（管理科学与工程专业论文）港口外航道整治工程项目决策中淤积预测分析.pdf

摘要 港口在国民经济中的地位进一步提升，港口功能不断拓展，己从传统的运输 节点转为国际贸易的中心。 港口、航道的泥沙淤积问题一直是影响许多港口发展的一个制约因素。海岸 工程中经常采用工程措施来处理和解决泥沙问题。 但是对于粉沙质海岸的淤积机制研究目前尚不是很完善，所以采用统计方法 和计算机手段对骤淤进行分析和预测十分必要。 本文首次以生存分析作为计算工具，以北方某港资料为实例，研究了以淤积 为死亡时间，选取工程实践中的一些指标作为输入指标，并运用生存分析方法对 港口淤积进行主成分分析得到影响港口淤积的主要因素与独立因素。提出了应用 神经网络方法进行预测的模型。模型输入指标采取运用生存分析得出的独立因 素。 生存资料存在部分删失数据，忽略删失观察将导致对该观察点后危险性的过 高估计，因为数据中包括随访时间短且到达观察终点的数据，而排除了随访时间 短的删失数据。 避免了生存分析中的风险比例假定。每个月作为一个病人，条件基本可以假 定为固定的。充分利用了生存分析处理截尾数据的能力，也利用了神经网络在预 测中的灵活性。 关键词：生存分析b p 神经网络港口淤积预测 a b s t r a ct t h es t a t u so fh a r b o rm n h e rp r o m o t e si nt h en a t i o m le c o n o m v t h eh a r b o r ，s 劬c t j o nd e v e l o p su n c e a s i l l 9 1 y ，t r a l l s f e r s 丘0 mt h et r a d i t i o n a lt m s p o r t a t i o nn o d et ot h e c e m e ro fi 1 1 t e m a t i o n a lt r a d e t h eq u e s t i o no fh a r b o ra n dr o m e ss i hd 印o s i ti sa l w a y sar e s t r i c t i o nf a c t o l w 1 1 i c ha f r e c t sm a n yh a r b o rd e v e l o p m e m t h ec o a s t a le n g i n e e r i l l gu s e st h em e c h a i l i c a l c o m r o lm e a s u r et od e a lw i t ha n dr e s o l v es i hi s s u e 丘e q u e m l v b u tf e g a r d i n gt h es t u d ya b o u tt h ed 印o s i tm e c h a i l i s mo fp o w d e r s e a c o a s tw a ss t i un o tp e r f e c t ，t h e r e f o r eu s i r 玛t h es t a t i s t i c a lm e t h o da n d t h e m e t h o da n a l y z ea n df o r e c a s ts u d d e m yd 印o s i ti sv e 珂e s s e n t i a l s a n d 协e s s c o n 甲u t e r t 1 1 i sa n i c l et a k e ss u i v a la m l y s i sa st h ec o m p u t i i l gt o o lf o rt h ef i r s tt i i l l e ，t a k e s o n en o n hp o r t sm a t e r i a la st h ee x a n 】p l e ，咖d i e su s i i 塔t h ed e p o s i ta st h ed e a t ht i i l l e ， a 1 1 ds e l e c t ss o m et a 略e t s 舶mp r o j e c tp r a c t i c ea sm e 呻u t t 鹕e t t h i sa n i c l eu s e st h e s u r v i v a la n a l y s i st oa m l ) ，z et h ep r i l l c i p a lc o n 中o n e m so fh a r b o r ，sd 印o s i ta 1 1 do b t a i l l t h ep r h a 叮f a c t o r sa n dt h ei 1 1 d 印e n d e n tf a c t o r s ，w h i c hi 1 1 n u e n c el l a f b o r ，s d e d o s i t p r o p o s e dt h em o d e lo fu s i i l gt h ea p p l i c a t i o nn e u r a ln e t w