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人工力场中的船舶

第二章 回顾文献

海上风险

2.1介绍

本章讨论了现有文献的关于海上交通及水路相关基础设施的概率风险评估(PRA)。船舶碰撞概率研究是关于风险评估和船舶、海上基础设施和水路的设计研究的一部分。有许多方法是为计算碰撞概率和结果预测而发展起来的。在全球的船舶碰撞风险评估方法发展中，发现了该方法的有效性随着时间的推移不断发展。本论文将研究方法分为四类:统计学方法、分析方法、网络方法和仿真方法。

2.2统计方法

2.2.1方法介绍

一般情况下，事故统计数据来源于历史事故数据库用于得到灾害的概率。一个典型的例子是PIANC(世界水运、航行、港口、水路协会)得到船舶桥梁碰撞概率(PIANC, 2001)。

碰撞的原因也来自于统计数据。碰撞的原因可以是分为三大类:人为误差(约64%)、技术故障(21%)、极端情况(15%)。人的失误是船舶位置偏离常轨主要的来源。然而，碰撞往往源于人为失误，技术故障或极端情况的结合。然而在现有模型中考虑风险分析时，人的因素没有被充分考虑进去。有一些研究试图将人为因素解释为风险分析中的一个数据元素。人为元素在具有不同的环境条件和船舶运行中的碰撞事件，机动行为，人类性能被研究过。然而，统计解释仍然缺乏反映出在事故中人为错误导致的过程细节。船员的行为方式影响碰撞概率需要进一步研究。

2.2.2讨论

统计方法的优点是易于理解，易于应用。但缺点是始终不能提供一致的数据库和可能无法反映出未来可能发生的情况的历史数据。因此，这种简单直接的方法受到历史数据不足的制约。

2.3分析方法

当事故数据库不可用时，分析方法可代替PRA。分析方法是以船舶和桥梁碰撞事故的统计数据以及当地的航行环境和船舶航行知识为基础的。鉴于因果关系因素，然后可以计算出事故发生的概率。这种方法已被广泛应用于计算事件概率。下面介绍这些模型。

2.3.1 AASHTO模型

2.3.1.1模型描述

正如AASHTO(美国国家公路运输协会)报告所描述的那样，桥梁倒塌的年度频率的表达式是

其中，AF =由于某一给定N的某一桥渡元素的坍塌的年频率；N=按型号、尺寸和装载条件分类的船舶撞击桥渡元素的年数量；PA=船舶异常的概率；PG=异常船与桥墩之间的碰撞的几何概率；PC=由于与异常船相撞桥梁倒塌的可能性。在这个公式中，碰撞事件的概率是:

船舶的数量N，对于不同的船舶分类可能有不同的价值。P可以用统计方法或近似方法来确定。统计方法基于历史数据库，包括各种船舶异常。近似方法基于公式

其中:PA =异常概率;BR =异常基准率;RB =桥的位置的修正因子;RC=流平行于船舶运输路径的校正因子;RXC=横流垂直于船只通行路径的校正因子;RD=船舶交通密度修正系数。

在这个方法中BR是一个给定的数。对于船舶，BR为0.6 4times;10^-4；对于驳船，R应该是1.2times;10^-4。RB是桥梁位置的一个因素，从1.0到2.0取决于河流弯曲程度。RC和RXC的数值略大于1.0，这取决于当前的速度。RD基于交通密度，从1.0到1.6不等，取决于交通密度的水道。

正如AASHTO模型所描述的，几何概率P是基于船舶交通和码头位置的几何分配。它被认为异常的船舶分布是尤其是垂直于船舶航行路径中心线的分布可以用正态分布表示，见图2-1。几何概率PG为下面正态分布受码头宽度和容器宽度的限制的面积。船舶航行路径的中心线是正态分布均值的位置。PG应由每个船舶类别(BM)的横梁和桥墩宽度决定。船舶交通分布的年度数据应从AIS数据中、雷达观察或个人观察中收集。

2.3.1.2讨论

AASHTO模型很容易去应用。然而，该模型仅适用于美国，因为方程中的一些参数来自于美国的水道数据库。因此，同样的参数不能直接用于其他国家的水道。例如BR(反常基准利率)对于船舶为0.6 4times;10^-4对于驳船为1.2times;10^-4。在欧洲或亚洲的国家，这些数据可能有所不同。这意味着在指定的水道内的异常率应通过对当地的历史数据库或专家意见的调查来检验。

