郝國柱 黃立文 姜 丹

(武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)

通航環(huán)境態(tài)勢辨識模型與應(yīng)用研究*

郝國柱1,2)黃立文1,2)姜 丹1,2)

(武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1)武漢 430063) (內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室2)武漢 430063)

提取通航環(huán)境關(guān)鍵子因素并進行分類，綜合運用突變理論和主成分分析的多元統(tǒng)計方法，建立以自然環(huán)境和交通環(huán)境為控制變量的通航環(huán)境態(tài)勢辨識模型.以長江三峽庫區(qū)為例，將能見度、風(fēng)力、流速和航路交匯、航道尺度、交通流共6種對通航風(fēng)險影響程度最大的關(guān)鍵子因素劃分為自然環(huán)境和交通環(huán)境2個主分量，利用尖點突變模型對庫區(qū)各區(qū)域通航環(huán)境所對應(yīng)的安全態(tài)勢進行辨識.結(jié)果表明，長江三峽庫區(qū)通航環(huán)境態(tài)勢自下游至上游呈逐漸變差趨勢.

通航環(huán)境；安全態(tài)勢；辨識；控制變量

0 引 言

按照系統(tǒng)論觀點，水上交通系統(tǒng)是一個由“人-船-環(huán)境”組成的龐大安全系統(tǒng)[1]，通航環(huán)境因素作為該系統(tǒng)中的重要組成部分，除直接影響水上交通安全外，還間接作用于人和船舶，以增加事故發(fā)生的概率[2-4]，開展通航環(huán)境對水上交通安全的影響具有重要意義.

由多種環(huán)境子因素對船舶航行安全造成的整體影響表現(xiàn)為通航環(huán)境安全態(tài)勢的優(yōu)劣.但目前對通航環(huán)境的研究主要集中在將其作為一個整體并以定性分析為主[5]，且缺乏對同一區(qū)域內(nèi)部不同區(qū)段間通航環(huán)境的定量計算和比較研究.鑒此，筆者運用多元統(tǒng)計方法和突變理論構(gòu)建通航環(huán)境安全態(tài)勢辨識模型，定量確定研究對象內(nèi)部的安全態(tài)勢分布.

1 突變理論

突變理論[6]主要研究動態(tài)系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的突然變化現(xiàn)象，解釋突然變化與連續(xù)變化因素之間的關(guān)系.它不拘泥于挖掘研究對象內(nèi)部錯綜復(fù)雜的各種反饋機制與作用機理，而是從分析影響發(fā)生突變現(xiàn)象的多個控制因素入手，來完成對突變現(xiàn)象的控制.從數(shù)學(xué)角度分析，突變理論是通過研究系統(tǒng)的勢函數(shù)來實現(xiàn)的[7-8]，可描述為

(1)

式中：x為系統(tǒng)狀態(tài)變量；c為系統(tǒng)控制變量.

當系統(tǒng)中控制變量不超過4個，一共可以構(gòu)造出7種初等突變模型，其中狀態(tài)變量為1個的有4種，見表1.

表1 初等突變模型及勢函數(shù)

2 通航環(huán)境態(tài)勢辨識模型

2.1 原始變量選擇

通航環(huán)境引起的通航風(fēng)險突變是多種因素綜合作用的結(jié)果.因此，在利用突變模型進行模擬的過程中，首先要確定導(dǎo)致通航風(fēng)險突變的子因素.結(jié)合對海事部門、船舶駕引人員及海事院校專家的調(diào)研結(jié)果，選擇能見度、風(fēng)、流速、交通流、航道尺度、航路交匯共6項對通航安全有明顯影響的因素作為模型的原始變量.

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 模型框架

將能見度(x1)、風(fēng)(x2)、流速(x3)3個變量歸納為自然環(huán)境控制變量(M)，將交通流(x4)、航道尺度(x5)、航路交匯(x6)歸納為交通環(huán)境控制變量(N)，則通航環(huán)境引發(fā)的水上通航風(fēng)險突變可以歸納為由兩種控制變量導(dǎo)致的耦合突變[9-10]，選用尖點突變模型進行模擬.另外，在尖點突變模型中兩控制變量有主次之分，起主導(dǎo)作用的為剖分因子(x2的系數(shù))，另一個則作為正則因子(x的系數(shù)).借鑒專家打分方法和模糊統(tǒng)計數(shù)據(jù)[11-12]，確定自然環(huán)境較交通環(huán)境對通航風(fēng)險的貢獻程度更大.

