基于蒙特卡洛方法的船舶搁浅预警

1、受理部门：研究生院（筹）受理编号武汉理工大学自主创新研究基金项目申 请 书项目类型： 在校研究生创新研究项目 项目子类：1.优秀博士学位论文培育项目;2.研究生国际学术交流预研项目;3.研究生自由探索创新项目（理工科、其他学科）。项目名称： 港口水域通航环境系统安全模态研究 申 请 人： 杨君兰 移动电话：电子邮箱： jil4 所属单位： 武汉理工大学航运学院 申请日期： 2011 年 2 月 27 日 武汉理工大学二O一一年一月填 表 说 明一、填写本表前，请认真阅读武汉理工大学自主创新研究基金管理暂行办法和武汉理工大学自主创新研究基金在校研究生创新研究项目实施细则

2、。申请书各项内容要实事求是，逐条认真填写。二、学科名称与代码：申报学科代码请参照学科分类与代码（GB/T13745-92）填写，须填写至二级学科代码及名称,交叉学科需填写两个学科代码及名称。三、起止时间：研究项目起始时间从申报年的当年1月1日算起，项目研究周期一般为1，最长不超过2年。封面上受理编号请不要填写，由学校统一填写。四、研究属性：分为基础研究、应用研究和开发研究、共性关键技术、学科交叉与集成、其他。五、申请书中创新点应明确，研究重点应突出，文字应简明扼要；技术路线应切实可行；介绍研究基础和条件应实事求是，不得弄虚作假；经费预算根据充分，支出合理，符合有关文件规定。六、申请书为A4开本

3、，于左侧装订成册，双面打印，一式二份（至少一份为原件），由所在院系审查签署意见并签章后，统一报送研究生院（筹），申请人单独申报项目不受理。七、请严格按照要求填写申请书，形式审查不合格项目申请视为无效申请。一、基本信息 申请人信息姓名杨君兰性别女出生年月1985.06民族汉族现就读学院（中心、所）航运学院研究生类别博士在读入学年月硕士在读入学年月2010.09现就读专业交通信息工程及控制主要研究方向交通环境与安全保障研究生导师姓名文元桥主要研究方向交通信息工程及控制本人联系电子邮箱jil4个人简历（自大学填起）起止年月学习（或工作）单位、毕业专业、获学位类别、任何职务2

4、005.092009.62010.9至今武汉理工大学航运学院海事管理专业，获工学学士学位武汉理工大学航运学院硕士研究生，专业为交通信息工程及控制项目负责人主持或参与的科研项目清单项目编号项目来源项目名称本人排位承担的工作批准经费起止年月项目信息名称中文基于蒙特卡洛方法的船舶搁浅预警英文二级学科代码158040二级学科代码2二级学科名称1水陆运输二级学科名称2申请经费5万元 3万元1万元 0.5万元起止年月2011年 1月 2012年 1月研究属性应用研究项目概况中文摘要（限200字）随着水上交通运输的发展，水上交通事故的数量也在不断增长，作为船舶搁浅作为发生率仅次于碰撞的事故，对它的研究相对碰

5、撞却少得多。本项目旨在研究单船的搁浅概率，根据船舶航行的特点综合水路交通信息，运用蒙特卡洛方法计算船舶在航道内的搁浅概率，并对不安全状态提出预警。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.创新点（限50字）提供了一种用于计算单船在航道内搁浅的方法拟解决的关键科学技术问题（限100字）在构建船舶搁浅预警平台时相关参数的获取及处理运用蒙特卡洛方

7、法计算船舶搁浅概率预期成果（含拟实现目标等）（限50字）在预期内完成本项目研究内容；在该研究成果的基础上，为申请国家级、省部级基金项目作铺垫。二、项目组主要成员（注：项目组主要成员包括项目申请人）序号姓 名出生年月性别现就读单位学习层次（硕士或博士在读）学习专业研究方向项目分工年投入时间（月）签名12345总人数博士生数硕士生数三、经费申请表(单位:万元)科目申请经费备注（计算依据与说明）1.科研业务费1.0（1）测试/计算/分析费0.1数据处理分析费用开支（2）能源/动力费0.0（3）会议费/差旅费0.4项目调研差旅；学术会议1-2次开支；（4）出版物/文献/信息传播费0.5研究成果、发表论

8、文等相关版面费及相关书籍和文献资料购置（5）其它0.02.实验材料费0.03.仪器设备费0.04.国际合作与交流费0.05.劳务费0.0合 计1.0四、报告正文（一）立项依据（项目的研究意义、科学依据、国内外研究现状和趋势分析、科学/技术意义，并附主要参考文献目录。）1.项目研究目的及意义1967年3月18日利比亚11.8万吨的油轮“TORREY CANYON”号于英吉利海峡七石礁附近触礁沉没，10天之内其原油除小部分在轰炸沉船时烧掉外，其余皆流在海上，大面积洋面及海岸被污染，单为处理污染就动用了42艘机动船和1400多人，消耗清洁剂达10万吨之多。1978年23万吨级的利比里亚籍“AMOCO