o r km e t h o dt of o r e c a s t t h e m o d e l sh l p u tt a 玛e ta d o p t st h ei 1 1 d 印e n d e n tf a c t o rw k c ho b t a i l l sb yu s i l l gt h es u r v i v a l a n a l y s i s t h es u l v i v a lm a t e r i a le x i s t s p a r to ft h ed e l e t i l l gd a t aa n dn e 9 1 e c t sd e l e t i l l g o b s e r v a t i o nw i l lc a u s eo v e r e s t i i l l a t i o na b o u tv i e w p o n sp o s t r i s k y ，b e c a u s ei nt h e d a t a 疵l u d i l l gt h ed a t a ，t h ev i s 劬玛t 妇ei ss h o r ta n da 币v e sa tt h eo b s e a t i o ne n d p o m t ，h o w e v r e m o v i r 塔t h ed e l e t i i 培d a t aw i t hs h o nv i s “i 1 1 9t i n l e t h ea n i c l ea v o i d sr i s k p r o p o n i o nh y p o m e s i so ft h es u i v a la n a l y s i s e v e r y m o m ht a k e sa sap a t i e m ，a n dt h ec o n d i t i o nm a yb e s u p p o s e df e d 】y t a k 访g 如l 】 a d v a m a g e so fs u r v i v a la n a l y s i st oa n a l y z et h ed b i l i t yo ft h ec h o p p e dd a t aa n da l s o u s e dt h en e x i b i l i t yo f t h en e u r a ln e t w o r ki i lf o r e c a s t i l l g 1 ( e yw o r d s ： a 1 1 a 岫o fs 州v a j ，b pn e u r a in e 觚。比d 印o s o f 眦 p r e d i c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了i 胄 意。 学位论文作者签名：嘏叛签字日期： ) 叻勺年r 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翻波导师签名：戋扫 莎 签字日期：嗣年s 月1 日 签字日期：7 q 年r 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 港口外航道整治项目决策中淤积预测重要性 1 1 1 港口对国民经济的影响 在经济全球化趋势的推动下，以资本和技术为主要形式的产业转移在世界范 围内兴起。经济和对外贸易的快速发展，推动了港口运输业的发展。港口在国民 经济中的地位进一步提升，港口功能不断拓展，己从传统的运输节点转为国际贸 易的中心。作为本地区与外界物资和信息交换的重要载体，港口经济己经成为推 动区域经济发展的重要力量，因此，研究港口对区域经济的影响具有重要的现实 意义。我国沿海地区面临亚洲和太平洋地区，是经济发展最活跃、海洋运输最繁 忙、世界经济核心城市分布最密集的地区之一，这为我国沿海地区利用本区域的 港口优势，发挥港口具有的辐射带动作用，更深层次地参与国际产业分工，利用 国际资源发展区域经济，创造了得天独厚的条件。从我国经济发展的进程看，我 国沿海地区的迅速繁荣与港口经济的促进作用密不可分【l 】 2 】。 港口经济已经成为区域经济发展的增长极。发展经济学认为，在区域经济发 展的过程中，不同的时期、不同的行业、不同的地区发展是不平衡的。在一个时 期，经济的增长往往集中在一个或几个主导产业或地区，这些产业或地区就是经 济增长极。近几年，我国沿海地区港口经济发展迅速，成为区域经济发展的重要 带动力量。以青岛为例，2 0 0 4 年，青岛港完成港口吞吐量1 6 3 亿吨，进入全国 三甲行列。与此相关，物流、临港服务、修造船等关联行业发展迅速，港口经济 集聚效应明显，马士基、伊藤忠、韩国韩进海运等世界5 0 0 强和众多国际著名企 业相继到青岛投资发展，大量资金、技术、人才以及一些重大项目向青岛及周边 区域集中，形成了大量外部投入，为经济发展带来了新的活力【3 j 1 4 1 。 港口经济成为配置资源，调整本区域产业结构的重要力量。经济的发展离不 开各种资源，而资源空间分布存在着不均衡性，这就需要靠运输来进行调节。