通航环境态势辨识模型与应用研究*

郝国柱 黄立文 姜 丹

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063)

通航环境态势辨识模型与应用研究*

郝国柱1,2)黄立文1,2)姜 丹1,2)

(武汉理工大学航运学院1)武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2)武汉 430063)

提取通航环境关键子因素并进行分类，综合运用突变理论和主成分分析的多元统计方法，建立以自然环境和交通环境为控制变量的通航环境态势辨识模型.以长江三峡库区为例，将能见度、风力、流速和航路交汇、航道尺度、交通流共6种对通航风险影响程度最大的关键子因素划分为自然环境和交通环境2个主分量，利用尖点突变模型对库区各区域通航环境所对应的安全态势进行辨识.结果表明，长江三峡库区通航环境态势自下游至上游呈逐渐变差趋势.

通航环境；安全态势；辨识；控制变量

0 引 言

按照系统论观点，水上交通系统是一个由“人-船-环境”组成的庞大安全系统[1]，通航环境因素作为该系统中的重要组成部分，除直接影响水上交通安全外，还间接作用于人和船舶，以增加事故发生的概率[2-4]，开展通航环境对水上交通安全的影响具有重要意义.

由多种环境子因素对船舶航行安全造成的整体影响表现为通航环境安全态势的优劣.但目前对通航环境的研究主要集中在将其作为一个整体并以定性分析为主[5]，且缺乏对同一区域内部不同区段间通航环境的定量计算和比较研究.鉴此，笔者运用多元统计方法和突变理论构建通航环境安全态势辨识模型，定量确定研究对象内部的安全态势分布.

1 突变理论

突变理论[6]主要研究动态系统在连续发展过程中出现的突然变化现象，解释突然变化与连续变化因素之间的关系.它不拘泥于挖掘研究对象内部错综复杂的各种反馈机制与作用机理，而是从分析影响发生突变现象的多个控制因素入手，来完成对突变现象的控制.从数学角度分析，突变理论是通过研究系统的势函数来实现的[7-8]，可描述为

(1)

式中：x为系统状态变量；c为系统控制变量.

当系统中控制变量不超过4个，一共可以构造出7种初等突变模型，其中状态变量为1个的有4种，见表1.

表1 初等突变模型及势函数

2 通航环境态势辨识模型

2.1 原始变量选择

通航环境引起的通航风险突变是多种因素综合作用的结果.因此，在利用突变模型进行模拟的过程中，首先要确定导致通航风险突变的子因素.结合对海事部门、船舶驾引人员及海事院校专家的调研结果，选择能见度、风、流速、交通流、航道尺度、航路交汇共6项对通航安全有明显影响的因素作为模型的原始变量.

2.2 模型构建

2.2.1 模型框架

将能见度(x1)、风(x2)、流速(x3)3个变量归纳为自然环境控制变量(M)，将交通流(x4)、航道尺度(x5)、航路交汇(x6)归纳为交通环境控制变量(N)，则通航环境引发的水上通航风险突变可以归纳为由两种控制变量导致的耦合突变[9-10]，选用尖点突变模型进行模拟.另外，在尖点突变模型中两控制变量有主次之分，起主导作用的为剖分因子(x2的系数)，另一个则作为正则因子(x的系数).借鉴专家打分方法和模糊统计数据[11-12]，确定自然环境较交通环境对通航风险的贡献程度更大.

则用X作为通航环境系统安全状态变量，势函数V表示水上交通安全系统维持稳定运行的能力，构建通航环境尖点突变模型.模型势函数可表达为

V(X)=X4+MX2+NX

(2)

平衡曲面方程为

4X3+2MX+N=0

(3)

控制平面的分叉点集为

8M3+27N2=0

(4)

2.2.2 模型分析

在图1中，上叶表示和谐有序安全通航态势，下叶表示已发生交通事故状态，中叶不可达，为不稳定的突变区间.3条不同曲线分别表示在自然环境因素和交通环境因素共同作用下，通航风险突变并引发水上交通事故的演变过程.

