沿海港口船舶作业条件监测预警方法与流程

港口航道及近海工程技术领域，尤其是涉及沿海港口船舶作业综合条件预报预警技术。

背景技术：

船舶作业条件作为海港码头运营中的重要参考因素，它会影响船舶靠泊操作、码头装卸调度等，进而影响码头运营的经济效益，因此准确预测码头泊位处的风浪、潮流以及船舶动力响应对保障码头系泊安全，合理进行生产调度等有着非常重要的经济效益和安全意义。

经调研，我国沿海港口年吞吐量已超过120亿吨，原油吞吐量达4.2亿吨，沿海港口建设投资已多年维持在850亿元以上，港口大国地位凸显。调研发现，由于建设条件的限制，港口运营期间，不同位置处的泊位作业条件有较大不同，生产效率不一，运营安全在某些泊位还存在较大隐患。例如，一些中小港口的离岸泊位和口门附近的大型泊位，因掩护条件相对较差，受外海涌浪影响较大。

目前，海洋系统的海浪预报主要针对某一海区，尚未直接服务于具体的港口和码头，且波浪预报只有波高，没有波周期，对港口生产作业缺乏针对性和有效性。迫切需要建立一套集波浪预报、潮位潮流预报、船舶系靠泊于一体的预报预警系统，为港口运营和生产提供技术支撑。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出沿海港口船舶作业条件监测预警方法，对港内泊位处未来3天的作业条件进行预测，并针对系泊船舶在外界环境下的动力响应进行预测，根据对应的运动量、缆绳拉力与规范比较，给出船舶系泊条件下的作业安全等级，码头运营人员可根据以上的预测信息，更为合理地安排船舶靠泊操作以及码头装卸作业。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

沿海港口船舶作业条件监测预警方法，具体包括如下步骤：

(1)通过历史资料搜集以及现场实测数据，建立风资料数据库，得到现场监测的风数据以及预报的风数据；

(2)建立波浪资料数据库，得到现场波浪监测数据、以及预测的外海波浪数据、预测的泊位处波浪数据；与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习；

(3)建立潮流资料数据库，首先建立制定港区的潮流数学模型，给出码头泊位的潮流预测数据；与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习；

(4)建立船舶动力响应资料数据库，针对港区内的特定船型建立船舶运动量响应数学模型，基于上述步骤(1)(2)(3)中预报的风浪流条件，预测对应的船舶运动量、系缆力及护舷撞击力数值；与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习；

(5)根据pianc规范和相关标准，评估系泊船舶的运动量、系缆力和护舷撞击力，给出对应的预警等级，其中包括安全作业、基本满足作业、不可作业但可系泊以及不可系泊需逃离码头等信息。

进一步的，所述步骤(1)中，风资料数据库包括常规风以及台风等灾害条件下的数据。

进一步的，所述步骤(2)中，根据风资料数据库中的数据，运用遗传算法得到外海波浪数据库，然后通过抛物型缓坡方程推算工程区的设计波浪条件及小范围计算波浪边界条件；进而采用丹麦dhi的mike21计算软件中的bw波浪计算模块得出码头泊位处波浪预测数据。

进一步的，所述步骤(3)中，潮流数学模型采用大小模型嵌套的方法进行计算，选用连续方程、x方向动量方程、y向动量方程等控制方程计算模型中各个网格单元的流速流向，给出码头泊位的潮流预测数据。

进一步的，所述步骤(4)中，所述的船舶运动量响应数学模型首先基于势流理论对船舶的水动力参数进行计算，包括附加质量、附加阻尼、波浪荷载、单位幅值响应算子(rao)等参数，然后考虑系泊系统和碰撞护舷的恢复刚度，建立系泊船舶在风、浪、流等环境载荷和系泊载荷的共同作用下的计算模型；在时域内，考虑系泊系统之后的平衡方程如公式(1)所示：

