船舶航行安全分析研究_李成海.pdf

2023-01第 1 期水 上 安 全Maritime Safety260 引言近年随着船舶建造规范的提高和气象海况预报准确度的提升，以及海事监管力度的加强，船舶海上交通事故总量整体上有所下降。但像“东方之星”客轮沉没等重大海上交通事故仍在频发。因此，船舶航行安全分析，对海上交通安全具有重大意义。国内外关于海上交通安全研究成果很多，例如文献 1 对海上交通事故严重程度与致因机理相互关系是行了研究；文献 2 以砂石船为样本，引用格式：李成海，刘杰，王建涛，等.船舶航行安全分析研究 J.水上安全，2023（1）：26-29.(LI Chenghai,LIU Jie,WANG Jiantao,et al.Analysis and research on ship navigation safetyJ.Maritime Safety,2023(1):26-29.)收稿日期：2022-08-18基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC2801000）。第一作者简介：李成海,男,大学,高级船长,副教授,从事海上航行安全的研究工作。船舶航行安全分析研究李成海1，刘 杰1，王建涛1，崔建辉2（山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；天津理工大学 海运学院，天津 300191）摘要：为了船舶航行安全，探讨船舶航行安全主要影响因素，针对性采取措施是船舶航行安全的关键。本研究采用协同学（Synergetics）理论方法，构建船舶海上航行安全模型；运用船舶航行安全运动力学对船舶海上航行安全主要影响因素，导致船舶处于危险局面的因素 C 和处于安全情形的因素 E 之间相互转换的规律做出了进一步的探讨，并通过动态动力方程，推导出 C 和 E 之间的转换概率流方程，分析出了对某类型船舶处于不同航行动态对应某一船时的定态求解结果，对海上交通安全监管机关、船公司和船舶加强管理，保障船舶海上航行安全，提供理论支持。关键词：船舶航行安全；协同学理论；转换概率流；动态方程求解中图分类号：U698.6 文献标识码：A Analysis and research on ship navigation safetyLI Chenghai1,LIU Jie1,WANG Jiantao1,CUI Jianhui2(1.Shandong Vocational College of Communications,Weifang,Shandong 261206;2.School of Navigation,Tianjin University of Technology 300191,china)Abstract:For the sake of ship navigation safety,this paper discusses the main influencing factors of ship navigation safety,and taking targeted measures is the key to ship navigation safety.In this study,the Synergetics theory is used to construct the safety model of ship navigation at sea.By using the main influence factors of ship navigation safety kinematics on ship navigation safety,this paper makes a further discussion on the law of the transformation between the factor C which leads to the dangerous situation and the factor E which is in the safe situation.Through the dynamic dynamic equation,the conversion probability flow equation between C and E is derived,and the steady state solution result of a certain type of ship corresponding to different navigation dynamics is analyzed.To strengthen the management of maritime traffic safety regulatory authorities,shipping companies and ships to ensure the safety of maritime navigation and provide theoretical support.Keywords:ship navigation safety;Synergetics method;transition probability flow;dynamic equation solution第 1 期27李成海，等.船舶航行安全分析研究构建影响因素鱼骨图形式，分析船舶海上交通事故和事故发生的季节、船员配置、船舶载重吨、船型、船龄和事故本身原因的关系；文献 3 采用粗糙集理论，对海上交通事故严重程度和事故影响因素间关联度是行研究。但到目前为止，针对船舶海上航行安全主要影响因素实时相互转换的研究成为监管和关注的重点。基于船舶海上交通事故的复杂性、影响因素的众多性、事故数据资料的离散性和事故本身原因与影响因素之间的模糊性。本研究采用协同学（Synergetics）方法，基于船舶航行的特点，对从无序到有序的船舶海上安全主要影响因素现象构建船舶航行安全模型，以船舶海上安全航行架构概率流建立船舶航行安全动力力学方程并求解4。