基于危險度分析的危險品運輸三維仿真方法研究＊

柴勤芳 陳先橋 劉克中

（浙江交通職業(yè)技術學院海運學院1） 杭州 311112）

（武漢理工大學計算機學院2） 武漢 430063） （武漢理工大學航運學院3） 武漢 430063）

危險品由于自身的危險性，在運輸途中若發(fā)生交通事故或泄漏事故，不僅容易造成船舶損毀、人員傷亡，而且會引發(fā)燃燒、爆炸、腐蝕、毒害等嚴重的災害事故，危及公共安全和人民群眾的生命財產(chǎn)安全，導致環(huán)境污染.

危險品運輸過程中，危險源具有可觀測性和可控性.所發(fā)生的各種事故，更有其特定的內(nèi)在規(guī)律，并反映潛在危害向事故生成方向轉化的條件及其相互之間的對立統(tǒng)一關系.若能檢測到這些轉化條件的關鍵參數(shù)，并建立其相互聯(lián)系的數(shù)學模型，就可以借助于傳感器、微電子器件和計算機等先進的技術工具，對危險源進行監(jiān)控、仿真和預警.當出現(xiàn)異常工況時，系統(tǒng)將根據(jù)對危險源的安全狀態(tài)起主導作用的參數(shù)變化趨勢和描述安全狀態(tài)的數(shù)學模型，由仿真預測程序及時給出危險源是否向事故狀態(tài)轉化.

危險品運輸中，由于其自身的特性，如氣體易擴散性，及發(fā)生事故后的環(huán)境破壞災難性，對危險品運輸船舶的碰撞危險度提出了更高的要求、并具有更多的特殊性.因此，如何客觀準確地評價危險品運輸船舶碰撞危險度，成了國內(nèi)外相關領域的專家、學者研究的重要課題，并取得了許多研究成果［1－2］.文獻［3－4］建立了雙目標（成本、風險最小化）模型，利用改進算法開拓網(wǎng)絡流結構代替了將雙層線性規(guī)劃問題轉化為單層線性規(guī)劃的求解過程.運用模糊數(shù)學的綜合評判理論，把會遇中目標船的DCPA、TCPA、兩船距離、相對方位、船速比等5個因素作為基本評判參數(shù)，建立碰撞危險度的評價模型.

在相關領域已有工作的基礎上，本文分析并研究了影響危險品航行要素和特征，建立了綜合碰撞危險度和船舶所載危險品的危險度模型及船舶產(chǎn)生模型.根據(jù)危險品等級劃分船舶領域，建立了危險品運輸船舶在航行中的避讓模型，及相應仿真平臺的設計方案.

1 危險品水上運輸仿真模型要素分析

1.1 影響船舶安全通航因素分析

1）航道自然條件 航道通航條件決定了可以通航的船舶噸位與尺度.航道等級高，水深可以滿足大型船舶的吃水要求，并有利于提高船舶的快速性.航道寬度則可以保證船舶安全追越、會遇.航道彎曲半徑則可以保證船舶航行中安全轉向.水流速則與船舶之間的安全距離船舶領域大小息息相關.

2）船型 航道的通過能力不僅與航道本身的條件有關，還與航道上的船舶構成有關.航道上的船舶類型不同或比例不同，對研究航道的通過能力有著很大的影響，在一定程度上甚至是關鍵性因素.另外航道通過能力還與船舶載重噸位高度相關，載重的情況下吃水變大，對航道要求高.

3）船舶暢行速度 船舶速度是很重要的參數(shù)，船舶暢行速度與通過能力線性相關，在同等條件下，暢行速度越高，航道通過能力越大.內(nèi)河船舶航速遠遠低于海運船舶，這與內(nèi)河航運的環(huán)境特點有關，也與內(nèi)河運輸船舶船型、主機性能等因素有關.船速過低，舵效變差，直接影響船舶交通流通過能力，易造成航道阻塞.

4）航道容量 容星定義為在通常條件下，特定承擔的最大交通量.用類似于物理學動量定義，它是使交通量達到最大的交通密度與速度的乘積，是描述系統(tǒng)性能的一個重要指標.

在水上相遇的船舶之間或在同一航道中前后行使的船舶之間也會保持一定距離.因為船舶在二維空間中運動，所以構成圍繞船舶安全航行的安全區(qū).在研究水道的交通容量時，后繼船舶避免進入的前一艘航行船舶的周圍領域，稱為船舶領域，又稱避碰領域.不同類型、不同物理尺寸的船舶，其領域不同.因此，航道容量計算時，應綜合考慮船舶密度和船舶領域［5］.

1.2 船舶安全航行評價指標體系分析

1）船舶航行時對航道寬度的要求 航道有效寬度由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成.單、雙向航道分別由下面2式確定.

式中：W為航道有效寬度，m；b為船舶間富裕寬度，取設計船寬B，m；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度，m；A為航跡帶寬度，m，A＝n（Lsinγ＋B），其中：L為船長，m；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風流壓偏角.

