基于危險(xiǎn)度分析的危險(xiǎn)品運(yùn)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(shù)學(xué)院海運(yùn)學(xué)院1） 杭州 311112）

（武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2） 武漢 430063） （武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院3） 武漢 430063）

危險(xiǎn)品由于自身的危險(xiǎn)性，在運(yùn)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(huì)引發(fā)燃燒、爆炸、腐蝕、毒害等嚴(yán)重的災(zāi)害事故，危及公共安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，導(dǎo)致環(huán)境污染.

危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程中，危險(xiǎn)源具有可觀測(cè)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(zhuǎn)化的條件及其相互之間的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系.若能檢測(cè)到這些轉(zhuǎn)化條件的關(guān)鍵參數(shù)，并建立其相互聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型，就可以借助于傳感器、微電子器件和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)工具，對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)控、仿真和預(yù)警.當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)對(duì)危險(xiǎn)源的安全狀態(tài)起主導(dǎo)作用的參數(shù)變化趨勢(shì)和描述安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，由仿真預(yù)測(cè)程序及時(shí)給出危險(xiǎn)源是否向事故狀態(tài)轉(zhuǎn)化.

危險(xiǎn)品運(yùn)輸中，由于其自身的特性，如氣體易擴(kuò)散性，及發(fā)生事故后的環(huán)境破壞災(zāi)難性，對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶的碰撞危險(xiǎn)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(zhǔn)確地評(píng)價(jià)危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶碰撞危險(xiǎn)度，成了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家、學(xué)者研究的重要課題，并取得了許多研究成果［1－2］.文獻(xiàn)［3－4］建立了雙目標(biāo)（成本、風(fēng)險(xiǎn)最小化）模型，利用改進(jìn)算法開拓網(wǎng)絡(luò)流結(jié)構(gòu)代替了將雙層線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為單層線性規(guī)劃的求解過程.運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判理論，把會(huì)遇中目標(biāo)船的DCPA、TCPA、兩船距離、相對(duì)方位、船速比等5個(gè)因素作為基本評(píng)判參數(shù)，建立碰撞危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)模型.

在相關(guān)領(lǐng)域已有工作的基礎(chǔ)上，本文分析并研究了影響危險(xiǎn)品航行要素和特征，建立了綜合碰撞危險(xiǎn)度和船舶所載危險(xiǎn)品的危險(xiǎn)度模型及船舶產(chǎn)生模型.根據(jù)危險(xiǎn)品等級(jí)劃分船舶領(lǐng)域，建立了危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶在航行中的避讓模型，及相應(yīng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案.

1 危險(xiǎn)品水上運(yùn)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(jí)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(huì)遇.航道彎曲半徑則可以保證船舶航行中安全轉(zhuǎn)向.水流速則與船舶之間的安全距離船舶領(lǐng)域大小息息相關(guān).

2）船型 航道的通過能力不僅與航道本身的條件有關(guān)，還與航道上的船舶構(gòu)成有關(guān).航道上的船舶類型不同或比例不同，對(duì)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(guān)鍵性因素.另外航道通過能力還與船舶載重噸位高度相關(guān)，載重的情況下吃水變大，對(duì)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(guān)，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(yuǎn)遠(yuǎn)低于海運(yùn)船舶，這與內(nèi)河航運(yùn)的環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)，也與內(nèi)河運(yùn)輸船舶船型、主機(jī)性能等因素有關(guān).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(dān)的最大交通量.用類似于物理學(xué)動(dòng)量定義，它是使交通量達(dá)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(gè)重要指標(biāo).

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(huì)保持一定距離.因?yàn)榇霸诙S空間中運(yùn)動(dòng)，所以構(gòu)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(shí)，后繼船舶避免進(jìn)入的前一艘航行船舶的周圍領(lǐng)域，稱為船舶領(lǐng)域，又稱避碰領(lǐng)域.不同類型、不同物理尺寸的船舶，其領(lǐng)域不同.因此，航道容量計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮船舶密度和船舶領(lǐng)域［5］.

1.2 船舶安全航行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析

1）船舶航行時(shí)對(duì)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(shè)計(jì)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(fēng)流壓偏角.

2）船舶對(duì)通航水深的要求 船舶安全航行時(shí)，航道最低通航水位可按下式計(jì)算

式中：T為設(shè)計(jì)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(gè)水域船舶交通實(shí)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(gè)水域中船舶的空間分布.根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性，船舶相繼到達(dá)間隔時(shí)間t近似服從負(fù)指數(shù)分布

2 基于危險(xiǎn)度分析的船舶航行仿真建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1 危險(xiǎn)品運(yùn)輸中船舶危險(xiǎn)度分析

船舶航行時(shí)，受航速、風(fēng)向、風(fēng)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(lǐng)域.然而，現(xiàn)有的船舶安全領(lǐng)域模型都是船舶類型、船舶尺寸來確定，不能滿足危險(xiǎn)品運(yùn)輸對(duì)安全的特殊需要.以下根據(jù)危險(xiǎn)品的性質(zhì)、危害程度，結(jié)合船舶類型、船舶尺寸分析并建立船舶危險(xiǎn)度模型.