港 口城市作为海上货物运输和陆上货物运输的结合点，拥有更为广阔的经济腹地， 具有利用外部资源发展本地区经济的独特优势。同时，现代化港口也为本地区参 与全球竞争提供了高效便捷的通道，发挥着市场配置资源的基础性作用，使各种 资源运输成本降低，同时还可降低区域经济发展中的交易成本，形成良好的发展 环境，增强本区域的竞争优势。因而，港口使各种资源向港口及港口周边地区集 第一章绪论 中。这就促使更多的相关公司、供应商和关联产业相应集中，形成相关产业链条， 促进区域经济产业升级p j 。 港口经济关联性强，对区域经济发展带动作用大。首先，港口经济的发展将 直接推动本区域的基础设施建设。据世界银行的研究，一个区域的总产出受道路、 机场和港口等基础设施的影响显著，区域经济发展与公共基础设施之间存在一个 正的相关关系。港口经济的发展直接导致对道路、港口等公共设施需求的增加， 可以吸引大量外来投资，推动有关基础设施及相关配套设施建设，这将进一步促 进城市建设与经济发展的良性互动。其次，港口经济可以带动关联行业的发展。 港口的发展既需要仓储、运输、物流、加工、贸易、金融、保险、代理、信息、 口岸相关服务的支持，也会极大带动这些产业的发展。以天津港为例，港口每万 吨吞吐量创造g d p 的贡献约为1 2 0 万元，对地区就业的贡献为2 6 人，港口生产 经营与其他相关产业及间接诱发经济贡献为1 5 ，提供就业比值为1 9 。港口已经 成为沿海城市贸易发展、制造业繁荣的重要支撑点。目前，沿海地区成为我国现 代制造业最发达、服务业最繁荣的区域，直接推动了整个国家经济的发展，加强 了我国经济与世界经济的联系，提高了我国在国际分工中的战略地位。 港口经济对我国国民经济具有全局性的效应。沿海港口经济的发展，港口基 础设施的改善，货物运输能力的提高有力地推动了我国外向型经济的发展：上海、 深圳、青岛等港口城市已经成为国际港口集装箱运输的重要枢纽；港口经济的发 展与我国城市的发展正在结合为一个整体，不仅加强着城市的交通枢纽功能，而 且日益成为城市最为开放和创新功能最强的元素，成为沿海地区经济发展的核心 动力。尤其重要的是，我国港口功能的增强和港口经济的壮大，有效地带动了腹 地的经济发展，推动了京津唐、长江三角洲、珠江三角洲等区域经济一体化的进 程，决定着我国经济发展的地带性格局 3 儿4 i 。 1 1 2 泥沙淤积问题对港口项目决策的影响分析 港口航道的泥沙淤积问题一直是影响许多港口发展的一个制约因素。海岸工 程中经常采用工程措施来处理和解决泥沙问题。在对工程建设进行论证时，需要 了解淤积量，淤积的分布，以便确定工程的平面布置。同时还要研究泥沙的运移 规律以确定工程的项部高程。因此，泥沙的运动机理对工程措施的确定是十分重 要的，对此国内外的学者也展开了大量的研究。 港口经济关联性强，对区域经济发展带动作用大。首先，港口经济的发展将 直接推动本区域的基础设施建设。据世界银行的研究，一个区域的总产出受道路、 机场和港口等基础设施的影响显著，区域经济发展与公共基础设施之间存在一个 第一章绪论 正的相关关系。港口经济的发展直接导致对道路、港口等公共设施需求的增加， 可以吸引大量外来投资，推动有关基础设施及相关配套设施建设，这将进一步促 进城市建设与经济发展的良性互动。其次，港口经济可以带动关联行业的发展。 港口的发展既需要仓储、运输、物流、加工、贸易、金融、保险、代理、信息、 口岸相关服务的支持，也会极大带动这些产业的发展。以天津港为例，港口每万 吨吞吐量创造g d p 的贡献约为1 2 0 万元，对地区就业的贡献为2 6 人，港口生产 经营与其他相关产业及间接诱发经济贡献为1 5 ，提供就业比值为1 9 。港口已经 成为沿海城市贸易发展、制造业繁荣的重要支撑点。目前，沿海地区成为我国现 代制造业最发达、服务业最繁荣的区域，直接推动了整个国家经济的发展，加强 了我国经济与世界经济的联系，提高了我国在国际分工中的战略地位。 港口经济对我国国民经济具有全局性的效应。沿海港口经济的发展，港口基 础设施的改善，货物运输能力的提高有力地推动了我国外向型经济的发展；上海、 深圳、青岛等港口城市已经成为国际港口集装箱运输的重要枢纽；港口经济的发 展与我国城市的发展正在结合为一个整体，不仅加强着城市的交通枢纽功能，而 且日益成为城市最为开放和创新功能最强的元素，成为沿海地区经济发展的核心 动力。尤其重要的是，我国港口功能的增强和港口经济的壮大，有效地带动了腹 地的经济发展，推动了京津唐、长江三角洲、珠江三角洲等区域经济一体化的进 程，决定着我国经济发展的地带性格局。 在我国1 8 0 0 0 多公里的大陆海岸线中，淤泥质海岸占有很大比重。在淤泥质 海岸建造港口存在着两个问题：一是开挖的进港航道很长；二是航道、港池淤积 现象严重。从全国港口情况看，南方主要港口淤积相当严重。北方港中的天津港 位于渤海湾淤泥质海滩上，自1 9 3 9 年开始筑港以来，航道、港池的泥沙淤积问 题一向引人瞩目，每年均需进行大量的维护疏浚才能保证正常使用。 港池和航道的泥沙淤积。各港口都有淤积现象。常是在多泥沙活动的海岸建 港的严重问题。泥沙运移主要动力是波浪和潮流。对于平直的沙质、淤泥质海岸 和溻湖、河口、岛屿问港口的泥沙，淤积作用各不相同。 沙质海岸：斜向波可产生沿岸漂沙，同向潮流或海流能加强沿岸漂沙的作用。 