2）船舶對通航水深的要求 船舶安全航行時，航道最低通航水位可按下式計算

式中：T為設計船型滿載吃水，m；Z為龍骨下最小富裕深度，m；ΔZ為其他富裕深度，m.

3）船舶密度 船舶密度包含平均船舶密度和船舶密度分布.這二者都是表征一個水域船舶交通實況的基本量.其中：平均船舶密度＝某一水域范圍內(nèi)的船舶總數(shù)／水域的面積.船舶密度分布，指一個水域中船舶的空間分布.根據(jù)統(tǒng)計特性，船舶相繼到達間隔時間t近似服從負指數(shù)分布

2 基于危險度分析的船舶航行仿真建模關鍵技術

2.1 危險品運輸中船舶危險度分析

船舶航行時，受航速、風向、風速、水流速度等的影響，而且船舶航行一旦遇緊急情況，不象道路交通較容易緊急剎車.因此，船舶航行過程中，為避免海損事故的發(fā)生，通常情況下，船舶間要保持安全距離，即船舶的安全領域.然而，現(xiàn)有的船舶安全領域模型都是船舶類型、船舶尺寸來確定，不能滿足危險品運輸對安全的特殊需要.以下根據(jù)危險品的性質、危害程度，結合船舶類型、船舶尺寸分析并建立船舶危險度模型.

描述危險物品安全狀態(tài)的可觀測參數(shù)大體上有以下幾個方面：罐體、閥門、管件以及支撐構筑物的強度；儲罐內(nèi)部的壓力、溫度、液位（危險物品為液態(tài)）、成份以及與儲罐內(nèi)物理化學狀態(tài)密切相關的流量等；風速、風向、水流速度、氣溫、氣壓、濕度；安全閥、靜電防護接地和消（避）雷等設施的有效性；上述參數(shù)有些與儲罐的安全狀態(tài)并無直接的因果關系，如氣象參數(shù)中的大氣壓力、大氣溫度、空氣濕度、風向、風速等，但在重要參數(shù)的預警模型中卻是必須考慮的因素.因為在水上運輸體系中，一旦危情出現(xiàn)，環(huán)境氣象因素等將直接危險品的影響區(qū)域.危險物品儲罐的工藝過程盡管十分簡單，需要進行監(jiān)控的參數(shù)卻相當多.例如，儲罐內(nèi)部的壓力、溫度、液位等參數(shù)須進行高層次的預警.而有的參數(shù)雖有預警意義卻很難觀測，如帶壓儲罐自身的機械強度，包括裂痕與縫隙的長度和深度、罐體壁厚、銹蝕程度、應力分布等.有的參數(shù)則不僅具有預警意義而且可以觀測.例如，危險物品事故性泄漏后在空氣中形成的“云團”，將在當時的氣象條件下向某一區(qū)域擴散.如果是有毒物質，則使區(qū)域內(nèi)的人員、牲畜中毒、致傷、致死；若是易燃易爆物質，則在此區(qū)域內(nèi)如遇火源必然發(fā)生燃燒或爆炸，產(chǎn)生極大的破壞力.一旦出現(xiàn)危險物品泄漏事故，人們所關心的除了如何抑制危險物品繼續(xù)泄漏、防止事故擴大外，還要清醒地估計泄漏的危害物質所釀成災禍的范圍與程度.

2.2 船舶航行中的危險度評價模型

通常情況下，船舶航行仿真系統(tǒng)設計中，主要考慮的船舶碰撞危險度.即會遇中目標船的參數(shù)為：DCPA，TCPA、2船距離（D）、相對方位（B）和船速比（K），由目標船參數(shù)構成的目標因素集

式中：K為目標船航速與本船航速之比.

設目標因素的權重分配為：aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK，目標船危險隸屬度，即目標船各參數(shù)對本船造成危險的程度為rDCPA，rTCAP，rD，rB，rK.則目標綜合評判結果為

式中：e0為目標船碰撞危險度.

在模型表達式（2）中，目標因素的權重系數(shù)aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK一般根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，綜合考慮各因素對碰撞危險影響的重要性獲取，例如可取為：0.36，0.32，0.14，0.10，0.08.而目標船各參數(shù)對本船造成危險度參數(shù)rDCPA，rTCAP，rD，rB，rK則需要采用根據(jù)航行水域、能見度、通航密度、本船的操縱性能、風流的情況、航速、吃水和可用吃水的關系、船吸的可能性、雷達等設備的誤差以及避碰規(guī)則的通常做法等因素確定.

對于危險品運輸船舶的仿真系統(tǒng)設計，不僅要考慮船舶的碰撞危險程度，同時，還要考慮船舶所運載危險品的危險度、運載設備的完好程度、氣象因子的影響程度等.危險品通常有油品、液化氣體、化學物品等，較容易給出危險程度的經(jīng)驗估計值.運載設備的完好程度，對于實物仿真系統(tǒng)可由各種傳感器測量獲得；而對于虛擬仿真系統(tǒng)，可作為系統(tǒng)參數(shù)進行設定.氣象環(huán)境各參數(shù)對危險品的擴散起著重要作用，風力越大、擴散越快；若風向與水流方向疊加，則會加速危險品的擴散.