其中，mij为浮体质量矩阵；aij为浮体附加质量矩阵；xj为浮体的位移向量(包括纵移、横移、升沉、横摇、纵摇和艏摇)；cij为浮体恢复力系数矩阵；为系统的时延函数；fm为系泊力，n为锚泊线的数量；fw为波浪力，fc为流载荷；fwind为风载荷；

fm缆绳拉力根据输入的缆绳拉伸力与变形曲线计算，与缆绳的相对伸长(δl/l)和缆绳的最小破断力bl有关；

如果带缆桩的坐标为(x1,y1,z1)，船舶在初始位置对应的导缆孔坐标(x2,y2,z2)，缆绳原长可由下式确定：

如果船舶发生运动后，导缆孔的坐标变为(x'2,y'2,z'2)，则缆绳长度应为：

计算出缆绳的相对伸长根据曲线则可得出缆绳对应的拉力；

fw波浪力的计算根据水动力软件hydrostar计算一阶波浪载荷和二阶波浪载荷，并考虑浅水效应，计算二阶差频波浪载荷传递函数(qtf)，得到作用在港内系泊船舶上的波浪作用力，而以往在数值模拟港内系泊船舶时，多未考虑波浪对船舶的激励作用，只考虑了系泊缆的静张力；

fc根据ocimf规范的有关规定，船舶受到的纵荡方向流力fc1、横荡方向流力fc2和艏摇流力矩mc分别为：

fc1＝1/2cxcρwvc²lbpt；

fc2＝1/2cycρwvc²lbpt；

mc＝1/2cxycρwvc²lbp²t

其中，系数cxc、cyc和cxyc为流体系数，可根据不同装载、不同船型进行选取；ρw为空气密度；vc为风速；lbp为船舶的垂线间长；t为吃水；

fwind根据ocimf规范的有关规定计算，船舶受到的纵荡方向风力fwind1、横荡方向风力fwind2和艏摇风力矩mwind分别为：

fwind1＝1/2cxwρwvw²at；

fwind2＝1/2cywρwvw²al；

mwind＝1/2cxywρwvw²allbp

其中，系数cxw、cyw和cxyw为风力系数，可根据不同装载、不同船型进行选取；ρw为空气密度；vw为风速；为船舶的横向受风面积at，al为船舶的纵向受风面积；lbp为船舶的垂线间长。

相对于现有技术，本发明所述的沿海港口船舶作业条件监测预警方法具有以下优势：

应用本发明方法，在目前仅有外海波浪条件预报的前提下，能够较为科学地针对工程港区的外界环境条件进行分析，为预测船舶的动力响应提供了可靠的依据；同时结合具体的船型，将外界环境条件反馈到船舶的动态响应中，建立港口船舶作业安全方法，降低了船舶系泊作业期间船舶断缆以及碰撞的风险，避免了由于天气和海况信息的掌握不全面、调整指令时效性以及仅凭个人经验进行系泊作业的弊端，使结果更为合理和准确，对实际操作更具有指导意义。

本发明的另一目的在于提出一种沿海港口船舶作业条件监测预警系统，对码头作业条件进行预测预警，保障码头系泊安全，提高码头经济效益和重要的安全意义。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种沿海港口船舶作业条件监测预警系统，包括风资料数据库模块、波浪资料数据模块、潮流资料数据库模块以及船舶动力响应资料数据库模块，其中风资料数据库模块包括风数据现场监测模块和风数据预报模块，波浪资料数据库模块包括波浪数据现场监测模块、外海波浪数据预测模块和泊位处波浪数据预测模块，潮流资料数据库模块包括潮流数据现场监测模块、潮流数据预报模块，船舶动力响应资料数据库模块包括运动量、缆力及护舷撞击力现场监测模块以及运动量、缆力及护舷撞击力数据预报模块。

本发明所述的一种沿海港口船舶作业条件监测预警系统与上述的一种沿海港口船舶作业条件监测预警方法的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的沿海港口船舶作业条件预测预警方法的分析示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，对港内泊位处未来3天的作业条件进行预测，并针对系泊船舶在外界环境下的动力响应进行预测，根据对应的运动量、缆绳拉力与规范比较，给出船舶系泊条件下的作业安全等级。码头运营人员可根据以上的预测信息，更为合理地安排船舶靠泊操作以及码头装卸作业。

