基于危险度分析的危险品运输三维仿真方法研究＊

柴勤芳 陈先桥 刘克中

（浙江交通职业技术学院海运学院1） 杭州 311112）

（武汉理工大学计算机学院2） 武汉 430063） （武汉理工大学航运学院3） 武汉 430063）

危险品由于自身的危险性，在运输途中若发生交通事故或泄漏事故，不仅容易造成船舶损毁、人员伤亡，而且会引发燃烧、爆炸、腐蚀、毒害等严重的灾害事故，危及公共安全和人民群众的生命财产安全，导致环境污染.

危险品运输过程中，危险源具有可观测性和可控性.所发生的各种事故，更有其特定的内在规律，并反映潜在危害向事故生成方向转化的条件及其相互之间的对立统一关系.若能检测到这些转化条件的关键参数，并建立其相互联系的数学模型，就可以借助于传感器、微电子器件和计算机等先进的技术工具，对危险源进行监控、仿真和预警.当出现异常工况时，系统将根据对危险源的安全状态起主导作用的参数变化趋势和描述安全状态的数学模型，由仿真预测程序及时给出危险源是否向事故状态转化.

危险品运输中，由于其自身的特性，如气体易扩散性，及发生事故后的环境破坏灾难性，对危险品运输船舶的碰撞危险度提出了更高的要求、并具有更多的特殊性.因此，如何客观准确地评价危险品运输船舶碰撞危险度，成了国内外相关领域的专家、学者研究的重要课题，并取得了许多研究成果［1－2］.文献［3－4］建立了双目标（成本、风险最小化）模型，利用改进算法开拓网络流结构代替了将双层线性规划问题转化为单层线性规划的求解过程.运用模糊数学的综合评判理论，把会遇中目标船的DCPA、TCPA、两船距离、相对方位、船速比等5个因素作为基本评判参数，建立碰撞危险度的评价模型.

在相关领域已有工作的基础上，本文分析并研究了影响危险品航行要素和特征，建立了综合碰撞危险度和船舶所载危险品的危险度模型及船舶产生模型.根据危险品等级划分船舶领域，建立了危险品运输船舶在航行中的避让模型，及相应仿真平台的设计方案.

1 危险品水上运输仿真模型要素分析

1.1 影响船舶安全通航因素分析

1）航道自然条件 航道通航条件决定了可以通航的船舶吨位与尺度.航道等级高，水深可以满足大型船舶的吃水要求，并有利于提高船舶的快速性.航道宽度则可以保证船舶安全追越、会遇.航道弯曲半径则可以保证船舶航行中安全转向.水流速则与船舶之间的安全距离船舶领域大小息息相关.

2）船型 航道的通过能力不仅与航道本身的条件有关，还与航道上的船舶构成有关.航道上的船舶类型不同或比例不同，对研究航道的通过能力有着很大的影响，在一定程度上甚至是关键性因素.另外航道通过能力还与船舶载重吨位高度相关，载重的情况下吃水变大，对航道要求高.

3）船舶畅行速度 船舶速度是很重要的参数，船舶畅行速度与通过能力线性相关，在同等条件下，畅行速度越高，航道通过能力越大.内河船舶航速远远低于海运船舶，这与内河航运的环境特点有关，也与内河运输船舶船型、主机性能等因素有关.船速过低，舵效变差，直接影响船舶交通流通过能力，易造成航道阻塞.

4）航道容量 容星定义为在通常条件下，特定承担的最大交通量.用类似于物理学动量定义，它是使交通量达到最大的交通密度与速度的乘积，是描述系统性能的一个重要指标.

在水上相遇的船舶之间或在同一航道中前后行使的船舶之间也会保持一定距离.因为船舶在二维空间中运动，所以构成围绕船舶安全航行的安全区.在研究水道的交通容量时，后继船舶避免进入的前一艘航行船舶的周围领域，称为船舶领域，又称避碰领域.不同类型、不同物理尺寸的船舶，其领域不同.因此，航道容量计算时，应综合考虑船舶密度和船舶领域［5］.

1.2 船舶安全航行评价指标体系分析

1）船舶航行时对航道宽度的要求 航道有效宽度由航迹带宽度、船舶间富裕宽度和船舶与航道底边间的富裕宽度组成.单、双向航道分别由下面2式确定.

