港水域船舶碰撞/尺度影响因子表达为=(0.297^+0.102。.2+0.237~3+0.363,y4jxrw式中Tj:第j单元格天津港水域船舶碰撞/尺度影响因子；tjl:第j单元格0~5000吨船舶所占比例；tj2:第j单元格5000~10000化船舶所占比例;tj3:第j单元格10000-20000吨船舶所占比例;tj4:第j单元格20000吨以上船舶所占比例；L:船舶尺度权重；第四步骤对调研搜集的2003年~2005年天津港水域交通信息进行处理计算每个单元格的会遇率，并根据天津港水域能见度、风力和船舶尺度等因子计算2003年~2005年天津港水域船舶碰撞频率。然后使用MapinfoProfessional软件将碰撞风险的地理分布显示出来；第五步骤使用2003~2005年天津港实际的^i撞事故地理分布对模型进行验证，第三突堤到东突堤之间水域船舶密度很大，并且靠离泊位船舶较多，极易与主航道船舶形成会遇局面，因此这一段水域事故发生数最多；从第一突堤到第三突堤之间的水域码头泊位较多，进出的船舶数也较多，也是事故多发区。经对比，模型反映了与实际事故分布一致的结果，证明该模型科学合理，可以用于预测2010年和2020年的天津港船舶碰撞风险。第六步骤运用船舶碰撞预测模型分析处理综合港航仿真系统的仿真结果，预测2Q1Q年和2Q2Q年天津港水域船舶^i撞频率。建立船舶搁浅风险评价和预测模型天津港主航道是进出天津港的必经之道，是天津港水域船舶交通密集区域。天津港历史水上交通事故数据显示搁浅事故多发生在主航道两侧的浅水区域，因此天津港水域船舶搁浅风险研究主要是评估船舶在主航道航行的搁浅风险。其具体步骤是步骤l:在研究水域利用交通调查、历史数据收集和专家询访等方法获取研究水域的水深分布、船舶类型分布、尺度分布、速度分布、交通量分布、交通流密度分布、航道宽度、地理信息、当地水上交通安全规定等资料和数据；步骤2:就每一个单元格对船舶交通量分布、尺度分布、速度分布、交通流密度分布、水深分布、航道宽度等进行分析，计算每一个单元格的搁浅频率；天津港水域船舶搁浅频率计算模型〃/''s'P'=1"IH/,式中U=网格单元的数量，T=船舶类型分类数，S=船舶尺度分类数，Nikl=第i主单元格内，第k类船舶中第1类尺度的船舶数量，Wikl=第i副单元格内，若第k类船舶中第1类尺度的船舶吃水小于水深，距4元道中心线距离，F,=能见度影响参数，F2=风力影响参数。步骤3:对调研搜集的2003年~2005年天津港水域交通信息进行处理并根据上述模型进行计算，求得2GG3年~2005年天津港水域船舶搁浅频率分布。步骤4:从船舶搁浅频率单元格分布可以看出，天津港水域船舶搁浅风险主要集中在主航道相邻水域的单元格内，尤其是9+000-22+000水域(单元格0到单元格Z),船舶搁浅风险较高。对比天津港搁浅事故实际地理位置分布图，根据上述模型计算的船舶搁浅频率相对较高的水域恰好正是过去几年船舶搁浅事故频发的地点，这验证了该模型。步骤5:运用船舶搁浅预测模型分析处理综合港航仿真系统的仿真结果，预测2Q1Q年和2020年天津港水域船舶搁浅频率。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。权利要求1、一种基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，所采用的方法是以某一水域通航风险的现状和未来为研究对象，根据该水域历史的和当前的交通状况，分析水域的通航环境的特征，结合该水域水上交通事故的特点，建立船舶碰撞、船舶搁浅事故风险评价和预测模型，评价水域通航条件的变化对水域通航环境产生的影响以及相应的通航风险，直观地体现出水域风险的地理分布，并对未来的水上交通风险进行动态预测。