則用X作為通航環(huán)境系統(tǒng)安全狀態(tài)變量，勢函數(shù)V表示水上交通安全系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行的能力，構(gòu)建通航環(huán)境尖點突變模型.模型勢函數(shù)可表達為

V(X)=X4+MX2+NX

(2)

平衡曲面方程為

4X3+2MX+N=0

(3)

控制平面的分叉點集為

8M3+27N2=0

(4)

2.2.2 模型分析

在圖1中，上葉表示和諧有序安全通航態(tài)勢，下葉表示已發(fā)生交通事故狀態(tài)，中葉不可達，為不穩(wěn)定的突變區(qū)間.3條不同曲線分別表示在自然環(huán)境因素和交通環(huán)境因素共同作用下，通航風(fēng)險突變并引發(fā)水上交通事故的演變過程.

圖1 通航風(fēng)險隨通航環(huán)境演變的突變模型

1)a'0d'0曲線不經(jīng)過尖點折疊區(qū)域，表示為從勢函數(shù)曲面的上葉平穩(wěn)過渡到下葉，通航態(tài)勢平穩(wěn)漸變，系統(tǒng)存在發(fā)生水上交通事故重大隱患，但即使通航環(huán)境再惡化，也不會導(dǎo)致水上交通事故.

2) 對于曲線a'1b'1c'1d'1和a'2b'2c'2d'2均經(jīng)過了勢函數(shù)曲面的折疊區(qū)域，系統(tǒng)位勢在b1→c1和b2→c2處發(fā)生突變，該過程即表示由于通航環(huán)境控制變量的變化導(dǎo)致了水上交通事故的發(fā)生.

3) 兩突變控制曲線在經(jīng)過折疊區(qū)域前后，通航環(huán)境系統(tǒng)態(tài)勢功能位勢變化值分別為ΔX1=X(Mb1,Nb1)-X(Mc1,Nc1)、ΔX2=X(Mb2,Nb2)-X(Mc2,Nc2)，明顯ΔX1<ΔX2.這表明，曲線a2b2c2d2所代表的水上交通事故較a1b1c1d1所代表的事故后果更嚴重，危害程度更大.

通航環(huán)境態(tài)勢在突變模型中分布趨勢見圖2.

圖2 通航環(huán)境態(tài)勢與控制變量分布關(guān)系圖

2.2.3 模型求解

圖3 通航環(huán)境突變模型尖點突變區(qū)域

1) 當Δ<0時，對滿足該條件的一對M，N值有不相等的3個X值與其對應(yīng)，這時的M，N值處在尖點型區(qū)域內(nèi)，即系統(tǒng)會發(fā)生突變.

2) 當Δ>0時，對滿足該條件的一對M，N值僅有1個X與其對應(yīng)，這時的M，N值處在尖點型區(qū)域外，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)勢(安全或危險).

3) 當Δ=0時，與M，N值相對應(yīng)有2個X值，則此時M，N值處在尖點型區(qū)域的邊界上，即系統(tǒng)處于臨界態(tài)勢；特殊的，若M=N=0，則對應(yīng)的兩個X根相等且都為0，此時M，N值剛好位于尖點上.

3 模型應(yīng)用及分析

以三峽庫區(qū)為例，自蓄水以來，三峽庫區(qū)通航條件極大改善，但大霧天氣頻發(fā)、船舶密度增加等新的通航環(huán)境問題也日益突出.將三峽庫區(qū)通航環(huán)境包括2大類，一類是由航標、交通流、錨地等構(gòu)成的交通環(huán)境，另一類是以風(fēng)、流、能見度、水位等為主要因素的自然環(huán)境.即由通航環(huán)境變化引發(fā)的通航風(fēng)險突變及水上交通事故可視為是由交通環(huán)境和自然環(huán)境兩大類因素共同作用的結(jié)果.