图1 通航风险随通航环境演变的突变模型

1)a'0d'0曲线不经过尖点折叠区域，表示为从势函数曲面的上叶平稳过渡到下叶，通航态势平稳渐变，系统存在发生水上交通事故重大隐患，但即使通航环境再恶化，也不会导致水上交通事故.

2) 对于曲线a'1b'1c'1d'1和a'2b'2c'2d'2均经过了势函数曲面的折叠区域，系统位势在b1→c1和b2→c2处发生突变，该过程即表示由于通航环境控制变量的变化导致了水上交通事故的发生.

3) 两突变控制曲线在经过折叠区域前后，通航环境系统态势功能位势变化值分别为ΔX1=X(Mb1,Nb1)-X(Mc1,Nc1)、ΔX2=X(Mb2,Nb2)-X(Mc2,Nc2)，明显ΔX1<ΔX2.这表明，曲线a2b2c2d2所代表的水上交通事故较a1b1c1d1所代表的事故后果更严重，危害程度更大.

通航环境态势在突变模型中分布趋势见图2.

图2 通航环境态势与控制变量分布关系图

2.2.3 模型求解

图3 通航环境突变模型尖点突变区域

1) 当Δ<0时，对满足该条件的一对M，N值有不相等的3个X值与其对应，这时的M，N值处在尖点型区域内，即系统会发生突变.

2) 当Δ>0时，对满足该条件的一对M，N值仅有1个X与其对应，这时的M，N值处在尖点型区域外，即系统处于稳定态势(安全或危险).

3) 当Δ=0时，与M，N值相对应有2个X值，则此时M，N值处在尖点型区域的边界上，即系统处于临界态势；特殊的，若M=N=0，则对应的两个X根相等且都为0，此时M，N值刚好位于尖点上.

3 模型应用及分析

以三峡库区为例，自蓄水以来，三峡库区通航条件极大改善，但大雾天气频发、船舶密度增加等新的通航环境问题也日益突出.将三峡库区通航环境包括2大类，一类是由航标、交通流、锚地等构成的交通环境，另一类是以风、流、能见度、水位等为主要因素的自然环境.即由通航环境变化引发的通航风险突变及水上交通事故可视为是由交通环境和自然环境两大类因素共同作用的结果.

3.1 控制变量取值

原始变量采用客观测量数据能够反映其真实状态，可通过该方式进行取值的变量有：风，取年标准风天数；流，取航道中最大流速；交通流，取2011～2013年的日均船舶艘次.这些变量的测量值可直接反映各变量对通航安全的影响程度.即在一般情况下，其值越大，表明对船舶航行越不利，即对通航安全的影响越大.

能见度对通航的影响，需综合考虑降雨、发雾强度和雾时长短等多方面；航道尺度受水位变化、泥沙淤积等自然因素影响体现在航道宽度、水深、弯曲半径、净空高度、碍航物等多方面；航路交汇除了与交汇航路数目、航路交叉角度有关外，还与各航路的交通流量有关，流量越大，在航路交汇处的会遇紧迫程度越大，通航风险也就越大.对于该3项变量，运用模糊数学量化的方法取其对通航安全的影响值，数值越大，表示对通航安全的影响程度越大.

为全面反映库区不同水域的通航环境状况，在三峡库区长江干流沿线选择13处位置点，通过测量、统计、模糊综合评价等手段分别求出各位置区域的原始变量值，见表2.

采用SPSS(19.0)软件，利用主成分分析的多元统计方法分别对x1,x2,x3和x4,x5,x6进行运算，得M和N的表达式：

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

(5)

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

(6)

方差计算和分析表明，M和N可以分别反映两组变量信息的86.67%和96.85%，贡献率均≥85%，可以较好的反映原所有变量的信息.

表2 三峡库区通航环境控制变量数据采集

3.2 尖点突变模拟

将三峡库区13个数据采集点的标准化变量值x1,x2,x3,x4,x5,x6代入式(5)和(6)，进而可求出各地区自然环境M和交通环境N的综合主成分值，即综合评价值.