漂沙遇突堤式防波堤时产生的淤积，呈三角棱体状。淤积后期，沿岸漂沙将绕过 防波堤的堤头，淤积于附近和航道，部分可扩散至港池后淤积。如果岛堤式防波 堤的波影区伸展入沿岸漂沙带，将促使泥沙沉积而形成沙嘴，并不断往深水处和 来沙一侧发展，使航道和港池淤塞。在渴湖口门附近，沿岸漂沙可沉积而成拦门 沙。 淤泥质海岸：波浪主要起掀沙作用，潮流主要起输沙作用。涨潮流将泥沙带 入港池和航道，部分沉积下来，可造成港口严重淤积。 第一章绪论 河口和河口附近：径流挟带的泥沙，部分可直接进港或由潮流辗转输送进港。 防淤工程措施通常有建筑防波堤、丁坝、导堤、岛堤等。在沿岸漂沙的海岸建港 时，除应建防波堤外，还建筑丁坝或岛堤，遏止上游来沙；在淤泥质海岸建港时， 防波堤应伸展到含沙量较小的海域，且可在航道上挖出一些深坑以聚沙；在漏湖 口门建港时，宜建筑导堤；海峡内建港时，宜排除口门及两侧的障碍物，使潮流 畅通。【7 】【8 】【9 】【l o 】 港口清淤工程，是指当泊位发生淤积现象时，由施工单位负责制定有效的工 程计划并加以施行，以保证泊位的维护水深的过程。现行的清淤工程不同于其他 施工工程，有其特殊特点：施工范围较大、施工地段零散、各地段的施工环境不 同、工程量通常较大。从其工期来看，又往往不同于其他基建工程。在基建工程 施工中，一般是要求施工单位，尽量按期完工，或提前完工。但在维护工程中， 其目的是保证港池、泊位的适航水深，在施工期间，要避让作业区的货船进出， 而使施工中实际的挖泥时间难以准确控制。因而每一个单项的工程工期只是一个 经验数值：又因为何时、哪个地段需要施工，都要由甲方确定，所以，维护工程 的合同工期与实际工期一般不会相符，经常发生提前开工及延期的情况。港口淤 积现象的动态性在清淤工程期间，港口的各种条件并不是一成不变的；在确定工 程量时，不予考虑通常只考虑正常天气状态，而对施工期间非正常天气的影响泊 位清淤与其他工程不同，清淤工作大部分是在正常船只进出间隙进行的，不大可 能在清淤期间停用泊位。 各种挖泥船只的运动有可能引致淤泥颗粒的掀起而降低泥沙容重，在容重较 小的情况下并不影响正常船只的使用：而在清淤工作结束后掀起泥沙的沉降现象 以及其他因素的千扰有可能影响清淤工程的效果，甚至有可能在阶段性清淤工作 完成之后很短时间内不得不重新开始清淤工作，从而缩短清淤周期、增加费用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 港口淤积预测的现状 淤泥海岸环境的水动力条件和泥沙运动特性的变化规律十分复杂。因此，造 成港口回淤强度变化的因素也是多方面的，它不仅受着港区所在海域水动力和泥 沙供应等条件的制约，而且很大程度上还受到港口工程后局部性的水动力条件、 泥沙运动、地形变化以及船行波扰动频度大小的影响。然而由于它们之间的相互 作用关系复杂，以及反映其客观过程的随机性等原因，造成了以确定性函数关系 表达回淤强度变化的困难。因此现仍多半依赖于实际资料进行经验或半经验表达 4 第一章绪论 的研究。 多年来，国内外很多专家学者都曾针对某一特定港口或特定泊位应用流体动 力学、海洋工程学等方面的知识，对港口的地形和海岸性质、上游河流状况、波 浪、潮流、泥沙性质等因素进行详尽的分析与计算，从不同角度探讨了港口淤积 的各种规律，归纳起来，主要有以下几种方法：现场实测资料量计；经验关系式 估算；物理模型；数学模型( 数值、解析计算和随机统计) ；时间序列一自回归 分析等。 目前第一种方法的实现，虽然仍需要进行大量的现场测量和室内繁冗的量计 工作，耗费较多的人力物力，但就其精度而言，以这种最基本而工作量较为庞大 的方法较其它几种研究方法所得到的成果更能真实地反映泥沙回淤的实际状况。 因此，它可作为港口泥沙回淤强度的指标提供于港建部门。 ( 1 ) 现场实测资料量计法 这种方法主要是通过对港口各区域进行淤积情况的现场实测，通过对实测资 料的整理和量化，指导清淤工程。例如，有关专家曾对位于日本有明海西岸的熊 本港进行淤积分析，为了了解其航道淤积情况，1 9 8 6 1 9 8 8 年间，专家们在港区 开挖了三个试坑，并设立了水文、波浪观测站，对水文、泥沙及试坑淤积等情况 进行了一年多的连续观测，积累了大量第一手资料，同时，结合一些必要的试验 分析了淤积原因，提出了泥沙运动机理及相应的计算公式；还有专家通过现场实 测资料，分析了山海关港的自然条件、泥沙来源、动力因素及泥沙运动趋势，计 算了沿岸输沙量、港池及航道的回淤情况。 ( 2 ) 经验关系式估算 即根据历年来某港口的淤积强度，淤积规律，建立淤积计算公式。例如，凭 借相关经验知识，总结港口有专家依据天津港大量的实测资料和现港口条件下淤 积规律，根据经验，通过类比方法，提出深水港池、泊位的淤积计算公式m 1 ； 还有专家依据天津港历年实测及有关淤泥特性试验等资料的分析计算，确定天津 港维护疏浚工程计方的合理容重、疏浚工程量等参数。并根据各港池的实测淤强、 含沙量和泥沙沉降速度等得出天津港现状下港池淤积强度计算公式。 ( 3 ) 物理模型 根据港口的淤积情况，通过物理实验建立模型，从而找出港口淤积的相关规 律。例如，有专家通过定床清水模型试验，确定改善潍坊北港港池水深的整治措 施：还有专家在潮流物理模拟的基础上，对宁波港北仓港区在自然状态下、挖泥 增深后的淤积进行研究，提出经过实践验证的峡道海岸港口淤积计算模式。 ( 4 ) 数学模型 即通过建立数学模型的方法，探讨港口淤积的规律。例如，有学者采用三角 第一章绪论 形单元的二维波浪、潮流、泥沙淤积数值模型对珠海电厂、汕尾电厂的煤港码头、 航道方案进行了模拟计算：还有学者利用潮流和泥沙淤积数学模型，计算了天津 港的流场分布、含沙量分布以及悬沙落淤强度分布。 1 2 2 生存分析的研究现状 生存分析( s u r v i v a la n a l y s i s ) 是研究从起点事件到终点事件所持续时间及其相 关影响因素的一类技术方法的总称。有很多模型可用于拟合生存时间与相关变量 间的关系，主要有参数、非参数及半参数模型等三大类，每种都各有其缺陷。参 数模型对生存时间的分布要求非常严格，实际资料中极少能满足，几乎很少使用； 非参数模型虽然没有任何应用假设，但现有模型只能满足定性研究的需要，实用 价值也不高；应用最广的要数半参数模型，它们对生存时间的分布没有任何限制， 却要求相关变量以一定的方式影响生存时间，多数资料只能近似符合此类假设， 也难获得满意效果。由于缺乏有效的非参数模型，因此，进行生存分析时，通常 要先对资料进行判断，根据经验决定用哪类模型比较合适，这需要使用者熟练掌 握各种模型的适用条件，对非专业使用者来说不太现实；其次，即便找到了合适 的模型，鉴于大多数模型“苛刻”的假设与现实之间必然存在的差距也将导致对 数据难以满意拟合，这也是为什么当前缺乏有效个体生存预测模型的主要原因； 再者，对于某些没有先验知识的资料，无法决定应该采用什么模型，还有的资料 根本不能在现有模型中找到适用者。现有方法的诸多缺陷形成了发展新型生存分 析模型的源动力。 生存分析模型建好后，还需评价模型的好坏，目前常用的评价方法主要分为 图示及指标比较两类，属于前者的有k a p l a n m e i e r 曲线及m a n i n g a l e 残差 ( m a n 崦a l er e s i d u a l ) 分析；指标比较又分为依赖和不依赖于界点的指标两类， 对于大样本数据，图示法及总体拟合优度统计量就可满足要求。 由于生存资料中截尾观测非常普遍，一个好的生存分析模型应该能够充分利 用截尾观测所提供的部分信息。目前大多数n n 生存分析模型都不能直接利用截 尾观测，而需采用一些特别的处理方法。些学者在分析生存资料时删除截尾数 据或将截尾观测当作终点事件永不发生的情来处理，这两种方法在截尾观测不多 的情况下对预测不会有太大影响，但如果情况不是这样，则有可能导致错误结论。 生存资料存在部分删失数据，忽略删失观察将导致对该观察点后危险性的过 高估计，因为数据中包括随访时间短且到达观察终点的数据，而排除了随访时间 短的删失数据。a n n 用于生存分析国内未见报道，国外方法有：忽略删失数据 而对生存时间进行预测；把随访时间分成不连组进行分析等。 6 第一章绪论 像对待完全数据那样给予充分的信任，需要采取一些技术处理。专门处理这 种资料的统计方法，称为生存分析。导致数据删失有多种原因，导致人们对他们 的随访观察中断和研究截止。由随机因素引起的，称为随机删失；若事先就定 了截止日期，则称为定时删失( 也称i 型删失) ：若事先就定了观察完多少例就 截止研究，则称为i i 型删失( 也称为定数删失) 。 主要有下列原因： 因迁移原因失去联系； 死于其他原因而造成失访； 因客观原因中途退出； 预定终止结果迟迟不发生； 但它们提供了其生存期长于观察期的信息，这种数据为不完全数据。称为删 失数据，也称截尾数据或终检值。 1 2 3 神经网络的研究现状 神经网络( n e 啪1n e t w o r k ，n n ) 是根据大脑工作原理而设计的智能信息处理 系统，它的出现为用机器模拟人类的思维活动提供了可能，其价值自1 9 世纪8 0 年代被重新认识以来，已在诸多方面获得了成功应用。n n 是做为一种非参数模 型最先于1 9 9 2 年引进生存分析领域的，在短短的十几年时间里，就以其优越的性 能赢得了众多研究者的青睐。 利用预后相关变量对后果进行准确的个体预测非常有用，但传统生存分析模 型都不能很好地胜任这一任务，因此这成了n n 研究者试图开发的首要领域。n n 生存分析模型应用。 国外研究认为，n n 的预测效果大多都与传统模型相当，也有少数几个研究 认为n n 可以改进传统预后预测，这在对那些不符合传统分析模型应用假设的个 例预测中表现尤为明显，极个别例子中n n 的预测性能不如传统型。不管怎样， 这些研究说明在大多数情况下n n 是可以胜任个体生存预测任务的。在所用的预 测变量中，除了传统的相关因素外。 一些批评家认为n n 的最大缺点是其“黑箱”特性，导致结果解释非常困难， 不像传统的统计模型那样有完整而成熟理论及方法去解释它们所获得的结果。不 过这种局面正在逐步改变，已有研究者尝试用不同的方法去理解n n 是如何利用 信息的，从而达到判断预后因子重要性及解释结果的目的。 通过比较单因子模型和不含该因子的主效应模型的总体卡方统计量之和与 完整模型卡方统计量的差别，可研究因子间的相互作用。另外，通过在模型中包 7 第一章绪论 含或不包含某些感兴趣的变量组合还可研究因子间的更高级的交互作用。