3.1 控制變量取值

原始變量采用客觀測量數(shù)據(jù)能夠反映其真實狀態(tài)，可通過該方式進行取值的變量有：風(fēng)，取年標準風(fēng)天數(shù)；流，取航道中最大流速；交通流，取2011～2013年的日均船舶艘次.這些變量的測量值可直接反映各變量對通航安全的影響程度.即在一般情況下，其值越大，表明對船舶航行越不利，即對通航安全的影響越大.

能見度對通航的影響，需綜合考慮降雨、發(fā)霧強度和霧時長短等多方面；航道尺度受水位變化、泥沙淤積等自然因素影響體現(xiàn)在航道寬度、水深、彎曲半徑、凈空高度、礙航物等多方面；航路交匯除了與交匯航路數(shù)目、航路交叉角度有關(guān)外，還與各航路的交通流量有關(guān)，流量越大，在航路交匯處的會遇緊迫程度越大，通航風(fēng)險也就越大.對于該3項變量，運用模糊數(shù)學(xué)量化的方法取其對通航安全的影響值，數(shù)值越大，表示對通航安全的影響程度越大.

為全面反映庫區(qū)不同水域的通航環(huán)境狀況，在三峽庫區(qū)長江干流沿線選擇13處位置點，通過測量、統(tǒng)計、模糊綜合評價等手段分別求出各位置區(qū)域的原始變量值，見表2.

采用SPSS(19.0)軟件，利用主成分分析的多元統(tǒng)計方法分別對x1,x2,x3和x4,x5,x6進行運算，得M和N的表達式：

M=0.568 8x1-0.615 6x2+0.545 6x3

(5)

N=0.336 9x4+0.473 6x5-0.422 2x6

(6)

方差計算和分析表明，M和N可以分別反映兩組變量信息的86.67%和96.85%，貢獻率均≥85%，可以較好的反映原所有變量的信息.

表2 三峽庫區(qū)通航環(huán)境控制變量數(shù)據(jù)采集

3.2 尖點突變模擬

將三峽庫區(qū)13個數(shù)據(jù)采集點的標準化變量值x1,x2,x3,x4,x5,x6代入式(5)和(6)，進而可求出各地區(qū)自然環(huán)境M和交通環(huán)境N的綜合主成分值，即綜合評價值.

各采集點M，N值及判別式Δ的計算檢表3，根據(jù)M，N和Δ確定的各區(qū)域在通航環(huán)境控制變量坐標系的位置分布見圖4.

表3 三峽庫區(qū)長江干線采集點通航環(huán)境變量及綜合判據(jù)得分值

圖4 三峽庫區(qū)各位置點通航環(huán)境突變態(tài)勢分布圖

3.3 模擬結(jié)果分析

由式(5)和(6)可見，主分量M的表達式由能見度、風(fēng)、流速3個原始變量組成，3個變量所占的比重不同.其中x2系數(shù)的絕對值為最大，表示風(fēng)是影響N的主導(dǎo)因素.同理，航道尺度為影響交通環(huán)境的主導(dǎo)因素.三峽庫區(qū)自近壩段至上游方向，自然環(huán)境和交通環(huán)境的穩(wěn)定綜合評價值呈逐漸減小態(tài)勢.其中宜昌三峽大壩壩區(qū)范圍附近的M和N值最大，表示由于水流較緩、航道尺度充裕，在壩區(qū)范圍內(nèi)該區(qū)域的自然環(huán)境和交通環(huán)境均優(yōu)于其他區(qū)域；而庫尾江津位置，由于受水位消落期河道尺度縮窄、礙航物增多、水流紊亂及航路交叉較多等因素的影響，自然環(huán)境和交通環(huán)境評價值均落后于庫區(qū)其他區(qū)域.根據(jù)突變模擬結(jié)果對三峽庫區(qū)沿線13處主要地理位置的通航環(huán)境態(tài)勢辨識如下.

1) 宜昌至云陽以及忠縣區(qū)段，得益于該區(qū)段的水深充足、水域較寬闊，使得流速較緩、航道尺度充足等，各位置的自然環(huán)境和交通環(huán)境綜合量值都取正值，且離尖點位置較遠，說明這些地區(qū)通航環(huán)境的變化只會引起對應(yīng)通航安全態(tài)勢的穩(wěn)定(光滑)漸變，而不會出現(xiàn)突變的情況，即通航環(huán)境處于安全穩(wěn)定態(tài)勢.