如图1所示，本发明的沿海港口船舶作业条件监测预警方法，它包括以下步骤：

(1)通过历史资料搜集以及现场实测数据，建立风资料数据库，其中包括常规风以及台风等灾害条件下的数据；

(2)建立波浪资料数据库，首先根据上述的风数据，运用遗传算法得到外海波浪数据库，然后通过抛物型缓坡方程推算工程区的设计波浪条件及小范围计算波浪边界条件；进而采用丹麦dhi的mike21计算软件中的bw波浪计算模块得出码头泊位处波浪预测数据。与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习，提高预测精度；

其中，遗传算法如下：遗传算法是一种全局优化算法，它借用了生物遗传学的观点，通过自然选择、遗传、变异等作用机制，实现各个个体的适应性提高。遗传算法类似于自然进化，通过作用于染色体上的基因寻找好的染色体来求解问题。与自然界相似，遗传算法对求解问题的本身一无所知，它所需要的仅是对算法所产生的每个染色体进行评价，并基于适应值来选择染色体，使适应性好的染色体有更多的繁殖机会。在遗传算法中，通过随机方式产生若干个要求解问题的数字编码，即染色体，形成初始群体：通过适应度函数给每个个体一数值评价，淘汰低适应度的个体，选择高适应度的个体参加遗传操作，经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种群。对这个新种群进行下一轮进化。这就是遗传算法的基本原理。

选择即从当前群体中选择适应值高的个体以生成交配池的过程，目的是为了从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代产生后代个体，遗传算法通过选择操作模仿生物中的优胜劣汰操作。适应度越高的个体被遗传到下一代的概率较高。选择的目的是为了避免基因损失，提高全局收敛性。有很多常用的选择算子。

由样本集合φ＝{(ui,vi)},i＝1,2,…,m,m＜n，其中m为样本个数，u，v为遗传因子，ui，vi为期望值。定义适应度函数为：

具体实现步骤如下：

根据预报区域过去30年风浪数据，生成一个初始群体。

风浪响应时间分析，例如在渤海区域取较长风距500km，对于风可取风速作为是否产生影响的因子，如风速10m/s，则有效影响时间为50000s，为13小时；对于波浪取波长周期比为影响因子，如3s的波浪，速度约为5m/s，则影响时间为26小时。风浪的成长需要一定的过程，综合考虑取一个较长的时间3天，即72小时。

相似基因获取技术，对于渤海的风，有4个主要因子：风速的大小及过程、风向及过程、风速的空间分布、风向的空间分布。在渤海中取n个点，将72小时分隔为m个均匀时间段，预测期内的数据为ui,j、vi,j，i＝1,…n；j＝1,…m。在历史数据中相同的位置，相同的时间间隔，任意的时间起点t，得到ui,j、vi,j，i＝1,…n；j＝1,…m。

构建基因符合程度参数kti,j＝((ui,j-ui,j)^2+(vi,j-vi,j)^2)/(ui,j^2+vi,j^2)，kt为时间和空间上的总和，在接近30年的数据中取kt的最小值，就是基因差异最小的遗传样本。

风浪预报技术，风与浪之间存在复杂的相关关系，与地形潮位边界等因素有关。应用实测资料进行相关分析是有效且高效的方法。在风浪预报中首先将历史资料作为实测历史数据进行处理，由此可以建立起风与浪的关系。对72小时的风速大小建立不同权重，离当前越近权重越大，得到代表风速；同样对风的方向进行处理，得到代表风向。权重系数可取三角形分布。

(3)建立潮流资料数据库，首先建立工程港区的潮流数学模型，潮流数学模型采用大小模型嵌套的方法进行计算，选用连续方程、x方向动量方程、y向动量方程等控制方程计算模型中各个网格单元的流速流向，给出码头泊位的潮流预测数据；与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习，提高预测精度；

(4)建立船舶动力响应资料数据库，针对港区内的特定船型建模分析，基于上述预报的风浪流条件，预测对应的船舶运动量、系缆力及护舷撞击力数值；与现场实测数据进行对比，在原有算法的基础上进行自学习，提高预测精度；

船舶运动量响应数学模型：首先基于势流理论对船舶的水动力参数进行计算，包括附加质量、附加阻尼、波浪荷载、单位幅值响应算子(rao)等参数，然后考虑系泊系统和碰撞护舷的恢复刚度，建立系泊船舶在风、浪、流等环境载荷和系泊载荷的共同作用下的计算模型。在时域内，考虑系泊系统之后的平衡方程如公式(1)所示：