递归分 级技术与n n 相结合也可用于研究因子间的交互作用。 用模型拟合了一个生存资料后，研究者通常希望能将研究对象按危险因素分 成不同的组以便于随后进一步分析解释。回归树( r e g r e s s i o nt r e e ，r e c u r s i v e p a n i t i o i 血l g 递归分级模型) 解释n n 输出的方法，二者的联合应用还可实现风险函 数的连续性估计。与常规应用不同之处在于，回归树用于分析网络的预测值而非 观测值。若所得回归树为非对称形式，则提示因子间存在交互作用。它不仅提供 了一种灵活的方法去理解用n n 所做的预测，也提出了一种根据数值型预后变量 值选择危险分组界值的科学方法，还可以帮助我们解释各预测变量的重要性以及 它们是如何影响预测的。 n n 用于生存分析的好处在于无需任何假设并能自动识别数据中含有的高度 非线性关系，特别适用于研究没有先验知识以及传统模型不能很好拟合的数据， 对于使用者的统计要求也相对较低，值得推广应用。由于n n 的高度灵活性，对 能整合进模型的变量从理论上没有任何要求，可以最大限度地充分利用现有信 息。 在环境条件的计算、预测、评估、风险分析中，广泛使用数学模型或其它数 学分析工具，将其计算、预测和模拟结果供工程设计和决策使用。但在这些数学 模型和计算中，将计算所需的资料视为不带误差的，而模型的结构和参数则视为 完全已知的，显然，上述假定与实际相去甚远。事实上，资料存在着各种不确定 性，而模型与真实现象的吻合，以及参数的确定也都存在着各种不确定性，从而 导致模型预测结果与实际观测结果存在巨大差距。某次重大工程的数模或物模与 实际存在巨大差距而导致重大的经济损失和决策误差的事实历历在目，必须予以 重视。而在港口海岸泥沙淤积的计算中，国内外普遍采用的途径是应用数值模拟 方法。但是，在很多工程实践中，一些数值模拟方法预测结果与实测淤积量往往 相差甚大，给工程预期规划、经济投入及可持续发展造成困难。究其原因，一般 惯用的数值模拟方法将模型可需的各种输入因素视为不带误差的确定性量，而模 型的结构和相应参数也视为确定不变的。但是，事实上诱发泥沙淤积的各种海洋、 气象动力因素，以及地质、地貌等因素，以及各因素间的相互定义作用，使得模 型的输入因素具有强烈的随机性，它们对模型的运行和计算成果的影响也各不相 同。因此，将神经网络方法引入淤积预测，是对海岸泥沙淤积预测方法的重要推 进。 第一章绪论 1 3 本文的主要工作 本文工作主要包括以下内容： ( 1 ) 以生存分析作为计算工具，以北方某港资料为实例，研究了以骤淤为死 亡时间，选取工程实践中的一些指标作为输入指标。计算淤积现象的生命周期。 并运用生存分析方法对航道骤淤进行主成分分析得到影响航道淤积的主要因素 与独立因素。 ( 2 ) 本文针对某港一次大风过后产生严重的淤积现象，提出了应用神经网络 方法进行预测的模型。模型输入指标采取运用生存分析得出的独立因素。 ( 3 ) 充分利用了生存分析处理截尾数据的能力，也利用了神经网络在预测中 的灵活性。 9 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 2 1 港口外航道淤积一般影响因素 2 1 1 潮汐对港口外航道泥沙淤积的影响 潮汐主要是由于宇宙中各个星体对地球的引力所产生。然而，除月球和太阳 以外的其它天体或因离地球太远，或因质量太小对地面水的引潮力更是微不足 道，影响甚小。从根本上看，潮汐主要是由于月球、太阳对地球表面海水的不均 匀引力作用产生的，且以月球对地球表面海水不均匀引力影响为主。运动着的地、 月、日的相对位置存在着多种周期性变化，因而海水也在作多种周期性组合的复 杂波动，当太阳、月球和地球在一直线上时，就产生大潮；它们成直角时，就产 生小潮。出现涨潮；当此区域处于背月面时，表面海水受到月球引力最小，由引 潮力作用，会出现一次涨潮；当此区域既不处于向月面，也不处于背月面时，海 水水位较低，出现退潮或潮流。在地球一天的自转中月球绕地球公转的位置没 有多大改变，故一天中，地球表面某一区域会出现两次涨潮和两次退潮：再加上 海陆分布，海洋深度，海岸形状等因素的影响，使得不同地方的潮差不同。具体 的量化评价指标包括潮汐形态系数、平均海平面、平均高潮位、平均低潮位、乎 均潮差、平均涨潮历时、平均落潮历时等 2 1 2 潮流对外航道泥沙淤积的影响 因潮汐的周期性变化而带动的水流变化称为潮流。潮流的性质，即潮流的类 型，主要是根据全日、半日分潮流的相对比率来划分。分为正规半日潮流、不正 规半日潮流、不正规全日潮流、以及正规全日潮流。潮流的运动形式可由潮流的 椭圆旋转率来描述。潮流的具体量化评价指标包括最大涨落潮流速、涨潮落潮主 流向、流速的纵向分布、平均流速值等。 2 1 3 波浪对外航道泥沙淤积的影响 波浪的具体评价指标包括风浪频率、涌浪频率、浪向、波高、波高分布率等。 1 0 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 环境泥沙特征主要包括泥沙来源、水体含沙量变化、底质泥沙分布、淤积泥沙容 重等。其中，泥沙来源主要分为河向泥沙以及浅滩泥沙等。河向泥沙主要是指与 港口毗邻或有较大关联的各个河系的径流量、输沙量等：浅滩泥沙主要指经波浪 掀扬而随潮流进港的那部分泥沙。