[发明专利]一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及船舶安全控制技术领域领域，尤其涉及一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

背景技术

随着国家经济的发展，货物与人员之间的交流越来越频繁，人们对物流和出行的要求越来越高，大型河流两岸沟通越来越密切。基础建设工程规模越来越大、需求越来越多，立体交通的提出导致水上水下活动复杂、频繁，从而出现越来越多新的复杂问题。

以长江为例，由于需求与供给的矛盾越来越突出，长江上已经建设了一百多座跨江桥梁和跨江电缆，这些水上工程在空间上与行驶在长江上的船舶争夺空间，使得本来可以通航船舶的空间受到限制，浪费了有限的航道资源，限制了水上交通的发展。为了最大限度地保障货物与人员的交流，又避免和减少水上活动对通航安全的影响，维护通航秩序，保护通航资源，保障航行安全，促进水运经济的发展，满足长江“黄金水道”建设和一带一路战略实施，课题组依托一系列跨江(海)桥梁工程和电缆工程通航安全影响论证相关专题研究积累中总结了船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

船舶失控后，在无动力、没有舵效的情况下，其运动状态取决于风和流的大小及方向、风动力中心和水动力中心的相对位置、船舶载量、船舶大小及尺度、船舶吃水、船舶形状等等诸多因素的影响。船舶在桥区水域的实际航行过程中，由于风和流的大小和方向是随机的，有多种组合情况，分析计算中需要将所有组合情况都进行计算。对于在桥区航行突然失控的船舶来说，不是所有的失控船舶都会对桥梁产生碰撞，有些失控船舶当失控点离桥较近时，可能会在自身惯性的作用下，直接从主通航孔与桥梁无碰撞地通过。根据桥区水域航道、水文、气象特征及有关航行管理规定，船舶只有在一定环境条件下的某些水域范围内失控，才有可能对桥梁产生碰撞危险。危险失控区域就是指船舶失控后，可能对桥梁产生碰撞危险的所有失控点的集合。本专利通过数值模拟和计算机仿真的方法计算失控船舶与桥梁发生碰撞的风险，根据仿真实验得出的船舶可能发生碰撞的区域位置和船舶特点，结合其通航环境和其他随机因素反溯其失控点的集合(即危险失控区)，以利于海事管理部门对其重点监控，保障施工期桥梁安全管理和交通流规划和管理。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中缺少对船舶失控后的运动轨迹预测的方法的缺陷，提供一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种船舶失控运动轨迹预测及概率风险分析方法，该方法包括以下步骤：

S1、将船舶失控后的漂移运动分为两个阶段：在惯性作用下滑行的停车冲程阶段，惯性消失后的流淌漂流阶段；并以桥梁区域内某个桥墩中心为原点建立坐标系；

S2、获取船舶失控时的航速、流速，船首向与桥轴法向的夹角，水流流向和桥轴法向的夹角，并计算船舶失控后的瞬时船速；

S3、根据船舶失控后的瞬时船速，计算停车冲程阶段内船舶的冲时和冲程，以及流淌漂流阶段内船舶的漂移时间和漂移距离；

S4、计算船舶从失控点到桥梁的总漂移量，若总漂移量与桥梁的交点与某个桥墩重合，则判断该失控点为有碰撞危险的失控点；

S5、利用计算机仿真，获取桥梁区域内有碰撞危险的失控点集合，并绘制船舶危险失控区域；

S6、根据绘制的船舶危险失控区域对发生船舶撞桥事故的风险进行概率分析。

进一步地，本发明的步骤S2中计算船舶失控后的瞬时船速的公式为：

其中，υ₀为船舶失控后的瞬时船速，V为船舶失控时的航速，U为失控时的流速，α为失控时船首向与桥轴法向的夹角，β为失控时水流流向和桥轴法向的夹角。

进一步地，本发明的步骤S1中建立坐标系的方法为：以桥梁区域内某个桥墩中心为原点，X轴平行于桥轴线，Y轴垂直于桥轴线，建立坐标系。

进一步地，本发明的步骤S3中计算冲时和冲程，以及漂移时间和漂移距离的方法为：

冲时T指从失控点开始至惯性消失的时间，通过以下公式求得：

其中，υ为船舶在冲程时间内任意时刻的船速，T_st为船舶减速时间常数；

冲程的计算公式为：

冲程在垂直于桥轴线的坐标轴上的投影为冲距S_c：

漂移距离S_P指惯性消失后，如果船舶尚未抵达桥梁，在水流作用下沿桥梁所在坐标轴方向漂移的距离，其计算公式为：