繁忙受限水域船舶安全领域数字化建模与碰撞动态风险计算研究

According to the limitation of the previous ship collision risk calculation method applied in crowded-restricted waters, the new calculation method and theory for ship collision risk are provided for the needs of maritime safety supervision modernization and ship traffic management intelligentization. Firstly, the factors influencing ship traffic conflict are distinguished and refined, and then a characterization model based on multi-mode ship traffic conflict is established by analyzing the coupling mechanism and the statistical records. Secondly, the boundaries of ship safety domain are defined based on ships’ three-dimensional space-time trajectory and ship motion simulation, and then a digital model is presented by digitizing the internal structure of the safety domain based on the ship traffic conflict situation. Thirdly, a numerical algorithm for calculating the overlapping areas of the digital model is proposed based on Monte Carlo method. Finally, a dynamic risk calculation model is designed, and the risk classification and semantic expression are clarified, and the model will be verified based on the field data. Consequently, the formed theory and method for dynamic risk calculation on ship collision in the crowded-restricted waters could be presented. This project will enrich the traffic and transportation engineering that in the field of ship domain and risk calculation on ship collision, and it can also provide the theoretical and technical support for ship collision risk early warning and control in crowded-restricted waters.

为满足海事安全监管现代化和船舶交通管理智能化发展需求，解决传统船舶碰撞风险计算方法在繁忙受限水域应用的局限性问题，研究繁忙受限水域船舶碰撞动态风险计算的理论和方法。首先，运用统计分析和耦合理论解析船舶交通冲突的多影响因素耦合作用机理，建立多模式船舶交通冲突态势表征模型；然后，运用船舶三维时空轨迹数据挖掘技术和船舶运动仿真方法确定船舶安全领域内外边界参数，进而基于船舶交通冲突态势通过数值方法对安全领域内部结构进行数字化，建立船舶安全领域数字化模型；最后，基于蒙特卡洛方法提出船舶安全领域数字化模型重叠区域的数值算法，构建繁忙受限水域船舶碰撞动态风险计算模型，确定计算数值对应的风险分级标准和语义表达方法，形成繁忙受限水域船舶碰撞动态风险计算的系统理论和方法，并进行实例验证。研究将在船舶领域和碰撞风险等方面丰富交通运输工程学科的理论和方法，为繁忙受限水域船舶碰撞动态风险预警预控提供理论技术支持。

船舶碰撞动态风险计算是船舶碰撞风险预警和船舶避碰决策的重要基础，也是实现海事安全监管现代化和船舶交通管理智能化的关键技术。项目针对传统船舶碰撞风险计算方法在繁忙受限水域应用的局限性问题，运用机理解析和数据挖掘等方法，系统研究了繁忙受限水域船舶碰撞动态风险计算的理论和方法。.首先，建立了基于船舶行为特征挖掘的异常行为识别模型，提出了船舶AIS（Automatic Identification System）轨迹数据的压缩与重构算法，解决了大数据背景下海量轨迹数据处理速度慢和精准度低的问题，为交通冲突和碰撞风险研究提供基础数据支撑；然后，在冲突机理解析的基础上，运用矢量运算方法建立了基于船舶位置、船舶速度、船舶安全间距等船舶特征参数的交通冲突态势表征模型，通过设置典型场景和引入船舶AIS数据验证了模型的可靠性，揭示了船舶交通冲突风险的分布规律；接着，构建了基于解析法和大数据挖掘方法的数字化船舶领域模型，该模型包括内边界、外边界和内部结构函数，揭示了不同方位距离上的船舶碰撞风险分布特征，具有一定的自由度和柔性；再者，基于蒙特卡洛方法提出了数字化船舶领域叠加区域数值计算的船舶碰撞空间风险计算方法，同时基于船舶相对方位、距离和速度等提出了船舶碰撞时间风险计算方法，再运用突变理论构建了两船会遇模式下的船舶碰撞时空风险计算模型，进而建立了多船会遇情景下的船舶碰撞动态风险融合模型，风险计算结果表明船舶风险最大值出现的时间略提前于船舶最小会遇点出现的时间；最后，根据船舶交通冲突、数字化船舶领域和船舶碰撞风险研究结果，提出了船舶碰撞风险多级预警方法，并研发了船舶碰撞动态风险预警平台。.项目研究在船舶领域和碰撞风险等方面丰富了交通运输工程学科的理论和方法，对繁忙受限水域船舶碰撞动态风险预警预控具有重要的现实意义。