9、CADIZ”号在法国布里塔尼海域因舵机损坏导致船舶触礁，船体断裂流出原油22万吨，污染法国沿岸250公里，直接经济损失达3亿美元。1989年3月24日ExxonValdez号油轮在阿拉斯加威廉王子港触礁，造成溢油1100万加仑，仅清理污染的费用就高达22亿美元。尽管各国的统计标准不同，但是从世界各国对海事的统计资料可知，搁浅事故在海事中占有的比例与船舶碰撞事故相当。船舶搁浅是仅次于船舶碰撞之后第二高发的海事。但就事故需救助率来说，搁浅则是第一位的。船舶搁浅的海区, 绝大多数都在港湾航道附近。由于海运事业的迅速发展，船舶的数量激增，每天进出港口的船舶十分频繁，一旦有船舶搁浅就会直接影响海上交通及

10、船舶的周转。特别是大型油轮若发生搁浅或触礁造成原油外泄则不仅造成船主和货主的损失, 还会导致大面积的海域污染，造成公害。如何预防搁浅事故的发生以及船舶搁浅事故发生后采取的措施已成为航海界的重要议题。随着世界经济的发展及进出口贸易的进一步增加，海上交通运输日益繁忙。船舶大型化，高速化在加速船舶周转的同时，也使航道的拥挤程度激增，尤其是大型油轮的大量投入营运，使船舶搁浅触礁的性质起了非常显著的变化。因为大型油轮的搁浅触礁往往意味着巨大的经济损失和海上巨额保险金的支付以及对海洋生态环境的巨大损害，不但危及我们的现时生存环境，甚至若干年都无法恢复到原来的状态。因此，预防船舶搁浅事故的发生具有重大的意义

11、。现有船舶搁浅的研究大多是从宏观上针对航道内所有航行船舶搁浅概率的研究，该做法可以反映出某一水域的航道条件，即该水域环境是否存在较大的搁浅风险如存在较多的水底碍航物或该水域水深较浅深吃水船易发生搁浅，但是对于单一船舶而言，如果搁浅没有发生它的搁浅风险就是0，一旦发生就是百分之百，所以研究单个船只的行船安全就需要考虑单船的搁浅风险，但目前针对单艘船舶在某一特定水域的搁浅预警研究较少。本项目从微观入手，运用蒙特卡洛方法计算出单船在某一特定水域的搁浅风险。项目的研究具有较高的理论意义和实际意义，具体体现在：1）项目的理论意义项目在计算单个船舶搁浅概率时采用了蒙特卡洛方法，为研究船舶搁浅事故的预测提供

12、了一种新的研究思路和研究手段。2）项目的实际意义运用蒙特卡洛方法计算船舶搁浅的概率，根据得出的风险大小采取合理可行的船舶操纵措施来防止搁浅事故的发生，可以极大地降低船舶搁浅事故的发生率，提高船舶航行的安全性。此项目的研究成果可以运用于实际的航行过程中，为水上交通安全提供可靠地理论和技术保障。2.国内外研究现状及分析船舶搁浅领域的研究可以追溯到上世纪50年代末期, 开创性的工作是Min -orsky在1959年发表的研究论文,其工业背景是配合核动力船的研制, 防止在搁浅或碰撞事故中受到严重损伤而发生核泄露。1967年Torry Canyon 号油船的搁浅事故促使政府间海事协商组织(IMCO)于1

13、973年发表了MARPOL公约。1973 1977年期间多起严重污染事件推动了1978年的MARPOL会谈纪要(MARPOL73 /78) 的产生。美国国会于1990年通过了油污染法(OPA90),要求所有进入美国水域的油船必须是双壳结构。国际海事组织(IMO)也于1992年公布了油船新规范。进入上世纪90年代,日本资助了一个长达7年的旨在防止油船漏油的研究计划,它分为两个阶段:油船结构失效和漏油的预报方法(19911995),以及耐撞性新结构设计的发展(19951997),采用实尺度船舶试验和基于显示有限元法的数值模拟系统进行研究。挪威船级社(DNV)开展了一个三年计划(1991 1993)

14、,建立了计算油船在搁浅和碰撞中漏油的概率模型。麻省理工学院(MIT) 开展了一个研究油船安全性的联合计划(19921995),建立了船舶搁浅时构件的失效模式,并推出了实用计算程序DAMAGE。1995年Sea Prince 号超大型油轮在恶劣气候中搁浅,虽然该油轮被成功浮起,但却在拖航中沉没。国际上对船舶搁浅问题研究的深度和广度远远小于船舶碰撞问题。由于研究经费和研究手段的限制, 国内对船舶搁浅方面的研究工作比较稀缺,在船舶搁浅预警方面的研究更是稀少。当前对船舶搁浅预警/预测的研究有两个方向：一是从宏观上考虑航道内所有船舶的搁浅风险，另一个是从微观角度考虑单个船舶在航道内某特定水域的搁浅概率。