2.3.2昆兹的模型

2.3.2.1模型描述

Kunz(1998)引入了另一个简化的数学模型来计算在碰撞事件中的概率，基于当事故发生时的船舶与桥墩之间的相对位置。在此模型中，假定故障随机发生并发生在各种独立的原因和条件的影响下，包括人为错误，机械故障，环境条件，交通密度，船舶特性，航道特征与航道缺陷。可以找到描述了随机变量与期望值的关系的模型的正态分布。随机变量是船舶航向偏离角和停止距离x。(图2 - 2)。偏离角分布的原方程为：

停止距离x的分布为:

碰撞过程的概率和小于碰撞前位置s的停止距离x的概率，可以通过计算每一个位置s沿着船的接近轨道的Fϕ和Fx找到。碰撞模型为:

其中，v是碰撞概率;S通过船舶的数量(在通道频率和事故数量之间假定的线性关系);为每个交通单元的失败率；碰撞跟踪的概率；是碰撞前不能停止的概率。

在对故障率的估计中，具体的位置和环境条件在分析中应该考虑到航道内的情况。在缺乏信息的情况下，一个全球特定的水道数目被用于更普遍的情况。举例来说，如果德国水路的失败率平均值在1.4到6之间(船舶·年开航时间)，与个别船舶通过桥的航行时间相结合。可以找到一个失败率。为了估计更具体的故障，建议进行回归分析，这需要考虑很长时间，最好是在桥建成之后。

2.3.2.2讨论

昆兹模型船舶和桥梁碰撞更详细。另一个正态分布是用于描述船舶的停车距离。船的分类不同将导致碰撞概率的结果不同。例如，对于不同的船舶，停车距离分布将是不同的。但是，模型中的几个值需要对特定应用程序进行评估，因为这些值可能对于不同的水道特征、不同的桥梁位置和不同的类型的船舶都有所不同。

在这个模型中有很多参数需要考虑。这些参数可以使估计更准确。然而，在实践中，这意味着更多的统计数据要去分析和假设。这些参数在不同的水道中也可能是不同的。这使得该应用程序比AASHTO模型更加复杂，AASHTO的参数是预先确定的。此外，该模型指定了故障发生会受人为误差、机械故障、环境条件、交通密度、船舶特性、航道特征及航道缺陷等因素的影响。然而这些影响船舶交通和导致事故发生的因素没有详细描述。

2.3.3 Eurocode模型

2.3.3.1模型描述

欧洲代码模型类似于AASHTO模型。在模型中,有一个坐标系统(x, y)(图2-3)。x坐标是曲线，是交通干道的中心线。y坐标表示距中心线的水平距离，它位于点(0,d)并且可能相撞。对船舶异常的发生建模非齐次泊松分布。然后，碰撞事件的概率表示为:

其中，T=考虑的时间;n =每单位船舶数量;P =人为干预时不能避免碰撞的可能性;lambda;(x) =单位移动距离的失败概率;P(x, y) =碰撞条件概率，给定初始位置(x,y);f(y) =初始船位在y方向的分布。

为了说明这一点，我们提供了一个例子:观测到在荷兰鹿特丹附近的Nieuwe Waterweg水道，8年的时间内，10公里的航段里，船舶密度为8000艘，28艘船撞击了这条河岸。lambda;= 4times;10^ - 6每艘船每公里。

2.3.3.2讨论

欧洲代码模型与AASHTO模型并不完全一样。首先,在模型中引入了一个非齐次泊松分布，并将水道中潜在的危险区域考虑在内。很明显，失败率受到了危险区域的大小的影响。因此，在历史数据可用时，潜在危险区域的大小应该确定。第二，x坐标是弯曲的，而不是在AASHTO模型中船舶航行路径的直线中心线。这个模型假设这些船总是与中心线在一个恒定的水平距离航行。最后,P(x, y)是影响结果的另一个因素。它的价值不同于点到点，而且决定很复杂。它也随着导航、船舶的情况和类型而变化。P(x, y)的变化类似于Kunz的模型。

2.3.4皮德森的模型

2.3.4.1模型描述

Pedersen的模型(Pedersen, 2002)是从Larsen的模型(Larsen, 1993)演变而来的。在“大带状联系”的情况下，碰撞频率(F)是在四种事故类别的基础上确定的。

四类有:

第1类船舶交通分布包括99%的高斯分布和1%的分布均匀分布于东部通道。事故是由人为失误，舵机或推进系统造成的。

第2类船舶在某一航线上通过前未能作出适当的改变。

第3类船舶在桥梁附近的会遇情况下进行规避机动最终撞上桥。遇到的情况的数量是从船舶领域理论派生的。

类别4不按正常路线行驶的漂流船舶。假设漂流船舶的产生是由于它们的正常路线和方向，航向分布在360°，船的纵轴是横向移动运动方向(见图2-4)。

在这四类的风险计算中给出了数学表达式，该模型用于计算在A到B之间的桥梁部分的严重碰撞的期望速率(F)。

其中，Vai= ship类的平均速度i;，Vmaxi=船级最高航速;Pci=因果关系，即船舶在碰撞过程中发生碰撞的概率;qi =船舶数量和船舶的交通密度函数。上面描述的高斯分布;单位是单位面积上的船舶数量;Vi=船舶速度分布;Bi=简单的几何碰撞指示函数,当船撞到码头或大梁时是1,当船通过时是0，在桥线到达桥面前不发生碰撞或搁浅;Ri=碰撞严重程度;这一因素取决于船舶碰撞破碎力，即类型、船舶大小、船舶速度、桥梁结构强度及其他参数;T=时间;x=轴线沿着桥线。

本文没有给出一个类似的计算F的公式，但在早期的文献中。Pedersen ，在计算F的方程中加入了参数P去计算F2F3F4这是一个很小的贡献，以及它们的重要性取决于个别情况。基于计算机的模拟在桥梁设计实践中得到了应用。最后，桥的跨度增大以减小F的值。

2.3.4.2讨论

在Pedersen的模型中，碰撞频率分别进行了分类和研究。类似的类别也适用于海上风力发电场的碰撞风险。该模型用于海上大跨度桥梁的海上航行的船只设计过程中。但是这个模型是否适用于跨越河流的小桥的设计应该进一步检验。这是遇到的除了追越外，还要考虑到情况。然而，事实是如果没有规则禁止，超车可以在桥区发生。此外，天气状况如风力和目前对船舶运动的影响在此模型中没有考虑。

2.3.5漂移模型

2.3.5.1模型描述

在中国苏通大桥的设计过程中，开发出了一种新的模型计算船舶和桥梁之间发生碰撞的概率。船在桥区失控，如图2-5所示，如果漂移宽度大于通道的可用宽度，可能发生碰撞。图2-6所示为失控船的运动。

船的运动是由惯性、风和流引起的。在模型中有两种情况需要考虑。

情形1，总漂移为:

情形2，总漂移为:

式中:Dsk为失去控制的点与桥跨的距离;St是由于停车能力和流而导致的停止距离轴y的投影。B1是在停止周期内由流引起的在x轴的漂移;B1rsquo;是在停止期间由风引起的在x轴上的偏移;B2是x轴上的由流引起的没有惯性的漂移;B2rsquo;是由风造成的没有惯性的在x轴上的漂移。由流引起的轴x的漂移可以用经验公式计算:

V0 =当船舶失控时船速;Tst=船舶减速的时间常数，这个常数可以从船舶位移表2-1中找到。alpha;=正常方向与航向(度)之间的夹角;beta;=的正常方向与船舶运动方向的夹角(度);U=当前速度;va=在停车时间内平均船速(m/s);va1是停车时间内相对风的速度(m/s);T=从船在没有惯性的情况下漂流时失去控制开始到现在之间的时间。可以导出:

v是瞬时速度;v0是在发动机故障开始时的船舶速度;Tst是船舶减速时间常数;t发动机故障后的时间。

K(0.038,0.041);Krsquo;浅水的修正模量被编入表2 - 2;

Ba=在水线以上船体面积;Bw=位于水线以下船体面积；Vs为风速(kn);Va=相对于船舶的风速(m/s)。风速相对船舶速度可以通过以下方式计算:

Vs船的速度,Vw风速

是由流无惯性引起的在x轴的漂移:

其中，t为无惯性漂移时间;Sp=y轴上无惯性的漂移距离

B2rsquo;为无惯性风引起的x轴漂移距离:

式中，V2为失控时考虑流的影响时相对风速的船舶速度。

在这个模型中，失去控制的船舶并不意味着船会撞上桥。是否发生碰撞，取决于航道条件、水流、风向、位置。图2-7所示的阴影区域是危险区域，其中船舶失去控制会有几率与桥相撞。假设失去控制的概率是均匀分布的，所以碰撞概率为:

其中，A0是船舶航行的区域。船舶按吨位和船舶分类，按照当地规定航行。失控船在危险区域在会导致与桥的碰撞，这个区域是由风、流、船速度等因素决定。

2.3.5.2讨论

漂移模型考虑了吨位分类的船舶类别。整个详细描述了受风和流影响的漂移

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