对有些港口而言，浅滩泥沙也是造成港口泊位 淤积的重要来源。水体含沙量的分布变化受季节、潮流、风向等的影响：底质泥 沙分布与淤积泥沙容重等也是环境特征的重要参考因素之一。 2 1 4 风力对外航道泥沙淤积的影响 风力作用是造成港口泊位淤积的重要的元素。风的运动带动或加剧了潮流运 动，并由此可能产生环境特征的变化，如底质泥沙分布及泥沙容重的变动。对某 一港口而言，特定的风向往往与泊位水深有明显的关系。风力、风向及持续时间 的有效分类与统计，对于掌握泊位淤积特征有非常重要的意义。 2 2 生存分析用于港口外航道淤积因素分析的条件 港口的淤积问题已经成为世界上各个港口管理工作的重点和难点所在，尤其 是建立在淤泥质海岸上的人工港，其航道、港池与泊位水深为了达到适航要求， 每年需通过大量的、经常性的清淤疏浚工程来加以维护。而目前的港口清淤施工 单位，每年在制定工程计划时都没有确切的依据，只能凭借经验和历史数据进行 估算，这样就不能合理而有效地安排工程进度和制定设备维护、使用计划，以便 最大限度的发挥劳动力和劳动设备的效用，这无疑会大大增加清淤工程的成本。 航道的工作状态并非静止状态，在不同水文条件下，发生淤积的概率会不同。 国内尚无用时间维度角度描述港口淤积的动态演化过程。生存分析由于可以简单 直观地分析航道不发生死亡事件的持续时间，因而可以成为应用较广的动态分析 工具。 在生存分析中，由于研究结束时，某些个体可能还没有出现我们关心的事件， 那么这些个体的确切生存时间是不知道的，这就导致生存数据存在删失情况。正 是由于生存分析存在着删失数据，使得传统的分析方法可能在分析时出现偏差。 将整个观测时间划分为很多小的时间段，对于每个时间段，计算所有生存到 某时间段起点的案例在该时间段内出现淤塞的概率。也被称为分组资料的生存分 析。 从理论和实验研究上，研究海岸泥沙运动和泥沙运动机理，主要涉及波浪和 波浪及潮流共同作用下的泥沙起动、泥沙输移形态、泥沙的沉降速度、岸滩破波 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 带范围的确定、岸滩海域及破波带范围内的泥沙悬浮和泥沙淤积预报等。 港口、航道的泥沙淤积问题一直是影响许多港口发展的一个制约因素。海岸 工程中经常采用工程措施来处理和解决泥沙问题。在对工程建设进行论证时，需 要了解淤积量，淤积的分布，以便确定工程的平面布置。同时还要研究泥沙的运 移规律以确定工程的顶部高程。因此，泥沙的运动机理对工程措施的确定是十分 重要的，对此国内外的学者也展开了大量的研究。对于淤泥质和砂质海岸的泥沙 问题国内外的研究成果较多。但很多研究成果是在水流条件下得到的，是否适用 于以波浪为主和波流共同作用还需要验证。国内外针对粉砂质海岸泥沙运动专题 研究文献不多。已有的研究结果也尚不能揭示粉砂质泥沙在波浪、水流共同作用 下的运动规律7 】【8 】 9 【1 0 】。 波浪作用下的泥沙起动是研究泥沙运动的最基础的问题，从上世纪4 0 年代 开始，国内外许多学者对该问题进行了大量的实验研究和理论探讨。这些研究成 果大致可分成四类： 第一类是以m a d s e n 和g r a m 为代表的s l l i e l d s 曲线法。参照单向水流作用泥 沙起动的临界希尔兹参数，在考虑波浪作用下泥沙起动时，s m e l d s 参数中的切 应力取床面切应力的最大值，利用s m e l d s 起动关系曲线来确定波浪作用下的泥 沙起动条件。 第二类是以b a g n o l d 、m a n o h a r 为代表的经验法。该方法一般通过波浪起动 实验，将泥沙起动时波浪底部质点最大轨迹速度与波浪要素、泥沙条件等因素建 立经验关系。 第三类是以刘家驹等为代表的水槽实验与理论分析相结合的方法。通过泥沙 受力的理论分析再由实验资料或现场实测资料确定有关参数。该方法获得的研究 成果解决了大量海岸工程中的实际问题，并为进一步研究波浪作用下的泥沙运动 提供了理论基础。 第四类是日本的佐藤、井岛、田中等人利用同位素示踪沙在天然海床上测定 泥沙的运动情况，结合实验室资料，确定不同粒径的泥沙在波浪作用下起动的界 限水深。 在实际工作中，很多工程工作者将失访或中止等原因造成的删失数据抛弃 掉。这样做不仅损失了大量信息，而且也不太科学。而生存分析可以充分利用数 据，从已有数据中挖掘更多隐含信息。 可以处理截断数据是生存分析的一个优点。在观察时段结束时，无法观察时 段结束之后的港口是否发生淤积。原因在于统计资料数据的发布有一个滞后期 限。传统的横截面统计方法，一般将其纳入未发生死亡事件的类别，而生存分析 可以将这些时间段视作观察期内发生死亡时间的案例，并假设发生死亡事件的时 1 2 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 间段与未发生死亡事件的时问段同属于一个总体分布。因而克服了直接选定失败 时间而产生的偏差3 0 】 3 1 。 生存分析在很大程度上能够克服传统横截面统计方法的缺陷。它相对于传统 模型的优势有：在风险模型中因变量是企业持续处于未发生信用风险的时间，即 “生存时间”，而自变量可以是时变协变量。