求解结果表明，本研究求取的船舶海上安全航行动态方程定态结果与对应某一船时的动态方程求解结果一致，这对船舶航行安全研究具有积极意义。1 建立船舶安全模型船舶海上航行具有其固有的特点，在此根据其航行特点构建船舶海上航行安全模型5。假设船舶海上航行安全主要的影响因素有 2M 个，且各因素均为常数。船舶海上航行安全主要影响因素包括导致船舶处于危险局面的因素 C 和处于安全情形的因素 E。假设船舶海上航行安全主要因素之间相互影响力相同，且通过主观因素作用下，使影响因素 C 和 E 之间实现实时转换6。例如，某航行船舶因为超载而属于 C 影响因素状态，但因为船舶就近港口卸货（减载）而转变为 E 影响因素的状态。如果航行船舶在某一航时K的影响因素为mc、me时，船舶海上航行架构可表示为me，mc。因为假设船舶海上航行安全的主要影响因素有 2M个且为常数，则船舶海上安全航行架构中存在唯一的变量 m，即mmM mmmmMm mMmececee+=-=+=-|22 （1）式中，-M m M;0 me;mc 2M因为变量 m 可以反映船舶海上航行安全的运动动力学形成过程7，所以影响因素C和E之间相互转换概率由定义 m 的船舶海上航行安全架构函数组成。即航行安全各影响因素单位时间内转换概率为 Fce(m)、Fec(m)。在此基础上，构建船舶海上航行安全模型并探讨运动力学的形成过程。这为下面具体运动力学形式在影响因素 C 和 E 的转换研究奠定基础。2 船舶航行安全运动力学形成过程首先，确认该研究的定义函数8为F m m KF m Kec,;()（2）式中，mc表示船时K时，船舶海上安全航行架构 me，mc 的概率。其必须满足归一化处理的条件F m kmMM;()=1 （3）根据 Synergetics 理论，式（3）可以用福克-普朗克方程形式表示9，即CF j kckji F i kij F j ki;()=()()-()()（4）式中，F(j;k)表示船时k海上航行船舶系统所处局面或情形的概率，C表示影响因素。本研究海上航行船舶状态中j=E或C，(ji)表示单位时间内从 i 到 j 局面或情形转换的概率。式（4）右边的两项分别代表从 i 到 j和从 j 到 i 局面或情形的状态流10。在船舶海上航行安全主要影响因素EC与CE发生的一种转换，即影响因素C中有一因素转换成了E因素之一11，此转换可记作为me，mc me+1,mc-1。此转换也称为转换。同理，转换 me，mc me+1,mc-1 表示船舶海上航行安全主要影响因素E中，有一因素转换成C因素之一，称为转换。因此，可以将船舶海上航行安全架构整体的水上安全2023 年 第 1 期28转换概率，表示为m mmmmm FmMm Fmm mececcececec,+-()=()=-()()11+-()=()=-()()()mmmm FmMm Fmmmececece111,()=|mm0当 时 （5）从式（4）、式（5）可得到，概率F(m;k)的方程式可表示为CF m kckmF mkm F m kmF mk;()=+()+()()()-()-()-1111-()()m F m k;（6）引入和转换的概率流 im km F m kim km F m k-()=-()()()=()()|;,;,（7）经过和转换后，C和E两种局面或情形净概率流为h m kim kimk;()=()+()1（8）假设动力力学方程的连续形式12为cF m kcKh mkh m kh m k;()=-()()-()|-D()1（9）式（5）、式（7）及式（8）中的概率流需满足的边界条件为iM kiM kh M khMk-()=-()=()=-()=|;010 （10）将式（10）简化后，可将动力力学方程式转换13为c F kckL F k?()=()（11）F KF j kLji()()=()|;（12）Ljihijijih=()()（13）在式（6），矢量?F k()有21M+个分量组成，即?F kFM kF m kF M k()-()()()|;（14）而且表达式变为=(Lm,m)（15）L m mmmL m mmL m mm,()=-()+()()-()=-()+()=-+()|1111|（16）式中，当 Lm,m=0 时，+mmm m11,。至此，本研究构建了船舶海上航行安全动力力学方程，并提供了船舶处于危险局面因素C和处于安全情形因素E之间相互转换概率的规律。3 动态动力力学方程求解对于式（9），令其设定船时微商值为 014，则有cF mcKHmHmkhh()=-()-()01（17）式（17）中和式（1）相同的条件为-M m M。从式（10）边界设置条件可知，自 m=-M开始的式（16）递次推定求解为HmMmMh()=0,（18）将式（18）代入式（7）、式（8）后又得+()+()=()()mF mm F mkk11（19）式中，Fk(m)表示稳定概率；Hk代表稳定净流。对式（19）进行求解，从而获取式（17）比较准确的求解结果。F mFMvvMmMkkkMm()=()()()+=+1111;（20）第 1 期29李成海，等.船舶航行安全分析研究从 m=0 以递次次序推定可得到F mFvvmMF mFvvkkvmekv()=()-()()()=()-()-()=011011;=-|11mMm;（21）Fk(-m)和 Fk(0)的求解结果可由式（21）的归一化处理条件所决定，而F vkvMM()=1 （22）从上面的动态动力力学方程可求取船舶海上安全航行架构动力力学动态方程的定态解，即对应某一船时的动态方程求解结果。4 结束语船舶海上航行安全面临诸多风险因素的影响，如果在有意识或无意识风险的情况下，及时、果断采取措施，可使海上航行船舶所处境况转危为安；否则，船舶航行安全的局面瞬间可变为紧迫危险局面。本研究采用 Synergetics 理论方法，对船舶海上航行安全主要影响因素，即导致船舶处于危险局面的因素C和处