船舶交通流仿真研究的应用及其影响_李宁.pdf

第 31 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.31 No.2Feb.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言随着经济全球化的进展，世界各国贸易进出口数量不断增加，进出口货物的运输方式主要是水上运输。世界贸易欣欣向荣，船舶建造也逐渐向大型化发展，同时新建船舶不断下水，造成海上航线密集，船舶密度增大，海上交通环境日趋复杂。为揭示此类复杂交通现象产生的机理,促进海上交通流相关研究的发展,船舶交通流仿真相关技术逐渐受到重视1。船舶交通流仿真研究开始于 20 世纪 60 年代，起源于日本，国内对船舶交通流仿真研究始于 20 世纪 80 年代。随着科技不断发展，对船舶交通流仿真研究的学者不断增加，相关的研究成果也逐渐运用在相关领域。本文介绍船舶交通流仿真技术的主要应用方向，及其技术发展对不同主体产生的影响，为今后船舶交通流仿真技术在各领域的应用研究提供参考，也为船员及相关管理部门在仿真技术应用大趋势下的发展提供建议。1 现阶段船舶交通流仿真研究进程针对船舶交通流仿真问题，众多学者展开了广泛的研究，但是研究方向各有侧重，大多是侧重于船舶行为和避碰算法方向、船舶交通量与船舶速度方向、取断面位置分布建立交通流模型等。基于蒙特卡罗、元胞自动船舶交通流仿真研究的应用及其影响李 宁，林忆婷，梁民仓（浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022）摘 要：随着科学技术的发展，对于船舶交通流研究的仿真平台和仿真方法也在不断改进，船舶交通流仿真技术经过众多学者的研究，日益成熟，应用于航线规划、航道通过能力、船舶交通流影响因素分析等多个领域。本文介绍了船舶交通流仿真技术的主要应用方向，及其技术发展对不同主体产生的影响，为今后船舶交通流仿真技术在各领域的应用研究提供参考，也为船员及相关管理部门在仿真技术应用大趋势下的发展提供了建议。关键词：船舶交通流；碰撞；航道；航行风险中图分类号：U644 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.02.006 引用格式 李宁,林忆婷,梁民仓.船舶交通流仿真研究的应用及其影响 J.船舶物资与市场,2023,31(2):16-18.收稿日期：2022-10-18基金项目：舟山科技计划项目（2020C21024）；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目（2020R411025，2021R411040）；2022 年大学生创新创业训练计划项目（202210340040）作者简介：李宁（2001-），男，本科，研究方向为交通系统虚拟现实。机和智能体方法构造了各类仿真模型，不断优化改进，相关的研究成果也为航道通过能力评估、航道规划、船舶航行安全决策、影响因素分析等提供技术支撑。随着科学技术的日益革新，船舶交通流仿真研究的应用，推动了船舶智能化、网络化的发展，对海上交通管理部门和船员产生了深远的影响，对船员素质提出了更高的要求，也对管理部门的管理方法产生了更多的可行之策。2 船舶交通流研究的应用方向2.1 提高航道通过能力在计算航道通过能力时多采用数学公式来进行计算，静态分析的算法无法全面考虑航道通过作业的复杂性问题，仿真时可以设置一些因素不变,其余因素变化时的仿真场景，比如设定航道和运输组织形式不变，通过改变船舶类型或速度和改变船舶到达的时间间隔分布，统计通过航段的船舶数量，从而计算特定航道的通过能力2。通过仿真技术能对影响航道通过能力的多重因素进行动态综合分析，可以有效提高整个航道系统的通过能力，有力保证航道通航秩序的合理性，同时避免航道资源闲置浪费。戴林伟3建立了基于 AIS 的可变道双向航道元胞自动机模型，并利用模型进行仿真，在船舶交通流仿真的分析基础上得到航道船舶流量和航道船舶平均航速与船舶到达率的关系。