通過以上分析，可定義危險品的危險度如下：設危險品類型、儲罐壓力、溫度、液位、環(huán)境風速、風向、水流速度、氣溫、氣壓等量的危險程度分別為：r1，r2，…，rn，對應的權重系數(shù)分別為：a1，a2，…，an，定義危險品的綜合危險度如下.

綜合船舶碰撞危險度（2）和運載危險品的危險度（3），可得混合危險度為

式中：α，β為船舶碰撞危險度和運載危險品的危險度的組合系數(shù)，可由經(jīng)驗值給出，或由歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化獲取.

3 危險品運輸船航行仿真實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 仿真平臺OGRE簡介

OGRE 3D是一個被廣泛使用的開源三維圖形渲染庫，成功地應用于三維仿真領域，其中包括網(wǎng)絡游戲和一些商業(yè)的三維仿真項目.OGRE（object－oriented graphics rendering engine，即面向對象圖形渲染引擎）是一個用C＋＋開發(fā)的面向場景、非常靈活的3D引擎，它旨在讓開發(fā)人員更容易、更直接地利用硬件加速的3D圖形系統(tǒng)開發(fā)應用.這個類庫隱藏了底層系統(tǒng)庫（如：Direct3D和OpenGL）的所有細節(jié)，提供了一個基于世界對象和其他直觀類的接口.

3.2 船舶隨機產(chǎn)生模型

正常情況下，船舶航行時不能達到船舶之間相互接觸的高密度，在船舶周圍，需要有一個固定的緩沖區(qū)域，這個緩沖區(qū)域就是前面介紹的船舶領域.船舶領域的具體尺寸和形狀與本船的大小、運動性能、水流氣象以及交通密度等因素有關.

在確定航道船舶領域大小后（見圖1），可以用如下公式來計算某一航道單位時間內(nèi)可承受的最大船舶容量

式中：N為航道內(nèi)可并行船舶列數(shù)；L為標準船長；V為平均船速.對于標準船長和平均船速可以通過分析該航道內(nèi)航行船舶的構成狀況，加權平均予以確定.

圖1 航道CAD測量數(shù)據(jù)圖

而對于危險品運輸船舶，其周圍領域要求更高.除了考慮船舶的外形尺寸外，還應該綜合船舶所載危險品的危險度（見圖2）.為此，將航道內(nèi)的最大船舶流量修改為

圖2 危險品運輸航行仿真模型圖

式中：e為由式（4）所定義的綜合危險程度.交通流生成模型實際上就是依靠隨機數(shù)技術產(chǎn)生符合給定概率分布的船舶狀態(tài)屬性以及交通流參數(shù)，以此向系統(tǒng)提供初值.交通流生成模型包括兩部分信息：船舶信息和交通流信息，其實質反映了系統(tǒng)初始化的兩個隨機性，即船舶個體的隨機性和某段航道內(nèi)到達時刻的隨機性.在模擬過程中，選用船型、間距和航速作為表征動態(tài)交通流的隨機變量.在現(xiàn)實的交通流中，船舶的到達是隨機的、離散的，因此首先要解決如何得到符合一定概率分布的隨機變量，實際應用中隨機變量的分布假定服從［0，1］區(qū)間上的均勻分布.假設進行仿真的水域有n個航路，各個航路的實際交通量占該水域最大的交通容量的百分比為q1，q2，…，qn，則在交通仿真中，在產(chǎn)生一艘船舶的同時，產(chǎn)生一個0到1之間的均勻隨機數(shù)R，并判斷

則將新產(chǎn)生的船舶分派到第j條航路中航行.

4 結 語

本文在充分分析了影響船舶航行基本因素基礎上，介紹了從船舶安全航行評價指標體系和船舶碰撞危險度模型，引入了危險品運輸船舶綜合危險度指標，并以此為基礎建立了基于危險度分析的危險品運輸三維仿真模型，為研究危險品運輸航行中船舶優(yōu)化管理提供了可靠的仿真平臺.但在如何引入實時的船舶交通流信息和航道動態(tài)信息，為航道的優(yōu)化管理與決策提供更及時的參考資料等還待進一步的深入研究.

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［2］Hofierka J，Cebecauer T.Spatial interpolation of elevation data with variable density：a new methodology to derive quality DEMs［J］.Geoscience and Remote Sensing Letters，2007（1）：117－121.

［3］周江華，吳春杰.船舶碰撞危險度模型的構建［J］.寧波大學學報：理工版，2004，17（1）：61－64.

［4］嚴慶新.船舶碰撞危險度評判模型［J］.武漢理工大學學報，2002，26（2）：77－79.

［5］熊振南，周世波.船舶航行環(huán)境可視化仿真［J］.上海海事大學學報.2009，30（1）：6－9.