2、如权利要求1所述的基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，其特征在于建立船舶碰撞风险评价和预测模型的步骤是第一步骤在研究水域利用交通调查、历史数据收集和专家询访等方法获取研究水域的船舶类型分布、尺度分布、速度分布、会遇距离、交通量分布、交通流密度分布、航道宽度、会遇角度、地理信息、当地水上交通安全规定的资料和数据；第二步骤结合研究水域的地理信息和航道状况使用MapinfoProfessional软件对水域进行网格化处理，就每一个单元格对船舶交通量分布、尺度分布、速度分布、交通流密度分布、会遇角度等进行细化；第三步骤通过数据拟合方法对研究水域能见度、风力和船舶尺度等因子与船舶碰撞事故的关系进行确定；第四步骤对调研搜集的近年来该水域交通信息进行处理计算每个单元格的会遇率，并根据该水域能见度、风力和船舶尺度等因子计算近年来该水域船舶碰撞频率，然后使用MapinfoProfessional软件将碰撞风险的地理分布显示出来；第五步骤使用近年来实际的碰撞事故地理分布对模型进行验证；第六步骤运用船舶碰撞预测模型分析处理综合港航仿真系统的仿真结果，预测将来该水域船舶碰撞频率。3、如权利要求1所述的基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，其特征在于建立船舶搁浅风险评价和预测模型的步骤是步骤l:在研究水域利用交通调查、历史数据收集和专家询访等方法获取研究水域的水深分布、船舶类型分布、尺度分布、速度分布、交通量分布、交通流密度分布、航道宽度、地理信息、当地水上交通安全规定等资料和数据；步骤2:就每一个单元格对船舶交通量分布、尺度分布、速度分布、交通流密度分布、水深分布、航道宽度等进行分析，计算每一个单元格的搁浅频率；步骤3:对调研搜集的近年来该水域交通信息进行处理并根据上述模型进行计算，求得将来该水域船舶搁浅频率分布。4、如权利要求2所述的基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，其特征在于第三步骤中水域能见度、风力和船舶尺度等因子与船舶碰撞事故的关系进行确定方法是船舶碰撞能见度因子为式中V—水域船舶碰撞能见度因子；v—能见度(海里)；V,—该水域船舶碰撞能见度权重；船舶碰撞风力影响因子为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中W—该水域船舶碰撞风影响因子；w—风力(级)；W、,一该水域船舶碰撞风影响权重；船舶碰撞/尺度影响因子表达为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中T,:第j单元格该水域船舶碰撞/尺度影响因子；I:第j单元格0~5000吨船舶所占比例；tj"第j单元格5000~10000吨船舶所占比例;tj3:第j单元格10000~20000吨船舶所占比例;tJ4:第j单元格20000吨以上船舶所占比例；Tw:船舶尺度权重。5、如权利要求3所述的基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，其特征在于步骤2中船舶搁浅频率计算模型为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中U=网格单元的数量，T=船舶类型分类数，S=船舶尺度分类数，Nikl=第i主单元格内，第k类船舶中第1类尺度的船舶数量,Wiu=第i副单元格内，若第k类船舶中第1类尺度的船舶吃水小于水深，距航道中心线距离，Fi=能见度影响参数，F2=风力影响参数。全文摘要本发明涉及一种基于地理信息系统的水上交通风险评价及预测方法，所采用的方法是以某一水域通航风险的现状和未来为研究对象，根据该水域历史的和当前的交通状况，分析水域的通航环境的特征，结合该水域水上交通事故的特点，建立碰撞、搁浅事故风险评价和预测模型，评价水域通航条件的变化对水域通航环境产生的影响以及相应的通航风险，直观地体现出水域风险的地理分布，并对未来的水上交通风险进行动态预测。本发明在一定程度上避免了那些仅用定性方法评价的粗浅化，具有网格化、动态化的特点，本发明的应用不仅可以直观地反映水上交通风险的地理分布，而且可以预测未来的通航环境风险情况。文档编号G06Q50/30GK101344937SQ20071016837公开日2009年1月14日申请日期2007年11月16日优先权日2007年11月16日发明者刘敬贤,笛张,伟李,王初生,范耀天,韩晓宝申请人:武汉理工大学;天津港(集团)有限公司