其中，mij为浮体质量矩阵；aij为浮体附加质量矩阵；xj为浮体的位移向量(包括纵移、横移、升沉、横摇、纵摇和艏摇)；cij为浮体恢复力系数矩阵；为系统的时延函数；fm为缆绳拉力，n为锚泊线的数量；fw为波浪力，fc为流载荷；fwind为风载荷。其中系泊力fm、波浪力、流载荷fc和风载荷fwind。

fm缆绳拉力根据输入的缆绳拉伸力与变形曲线计算，与缆绳的相对伸长(δl/l)和缆绳的最小破断力bl(不同缆绳会有对应的bl值)有关。

如果带缆桩的坐标为(x1,y1,z1)，船舶在初始位置对应的导缆孔坐标(x2,y2,z2)，缆绳原长可由下式确定：

如果船舶发生运动后，导缆孔的坐标变为(x'2,y2',z'2)，则缆绳长度应为：

计算出缆绳的相对伸长根据曲线则可得出缆绳对应的拉力。

fw波浪力的计算根据水动力软件hydrostar计算一阶波浪载荷和二阶波浪载荷，并考虑浅水效应，计算二阶差频波浪载荷传递函数(qtf)，得到作用在港内系泊船舶上的波浪作用力，而以往在数值模拟港内系泊船舶时，多未考虑波浪对船舶的激励作用，只考虑了系泊缆的静张力。

fc根据ocimf规范的有关规定，船舶受到的纵荡方向流力fc1、横荡方向流力fc2和艏摇流力矩mc分别为：

fc1＝1/2cxcρwvc²lbpt；

fc2＝1/2cycρwvc²lbpt；

mc＝1/2cxycρwvc²lbp²t

其中，系数cxc、cyc和cxyc为流体系数，可根据不同装载、不同船型进行选取；ρw为空气密度；vc为风速；lbp为船舶的垂线间长；t为吃水。

fwind根据ocimf规范(oilcompaniesinternationalmarineforum)的有关规定计算，船舶受到的纵荡方向风力fwind1、横荡方向风力fwind2和艏摇风力矩mwind分别为：

fwind1＝1/2cxwρwvw²at；

fwind2＝1/2cywρwvw²al；

mwind＝1/2cxywρwvw²allbp

其中，系数cxw、cyw和cxyw为风力系数，可根据不同装载、不同船型进行选取；ρw为空气密度；vw为风速；为船舶的横向受风面积at，al为船舶的纵向受风面积；lbp为船舶的垂线间长。

(5)根据pianc规范和相关标准(见下)，评估系泊船舶的运动量、系缆力和护舷撞击力，给出对应的预警等级，其中包括安全作业、基本满足作业、不可作业但可系泊以及不可系泊需逃离码头等信息。

(6)进行系统架构搭建以及系统单元测试，通过系统集成实现系统的各项功能，达到预测预警的目的。

其中，相关标准如下表所示：

(1)运动量标准：

表1国际航运协会不同船舶安全作业推荐允许运动范围标准(pianc，1995)

(2)系缆力标准：

根据我国《港口工程荷载规范》(jts144-1-2010)10.2.4条规定：“系缆力的标准值不应大于缆绳的破断力。缆绳破断力应按缆绳材质和规格确定。当缺乏资料时，可按附录g确定”。

根据石油公司国际海事论坛(ocimf)“mooringequipmentguidelines(2008)”的规定：“对于钢缆(steelwire)，其缆绳所受拉力不应大于其最小破断力(mbl)的55％；对于合成纤维缆(syntheticrope)，其缆绳所受拉力不应大于其最小破断力的50％；对于尼龙缆(polyamiderope)，其缆绳所受拉力不应大于其最小破断力的45％”。

(3)撞击力标准：

对于护舷的撞击力和撞击能量，当计算所得到的撞击力和撞击能量超过护舷的设计撞击力和撞击能量时，则认为护舷型号不满足要求。

其中运动量数值为表中60％则为作业条件良好，运动量数值接近表中数值为基本可满足作业，运动量数值大于表中数值为不可作业但可系泊。运动量超过表中数值，且系缆力大于55％的最小破断力，则船舶需要逃离码头。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。