式中：W为航道有效宽度，m；b为船舶间富裕宽度，取设计船宽B，m；c为船舶与航道底边间的富裕宽度，m；A为航迹带宽度，m，A＝n（Lsinγ＋B），其中：L为船长，m；n为船舶漂移倍数；γ为风流压偏角.

2）船舶对通航水深的要求 船舶安全航行时，航道最低通航水位可按下式计算

式中：T为设计船型满载吃水，m；Z为龙骨下最小富裕深度，m；ΔZ为其他富裕深度，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.这二者都是表征一个水域船舶交通实况的基本量.其中：平均船舶密度＝某一水域范围内的船舶总数／水域的面积.船舶密度分布，指一个水域中船舶的空间分布.根据统计特性，船舶相继到达间隔时间t近似服从负指数分布

2 基于危险度分析的船舶航行仿真建模关键技术

2.1 危险品运输中船舶危险度分析

船舶航行时，受航速、风向、风速、水流速度等的影响，而且船舶航行一旦遇紧急情况，不象道路交通较容易紧急刹车.因此，船舶航行过程中，为避免海损事故的发生，通常情况下，船舶间要保持安全距离，即船舶的安全领域.然而，现有的船舶安全领域模型都是船舶类型、船舶尺寸来确定，不能满足危险品运输对安全的特殊需要.以下根据危险品的性质、危害程度，结合船舶类型、船舶尺寸分析并建立船舶危险度模型.

描述危险物品安全状态的可观测参数大体上有以下几个方面：罐体、阀门、管件以及支撑构筑物的强度；储罐内部的压力、温度、液位（危险物品为液态）、成份以及与储罐内物理化学状态密切相关的流量等；风速、风向、水流速度、气温、气压、湿度；安全阀、静电防护接地和消（避）雷等设施的有效性；上述参数有些与储罐的安全状态并无直接的因果关系，如气象参数中的大气压力、大气温度、空气湿度、风向、风速等，但在重要参数的预警模型中却是必须考虑的因素.因为在水上运输体系中，一旦危情出现，环境气象因素等将直接危险品的影响区域.危险物品储罐的工艺过程尽管十分简单，需要进行监控的参数却相当多.例如，储罐内部的压力、温度、液位等参数须进行高层次的预警.而有的参数虽有预警意义却很难观测，如带压储罐自身的机械强度，包括裂痕与缝隙的长度和深度、罐体壁厚、锈蚀程度、应力分布等.有的参数则不仅具有预警意义而且可以观测.例如，危险物品事故性泄漏后在空气中形成的“云团”，将在当时的气象条件下向某一区域扩散.如果是有毒物质，则使区域内的人员、牲畜中毒、致伤、致死；若是易燃易爆物质，则在此区域内如遇火源必然发生燃烧或爆炸，产生极大的破坏力.一旦出现危险物品泄漏事故，人们所关心的除了如何抑制危险物品继续泄漏、防止事故扩大外，还要清醒地估计泄漏的危害物质所酿成灾祸的范围与程度.

2.2 船舶航行中的危险度评价模型

通常情况下，船舶航行仿真系统设计中，主要考虑的船舶碰撞危险度.即会遇中目标船的参数为：DCPA，TCPA、2船距离（D）、相对方位（B）和船速比（K），由目标船参数构成的目标因素集

式中：K为目标船航速与本船航速之比.

设目标因素的权重分配为：aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK，目标船危险隶属度，即目标船各参数对本船造成危险的程度为rDCPA，rTCAP，rD，rB，rK.则目标综合评判结果为

式中：e0为目标船碰撞危险度.

在模型表达式（2）中，目标因素的权重系数aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK一般根据统计数据，综合考虑各因素对碰撞危险影响的重要性获取，例如可取为：0.36，0.32，0.14，0.10，0.08.而目标船各参数对本船造成危险度参数rDCPA，rTCAP，rD，rB，rK则需要采用根据航行水域、能见度、通航密度、本船的操纵性能、风流的情况、航速、吃水和可用吃水的关系、船吸的可能性、雷达等设备的误差以及避碰规则的通常做法等因素确定.

对于危险品运输船舶的仿真系统设计，不仅要考虑船舶的碰撞危险程度，同时，还要考虑船舶所运载危险品的危险度、运载设备的完好程度、气象因子的影响程度等.危险品通常有油品、液化气体、化学物品等，较容易给出危险程度的经验估计值.运载设备的完好程度，对于实物仿真系统可由各种传感器测量获得；而对于虚拟仿真系统，可作为系统参数进行设定.气象环境各参数对危险品的扩散起着重要作用，风力越大、扩散越快；若风向与水流方向叠加，则会加速危险品的扩散.