2) 萬州、豐都、長壽3處位置區(qū)域，由于該航段在交通流量與下游航段保持相當水平的同時，能見度條件變差，大風(fēng)天氣增多，洪水期流速變大以及航道尺度縮窄，使得該幾處通航環(huán)境變得相對狹窄和擁擠.通航環(huán)境導(dǎo)致的通航風(fēng)險處于危險的穩(wěn)定區(qū)間，表示該幾處水域通航環(huán)境條件不再理想，但仍不會大規(guī)模發(fā)生水上交通事故.

3) 涪陵及重慶以上回水變動區(qū)的區(qū)段內(nèi)，一方面受該地區(qū)霧日和大風(fēng)天氣的影響，另一方面受水位消落期水流流速變大、流態(tài)紊亂、水深減小而使得航道尺度縮小及礙航物增多影響，使得這些地區(qū)在回水消落期通航環(huán)境整體態(tài)勢變得不理想，突變惡化的可能性最大.值得注意的是，涪陵地區(qū)雖然不在回水變動區(qū)內(nèi)，但由于距離回水變動區(qū)最近，水流影響也開始顯現(xiàn).此外，該處作為重慶港的3大樞紐港區(qū)之一，船舶交通流和航路交匯情況均較周圍較其他水域更復(fù)雜，經(jīng)過綜合評價和突變模擬，該處的通航環(huán)境也處于突變的危險態(tài)勢，發(fā)生水上交通事故的概率較高.

據(jù)長江海事局事故統(tǒng)計，2011～2013年三峽庫區(qū)共發(fā)生58起水上交通事故，其中發(fā)生在長壽至江津段回水變動區(qū)的就有26起，近占總數(shù)目的50%；近3年庫區(qū)發(fā)生等級以上水上交通事故14起，其中回水變動區(qū)8起，超過總數(shù)目的一半.說明庫尾航段為整個庫區(qū)的高風(fēng)險、事故易發(fā)區(qū)段，由此也驗證突變模擬結(jié)果與實際情況的基本一致性.

圖5 長江三峽庫區(qū)通航環(huán)境突變態(tài)勢分布圖

4 結(jié) 束 語

由通航環(huán)境變化引起的水上交通事故可以歸納為一種多通航環(huán)境因素耦合的通航風(fēng)險突變.融合突變理論和主成分分析的多元統(tǒng)計方法建立的以自然環(huán)境和交通環(huán)境為控制變量的三峽庫區(qū)通航環(huán)境突變模型可以從事故致因角度有效解釋通航環(huán)境在連續(xù)變化時引起通航安全系統(tǒng)態(tài)勢突然變化的機理過程.通過與2011～2013年三峽庫區(qū)水上事故狀況進行對比，驗證了三峽庫區(qū)通航環(huán)境突變模型的合理性，應(yīng)用該突變模型辨識了庫區(qū)各區(qū)域通航環(huán)境的突變態(tài)勢，可為庫區(qū)通航安全預(yù)警提供依據(jù).

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Study on Application and Identification Model of Navigation Environmental Situation

HAO Guozhu HUANG Liwen JIANG Dan

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(HubeiInlandShippingTechnologyKeyLaboratory,Wuhan430063,China)2)

By extracting and classifying the key factors of navigational environment,catastrophe theory and principal component analysis of multivariate statistical methods are integratedly used to establish navigation environmental situation recognition model which takes the natural environment and traffic environment as control variables.Taking the Three Gorges Reservoir area in the Yangtze river as an example,six kinds of critical factors that is visibility, and wind, flow velocity and route intersection, channel dimension and traffic flow which have greatest influence on navigation risk are divided into two principal components that are natural environment and traffic environment.The cusp catastrophic model is deployed to identify the security situation for the regional navigation environment in the Three Gorges Reservoir area.The simulation results indicate that navigational environment situation of the Three Gorges Reservoir area in the Yangtze river is getting worse gradually from downstream to upstream.

navigational environment; safety situation; identification; control variables

2015-02-11

*國家自然科學(xué)基金項目(批準號：51379170)、交通應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(批準號：2012-329-811-140)資助

U698.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.010

郝國柱(1988- )：男，碩士，實驗員，主要研究領(lǐng)域為交通信息工程及控制