第 2 期 17 2.2 船舶交通流影响因素利用船舶交通流仿真模型可以进行不同因素对船舶交通流的影响研究，分析其影响大小，寻找关键因素。通过改变进港船舶数量、船舶到达规律、锚地和泊位的属性以及航道通航能力等条件可以对上述因素船舶交通流造成的影响进行研究4。侯梦琳5通过基于航道不同交通状态时各个船舶领域对交通流的影响对比分析，得出相对速度的船舶领域模型能够较好适用于航道顺直段船舶交通流仿真，有利于顺应航运智能化的发展，提高航道的服务水平。2.3 船舶交通流预测船舶交通流仿真建模的过程基础是对航行历史数据进行分析，进而得到船舶交通流特征规律，通过计算获得船舶到达时速度、船舶数量、船舶尺度（船长、船宽）、船舶类型和到达时间间隔等随机变量的概率分布规律。在对船舶交通流仿真模型中控件的规则进行一部分的修改，转变为船舶交通流预测模型，通过大量的仿真实验可以进一步预测船舶交通流的流量、结构变化等。2.4 航行风险预测航行风险预测研究常采用交通流仿真方法来实现。利用仿真方法设计风险评价的软件，采用不同的仿真场景，模拟交通流特征，进而对航行风险进行分析评价。朱航标等6设计了航行风险评价软件，其中包含仿真环境构建、混合交通流仿真、风险评价输出功能模块。利用该软件框架分析得到各区域船舶航行风险等级。除设计风险评价软件外，还可通过构造限制不同因素下的仿真场景，统计船舶碰撞事故的次数，进行概率统计后，运用仿真技术进行航行风险评价。张静等7引入蒙特卡罗方法将船舶航行事故出现的可能性与造成后果的严重性相关数据进行概率统计分析，确定二者的概率分布模型，进行 MC 仿真，对广州港航行风险进行评估。2.5 组织调度优化日常航行中，由于船舶交通环境复杂，运行调度的管理装备、技术水平层次不齐，对船舶航行进行调度管理有利于为船舶提供有序、高效的通航服务。基于船舶交通流仿真的仿真方法，是构建组织调度相关模型的常用方法。仿真分析通过基于不同调度规则的控制参数和船舶调度规则的适宜性以及相关的资源配置，提出基于公平和效率平衡的船舶调度规则并进行优化8。熊曹丰收等9利用 Arena 软件作为仿真平台，将三峡枢纽运输系统仿真总体流程建立仿真模型，通过修改输入模型的功能构建了组织调度模块和船闸服务模块，进行三峡枢纽船舶组织调度优化研究。2.6 验证港口船舶交通流组织方案在原有港口船舶交通流组织方案的基础上，进行新的船舶交通流组织方案设计，通过模型中原有的规则进行修改来实现设计。例如，对大船通航规则进行优化，对相应的规则进行修改，同时将原有的交通流组织方案和现有的交通流组织方案进行对比，从而判断所设计的新船舶交通流组织方案是否具有合理性。3 对现阶段管理运营方式的影响3.1 直接管理部门有利于管理部门完善交通管理，通过对船舶交通流规律的研究，不断优化海上航线规划水平，同时提高海上船舶的交通管理能力。例如，在船舶交通流仿真中，通过仿真方法，设计真实仿真场景，生成船舶交通流仿真模型，实现交通流的实时模拟，从而根据仿真的需求协助船舶在航线上航行，及时将搁浅、避碰信息反馈到控制中心。一方面交管部门能够依照模拟的交通流模型，对航线的管理积累经验；另一方面可以利用船舶交通仿真系统对相关管理人员进行专业培训，通过大量的船舶仿真数据与平台信息交互的过程，使管理人员熟练掌握交通管理方法10。3.2 船员对技术更新的适应船舶交通流仿真技术的发展推动了船舶智能化的进程，呈现出信息化、智能化、大数据的特点。船舶交通流仿真建模相关研究的应用正在逐步完善船岸一体化系统，其中船岸一体化平台不仅提高了岸上远程决策能力、运行效率和可靠性，更提高了船舶航行的安全性和经济性11，也对船员的综合素质要求提出了新的考验。不断发展的仿真技术使得船舶自主避碰系统逐步完善，船舶航行风险预测相关软件的应用逐渐广泛，需要船员掌握的“硬技术”门槛也在不断提高，对船员提出了自我“技术更新”的新要求。