15、在宏观上，船舶搁浅概率的研究都主要是基于Fujii的几何搁浅概率展开得出了许多用于计算船舶搁浅概率的数学模型，如Pedersen模型、Karlsson模型、Otto模型等，目前在计算船舶搁浅概率上使用最多的是Pedersen模型，Peder- sen将船舶搁浅划分为四种类型，得出船舶搁浅的概率为船舶的航迹分布在失效路径上的积分与致因因子的乘积。随后的计算船舶搁浅的概率模型都是在此模型基础上进行的改进。而在研究单艘船舶的搁浅概率方向，主要有基于模糊评判的方法，即根据对船舶搁浅影响的大小将影响船舶搁浅的因素划分成不同级别的评价指标，然后根据评价指标的权重确定模糊评价矩阵，根据最大隶属度法,将最大评

16、判指数max () 对应的备择集元素作为评判结果得出船舶的安全状态。以及在经典概率基础上发展起来的贝叶斯网络方法，贝叶斯网络( BN )包括2部分, 即由变量(节点)及连接它们之间的有向弧组成的有向无环图( DAG )及表示每个变量和它的所有父代关系的条件概率表( CPT)组成。通过图形表达不确定性知识。BN是利用主观判断和直觉修改并丰富客观的采样信息。先利用经典统计理论采集数据(先验概率) ,再利用贝叶斯公式或其他方式获得新的附加信息, 进行修正后得到新的数据(后验概率)。在研究船舶搁浅概率时，首先由故障树分析出导致搁浅发生的各种因素导出船舶搁浅的各个节点，然后由各节点的实效概率值组合得到船

17、舶搁浅的概率。从以上分析可以看出，船舶搁浅发生频率仅次于船舶碰撞的事故，但对它的研究却远远少于对船舶碰撞，国内对它的研究更是稀少。且大多集中在宏观上，即研究某一航道内船舶的搁浅概率。而研究单艘船舶搁浅概率时，从现有的方法来看，它充分考虑到了人的因素，运用模糊评判法或者事故树贝叶斯网络对于研究船舶搁浅中人的因素比较有利，但作为船舶搁浅的预警，显得不够直观，而且船舶在水上航行可能会遇到各种情况，上述方法显得不够灵活。参考文献：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 胡中凯,尹群,刘海燕.基于贝叶斯网络方法对船舶搁浅概率的研究. 舰船科学技术.2010(2):2431.5 陈刚,张圣坤.船舶搁浅概率的模糊事件树分析.上海交通大学学报.2002(1):112115.6 胡中凯,尹群,张健,李良碧.基于模糊综合评判的近海航道船舶搁浅定量风险研究.船海工程.2010(1):159165.（二）研究内容及研究目标1研究内容、研究目标，拟解决的关键科学技术问题。本项目旨在通过运用蒙特卡洛方法计算单艘船舶搁浅的概率，对不安全的航行进行预警，提高船舶航行的安全性。本项目的主要研究内容包括：1）船舶搁浅预警平台的构建根据

20、船舶在航道内航行的特点，探讨现有各种水上信息采集技术的优劣，选择合适的信息采集技术获取与船舶搁浅相关的参数数据信息如船舶吃水，航道水深等，为船舶搁浅预警提供所需的本船和航道通航环境信息2）建立预警机制通过研究船舶在水上航行的特点，建立基于最小安全水深的安全模型，结合船舶搁浅预警系统的功能要求，定义船舶防搁浅预警系统的安全报警级别。3）基于蒙特卡洛方法的搁浅概率计算简要介绍蒙特卡洛方法，将蒙特卡洛方法运用于船舶搁浅概率的计算。本项目的研究目标为：本项目的研究目标主要就是运用蒙特卡洛方法计算单艘船舶在各个方向上的搁浅概率，并根据事先制定的预警机制对不安全的航行状态进行报警，保障船舶航行安全。对于本项目来说，拟解决的关键问题包括：1）在构建船舶搁浅预警平台时相关参数的获取及处理目前用于水上交通信息采集的技术有很多，如VTS、AIS、GPS、雷达等，究竟运用何种方式采集信息以及如何处理采集到的信息都是本项目要解决的重点问题。2）运用蒙特卡洛方法计算船舶搁浅概率如何运用蒙特卡洛方法模拟船舶航行以及如何计算单艘船舶的搁浅概率是本项目要解决的关键问题。2. 本项目的特色与创新之处 本项目的特色和创新之处在于提供了一种用于计算单船在航道