各采集点M，N值及判别式Δ的计算检表3，根据M，N和Δ确定的各区域在通航环境控制变量坐标系的位置分布见图4.

表3 三峡库区长江干线采集点通航环境变量及综合判据得分值

图4 三峡库区各位置点通航环境突变态势分布图

3.3 模拟结果分析

由式(5)和(6)可见，主分量M的表达式由能见度、风、流速3个原始变量组成，3个变量所占的比重不同.其中x2系数的绝对值为最大，表示风是影响N的主导因素.同理，航道尺度为影响交通环境的主导因素.三峡库区自近坝段至上游方向，自然环境和交通环境的稳定综合评价值呈逐渐减小态势.其中宜昌三峡大坝坝区范围附近的M和N值最大，表示由于水流较缓、航道尺度充裕，在坝区范围内该区域的自然环境和交通环境均优于其他区域；而库尾江津位置，由于受水位消落期河道尺度缩窄、碍航物增多、水流紊乱及航路交叉较多等因素的影响，自然环境和交通环境评价值均落后于库区其他区域.根据突变模拟结果对三峡库区沿线13处主要地理位置的通航环境态势辨识如下.

1) 宜昌至云阳以及忠县区段，得益于该区段的水深充足、水域较宽阔，使得流速较缓、航道尺度充足等，各位置的自然环境和交通环境综合量值都取正值，且离尖点位置较远，说明这些地区通航环境的变化只会引起对应通航安全态势的稳定(光滑)渐变，而不会出现突变的情况，即通航环境处于安全稳定态势.

2) 万州、丰都、长寿3处位置区域，由于该航段在交通流量与下游航段保持相当水平的同时，能见度条件变差，大风天气增多，洪水期流速变大以及航道尺度缩窄，使得该几处通航环境变得相对狭窄和拥挤.通航环境导致的通航风险处于危险的稳定区间，表示该几处水域通航环境条件不再理想，但仍不会大规模发生水上交通事故.

3) 涪陵及重庆以上回水变动区的区段内，一方面受该地区雾日和大风天气的影响，另一方面受水位消落期水流流速变大、流态紊乱、水深减小而使得航道尺度缩小及碍航物增多影响，使得这些地区在回水消落期通航环境整体态势变得不理想，突变恶化的可能性最大.值得注意的是，涪陵地区虽然不在回水变动区内，但由于距离回水变动区最近，水流影响也开始显现.此外，该处作为重庆港的3大枢纽港区之一，船舶交通流和航路交汇情况均较周围较其他水域更复杂，经过综合评价和突变模拟，该处的通航环境也处于突变的危险态势，发生水上交通事故的概率较高.

据长江海事局事故统计，2011～2013年三峡库区共发生58起水上交通事故，其中发生在长寿至江津段回水变动区的就有26起，近占总数目的50%；近3年库区发生等级以上水上交通事故14起，其中回水变动区8起，超过总数目的一半.说明库尾航段为整个库区的高风险、事故易发区段，由此也验证突变模拟结果与实际情况的基本一致性.

图5 长江三峡库区通航环境突变态势分布图

4 结 束 语

由通航环境变化引起的水上交通事故可以归纳为一种多通航环境因素耦合的通航风险突变.融合突变理论和主成分分析的多元统计方法建立的以自然环境和交通环境为控制变量的三峡库区通航环境突变模型可以从事故致因角度有效解释通航环境在连续变化时引起通航安全系统态势突然变化的机理过程.通过与2011～2013年三峡库区水上事故状况进行对比，验证了三峡库区通航环境突变模型的合理性，应用该突变模型辨识了库区各区域通航环境的突变态势，可为库区通航安全预警提供依据.

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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

*国家自然科学基金项目(批准号：51379170)、交通应用基础研究项目(批准号：2012-329-811-140)资助

U698.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.010

郝国柱(1988- )：男，硕士，实验员，主要研究领域为交通信息工程及控制