综上，为适应智能化发展的时代大趋势，新时代的船员除了具备适应岗位工作的基础知识和能力之外，还应提升英语和计算机软件的学习应用能力12，掌握一定的人工智能技术，以及熟悉一些新型开发的系统和平台的操作流程，主动学习新型技术，自主完成自我的“技术更新”以迎合智能化时代的潮流。3.3 船员培养模式改变随着仿真技术的不断发展和船舶智能化时代的临近，航运市场所需求的船员，不再是传统培养模式下的船员，而是新时代下具有综合素质的高端人才。市场需求的改变也迫使传统培养模式发生变化。在船舶及其仪李宁，等：船舶交通流仿真研究的应用及其影响船舶物资与市场第 31 卷 第 2 期 18 器设备日趋复杂，在网络化、信息化技术的冲击下，培养目标提升为培养更高专业技能的人才来操纵和管理船舶。交通运输部制定的中国船员发展规划（2016-2020年），其中在发展目标提到要基本建立远程与现场相结合的船员教育培训体系，主要任务方面提到了要改革和创新船员教育培训方式，促进船员教育培训优质资源均等化。当下，大部分的培养系统中已经涵盖了对最新的专业技术、海事英语等方面的学习培训，各类航海院校逐步重视人工智能技术在航海学生培养中的重要性，加强对网络信息技术、人工智能方面的培养。3.4 船员结构变化科学技术每次变革都会带来社会生产力的跨越式发展，随着 21 世纪发起的全新技术革命，网络物理系统将数字技术与软件、传感器和纳米技术相结合，物理和数字技术的融合将改变世界，在摧毁和重构传统工作岗位的同时，更多全新的岗位被创造出来13。船舶相关技术的不断更新，加之人工智能化在船舶中的应用，未来技术型专业船员的数量将多于基层型劳作的船员，掌握信息化、智能化技术的船员将占主导地位。而船舶交通流仿真技术的发展，使得航道通过能力不断完善，船舶的组织调度能力优化，同时可以对船舶交通流进行事先预测。船岸一体化平台的服务人员地位逐渐上升，重要性日益凸显，随着基层船员人数的减少，未来可能有一部分船员转为岸基服务人员。4 结语海上船舶交通流仿真理论不断完善，也逐渐运用于不同领域进行进一步研究，本文简要介绍了船舶交通流仿真模型应用的主要方向及其简单原理，展现了船舶交通流仿真应用的广泛性和研究的必要性。船舶交通流仿真研究的影响不仅仅是将智能化、大数据、信息化引入研究，更重要的是智能化科技时代对船员、直接管理部门、不同主体行为产生的影响进行分析，也看到未来发展的方向。参考文献：1 齐乐.基于元胞自动机的海上航道内船舶交通流研究 D.大连:大连海事大学,2017.2徐武雄,初秀民,刘兴龙.船舶交通流建模与仿真研究进展J.水利水运工程学报,2014(6):91-99.3 戴林伟.双向航道船舶交通流元胞自动机模型及仿真 J.上海海事大学学报,2019,40(1):27-31+64.4 薛梦婕.基于 Anylogic 和多主体的船舶交通流仿真研究 D.厦门:集美大学,2019.5 侯梦琳.航道顺直段船舶交通流仿真分析 D.南京:东南大学,2019.6 朱航标,吴青,杨满江,等.混有智能船舶水域的航行风险评价软件框架设计 J.武汉理工大学学报（信息与管理工程版）,2021,43(3):231-235.7 张静,张志坚,周芯玉.基于蒙特卡罗方法的广州港航行风险评估 J.气象与环境学报,2021,37(3):132-138.8 谢亿秦.船舶调度规则对船闸交通运行状态影响研究 D.南京:东南大学,2020.9 熊曹丰收,朱浩强,方杭,等.三峡枢纽船舶组织调度优化研究 J.中国水运(下半月),2016,16(2):43-47.10 车飞.基于 Access 的船舶交通数据库在船舶交通仿真的应用 J.舰船科学技术,2020,42(20):43-45.11 毛俊皓,何宝,焦侬,等.船舶辅机智能化技术应用现状及发展趋势 J.船舶工程,2021,43(8):1-3+159.12 梁民仓,刘虎,艾万政,等.船舶智能化背景下的高素质船员发展对策 J.水运管理,2018,40(12):26-30.13 胥苗苗.智能航运带来的变革 J.中国船检,2019(10):25-28.