因此可以包含港口外航道淤积发生 的趋势性特征，同时也可以避免样本观测期选择的偏倚：模型可以给出“时间依 存性”，即将生存时间作为解释变量时的失败概率，因此它是分析动态变化的很 有价值的工具；此外，生存分析将发生淤积的时间段和未发生淤积的时间段视为 一个总体，未发生淤积时间段作为“删失数据”( c e r i s o r e dd a t a ) ，即在观察期内 尚未失败而在观察期后是否失败以及何时失败不能预知，这比传统方法将它们直 接作为无效数据更为合理，同时也扩充了数据容量，可更有效地提供样本外预测。 表2 1 生存分析与传统回归的比较 多元线性回归 l o g i s t i c 回归 生存分析回归 数据类 型 y 数值变量y 分类变量y 二分类变量+ 时问 模型结 构x 数值变量、分类变量、等级变量 变量筛 选前进法；后退法；逐步法 参数估 计最小二乘法最大似然法 最大似然法 似然比检验似然比检验 参数检 f t e s tw a l d 检验w a l d 检验 验 t t e s t s c o r e 检验s c o r e 检验 参数解 释回归系数b优势比o r r r 样本含 里 至少变量数的1 0 倍至少变量数的2 0 倍非截尾例数至少变量数的1 0 倍 因素分析因素分析 应用预测预报y预测、判别p ( y = 1 )因素分析 2 3 港口外航道淤积影响的因素分析 2 3 1 淤积影响的单因素分析模型 本文应用生存分析时候充分考虑了这些缺点，模型建立时采用每月为一个个 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 体，而在每个月中港口外航道的基本情况可以假定为固定的。而个体一旦确定， 不会随着时间变化而变化。打个比方，2 0 0 0 年1 月的港口外航道影响因素一旦 确定，不会因为现在的时间到了2 0 0 8 年1 月而有任何改变。 生存分析是一种以删失数据为研究对象的统计方法，近十年越来越受到人们 的关注。1 9 8 6 年美国国家科学院委员会提出的数学发展概况中，把生存分析列为 六大发展方向之一，并作为数学与其它学科甚至社会科学互相渗透的一个重要例 证。生存分析是以人口生命表为基础发展起来的，处理收集来的生存数据，生存 数据包括生存时间以及与其相关的因素。生存分析过去研究的主要领域是生物医 学，而在工业、商业、社会科学等领域的应用也日渐扩大。但是，在整治工程项 目决策领域，生存分析仍是空白。本文首次将生存分析应用于港口淤积预测，探 讨生存分析在港口淤积预测中的应用。 1 0 9 r a 】咄检验( 对数秩检验、时序检验) 该检验属非参数检验，用于比较两 组或多组生存曲线或生存时间是否相同。 检验统计量为卡方。 自由度= 组数1 。 p 0 0 5 ，两组或多组生存曲线不同。 p o 0 5 ，两组或多组生存曲线差别无统计学意义。 此检验比较两组或多组生存曲线，实为一单因素分析。 要求各组生存曲线不能交叉，如交叉提示存在混杂因素，应采用分层分析方 法或多因素方法来校正混杂因素。 当假设检验有统计意义时，可从以下几方面来评价各组效应大小：生存曲线 图目测判断、中位生存期比较等。 2 3 2 淤积影响的多因素分析模型 生存资料( s u r v i v a ld a t a ) 或失效时间资料( f a i l u r e t i i l l ed a t a ) 与多元线性回归 资料很相似，只不过因变量( 或反应变量) 通常为观测对象生存的时间，常用t 来 表示。当然，生存时间是广义的，可以指在通常意义下生物体的生存时间、也可 以指所关心的某现象( 如疾病治愈后、合格品使用后) 持续的时间。若生存时间 是准确观测到的，则称为完全数据。生存资料的一个明显特点是：所收集的资料 中常常包含不完全数据，也称为截尾数据、删失数据、终检数据( c e n s o r e d d a t a ) 。包括删失数据的资料，称为删失资料。对于删失数据，既不能简单地弃 之，也不能像对待完全数据那样给予充分的信任，需要采取一些技术处理。专门 处理这种资料的统计方法，称为生存分析( s u r v i v a la n a l y s i s ) 。 1 4 第二章港口外航道淤积主成分分析模型 c o x 模型是半参数回归模型，它假定自变量具有参数形式，而允许基准风险 函数不具备特定的形式，常被用来说明变量对生存时间的影响效果。 模型总的检验有统计学意义，各个回归系数的p 0 0 5 根据参数估计的结果，可写出c o x 回归方程： 比例风险模型有效性检验：在模型中加入与时间的交互作用项，检验各个因 素与时间是否存在交互作用。 1 9 7 2 年c o x 提出了比例危险模型( p r o p o r t i o m lh a z a r dm o d e l ) ，简称为c o x 模型。由于此模型在表达形式上与参数模型相似，但在对模型中各参数进行估 计时踊依赖于特定的假设，所以又有半参数模型之称。此模型的实用面很宽，在 生存分析中占有特殊的地位。其模型的具体形式为： l l i ( t ) = h o ( t ) e x p ( p 1x i l + p 2 x 边+ + p m x i m ) ( 2 1 ) 式中：h i ( t ) 为第i 名受试者生存到t i 时