通过以上分析，可定义危险品的危险度如下：设危险品类型、储罐压力、温度、液位、环境风速、风向、水流速度、气温、气压等量的危险程度分别为：r1，r2，…，rn，对应的权重系数分别为：a1，a2，…，an，定义危险品的综合危险度如下.

综合船舶碰撞危险度（2）和运载危险品的危险度（3），可得混合危险度为

式中：α，β为船舶碰撞危险度和运载危险品的危险度的组合系数，可由经验值给出，或由历史数据优化获取.

3 危险品运输船航行仿真实现的关键技术

3.1 仿真平台OGRE简介

OGRE 3D是一个被广泛使用的开源三维图形渲染库，成功地应用于三维仿真领域，其中包括网络游戏和一些商业的三维仿真项目.OGRE（object－oriented graphics rendering engine，即面向对象图形渲染引擎）是一个用C＋＋开发的面向场景、非常灵活的3D引擎，它旨在让开发人员更容易、更直接地利用硬件加速的3D图形系统开发应用.这个类库隐藏了底层系统库（如：Direct3D和OpenGL）的所有细节，提供了一个基于世界对象和其他直观类的接口.

3.2 船舶随机产生模型

正常情况下，船舶航行时不能达到船舶之间相互接触的高密度，在船舶周围，需要有一个固定的缓冲区域，这个缓冲区域就是前面介绍的船舶领域.船舶领域的具体尺寸和形状与本船的大小、运动性能、水流气象以及交通密度等因素有关.

在确定航道船舶领域大小后（见图1），可以用如下公式来计算某一航道单位时间内可承受的最大船舶容量

式中：N为航道内可并行船舶列数；L为标准船长；V为平均船速.对于标准船长和平均船速可以通过分析该航道内航行船舶的构成状况，加权平均予以确定.

图1 航道CAD测量数据图

而对于危险品运输船舶，其周围领域要求更高.除了考虑船舶的外形尺寸外，还应该综合船舶所载危险品的危险度（见图2）.为此，将航道内的最大船舶流量修改为

图2 危险品运输航行仿真模型图

式中：e为由式（4）所定义的综合危险程度.交通流生成模型实际上就是依靠随机数技术产生符合给定概率分布的船舶状态属性以及交通流参数，以此向系统提供初值.交通流生成模型包括两部分信息：船舶信息和交通流信息，其实质反映了系统初始化的两个随机性，即船舶个体的随机性和某段航道内到达时刻的随机性.在模拟过程中，选用船型、间距和航速作为表征动态交通流的随机变量.在现实的交通流中，船舶的到达是随机的、离散的，因此首先要解决如何得到符合一定概率分布的随机变量，实际应用中随机变量的分布假定服从［0，1］区间上的均匀分布.假设进行仿真的水域有n个航路，各个航路的实际交通量占该水域最大的交通容量的百分比为q1，q2，…，qn，则在交通仿真中，在产生一艘船舶的同时，产生一个0到1之间的均匀随机数R，并判断

则将新产生的船舶分派到第j条航路中航行.

4 结 语

本文在充分分析了影响船舶航行基本因素基础上，介绍了从船舶安全航行评价指标体系和船舶碰撞危险度模型，引入了危险品运输船舶综合危险度指标，并以此为基础建立了基于危险度分析的危险品运输三维仿真模型，为研究危险品运输航行中船舶优化管理提供了可靠的仿真平台.但在如何引入实时的船舶交通流信息和航道动态信息，为航道的优化管理与决策提供更及时的参考资料等还待进一步的深入研究.

［1］Lindstrom P，Pascucci V.Visualization of large terrains made easy［J］.Visualization Proceedings，2001（10）：363－574.

［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］周江华，吴春杰.船舶碰撞危险度模型的构建［J］.宁波大学学报：理工版，2004，17（1）：61－64.

［4］严庆新.船舶碰撞危险度评判模型［J］.武汉理工大学学报，2002，26（2）：77－79.

［5］熊振南，周世波.船舶航行环境可视化仿真［J］.上海海事大学学报.2009，30（1）：6－9.