描述危險(xiǎn)物品安全狀態(tài)的可觀測(cè)參數(shù)大體上有以下幾個(gè)方面：罐體、閥門、管件以及支撐構(gòu)筑物的強(qiáng)度；儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力、溫度、液位（危險(xiǎn)物品為液態(tài)）、成份以及與儲(chǔ)罐內(nèi)物理化學(xué)狀態(tài)密切相關(guān)的流量等；風(fēng)速、風(fēng)向、水流速度、氣溫、氣壓、濕度；安全閥、靜電防護(hù)接地和消（避）雷等設(shè)施的有效性；上述參數(shù)有些與儲(chǔ)罐的安全狀態(tài)并無直接的因果關(guān)系，如氣象參數(shù)中的大氣壓力、大氣溫度、空氣濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等，但在重要參數(shù)的預(yù)警模型中卻是必須考慮的因素.因?yàn)樵谒线\(yùn)輸體系中，一旦危情出現(xiàn)，環(huán)境氣象因素等將直接危險(xiǎn)品的影響區(qū)域.危險(xiǎn)物品儲(chǔ)罐的工藝過程盡管十分簡單，需要進(jìn)行監(jiān)控的參數(shù)卻相當(dāng)多.例如，儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力、溫度、液位等參數(shù)須進(jìn)行高層次的預(yù)警.而有的參數(shù)雖有預(yù)警意義卻很難觀測(cè)，如帶壓儲(chǔ)罐自身的機(jī)械強(qiáng)度，包括裂痕與縫隙的長度和深度、罐體壁厚、銹蝕程度、應(yīng)力分布等.有的參數(shù)則不僅具有預(yù)警意義而且可以觀測(cè).例如，危險(xiǎn)物品事故性泄漏后在空氣中形成的“云團(tuán)”，將在當(dāng)時(shí)的氣象條件下向某一區(qū)域擴(kuò)散.如果是有毒物質(zhì)，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(zhì)，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(xiǎn)物品泄漏事故，人們所關(guān)心的除了如何抑制危險(xiǎn)物品繼續(xù)泄漏、防止事故擴(kuò)大外，還要清醒地估計(jì)泄漏的危害物質(zhì)所釀成災(zāi)禍的范圍與程度.

2.2 船舶航行中的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型

通常情況下，船舶航行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要考慮的船舶碰撞危險(xiǎn)度.即會(huì)遇中目標(biāo)船的參數(shù)為：DCPA，TCPA、2船距離（D）、相對(duì)方位（B）和船速比（K），由目標(biāo)船參數(shù)構(gòu)成的目標(biāo)因素集

式中：K為目標(biāo)船航速與本船航速之比.

設(shè)目標(biāo)因素的權(quán)重分配為：aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK，目標(biāo)船危險(xiǎn)隸屬度，即目標(biāo)船各參數(shù)對(duì)本船造成危險(xiǎn)的程度為rDCPA，rTCAP，rD，rB，rK.則目標(biāo)綜合評(píng)判結(jié)果為

式中：e0為目標(biāo)船碰撞危險(xiǎn)度.

在模型表達(dá)式（2）中，目標(biāo)因素的權(quán)重系數(shù)aDCPA，aTCAP，aD，aB，aK一般根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，綜合考慮各因素對(duì)碰撞危險(xiǎn)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(biāo)船各參數(shù)對(duì)本船造成危險(xiǎn)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(fēng)流的情況、航速、吃水和可用吃水的關(guān)系、船吸的可能性、雷達(dá)等設(shè)備的誤差以及避碰規(guī)則的通常做法等因素確定.

對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅要考慮船舶的碰撞危險(xiǎn)程度，同時(shí)，還要考慮船舶所運(yùn)載危險(xiǎn)品的危險(xiǎn)度、運(yùn)載設(shè)備的完好程度、氣象因子的影響程度等.危險(xiǎn)品通常有油品、液化氣體、化學(xué)物品等，較容易給出危險(xiǎn)程度的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值.運(yùn)載設(shè)備的完好程度，對(duì)于實(shí)物仿真系統(tǒng)可由各種傳感器測(cè)量獲得；而對(duì)于虛擬仿真系統(tǒng)，可作為系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.氣象環(huán)境各參數(shù)對(duì)危險(xiǎn)品的擴(kuò)散起著重要作用，風(fēng)力越大、擴(kuò)散越快；若風(fēng)向與水流方向疊加，則會(huì)加速危險(xiǎn)品的擴(kuò)散.

通過以上分析，可定義危險(xiǎn)品的危險(xiǎn)度如下：設(shè)危險(xiǎn)品類型、儲(chǔ)罐壓力、溫度、液位、環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向、水流速度、氣溫、氣壓等量的危險(xiǎn)程度分別為：r1，r2，…，rn，對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分別為：a1，a2，…，an，定義危險(xiǎn)品的綜合危險(xiǎn)度如下.

綜合船舶碰撞危險(xiǎn)度（2）和運(yùn)載危險(xiǎn)品的危險(xiǎn)度（3），可得混合危險(xiǎn)度為

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

3 危險(xiǎn)品運(yùn)輸船航行仿真實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 仿真平臺(tái)OGRE簡介

OGRE 3D是一個(gè)被廣泛使用的開源三維圖形渲染庫，成功地應(yīng)用于三維仿真領(lǐng)域，其中包括網(wǎng)絡(luò)游戲和一些商業(yè)的三維仿真項(xiàng)目.OGRE（object－oriented graphics rendering engine，即面向?qū)ο髨D形渲染引擎）是一個(gè)用C＋＋開發(fā)的面向場(chǎng)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(yīng)用.這個(gè)類庫隱藏了底層系統(tǒng)庫（如：Direct3D和OpenGL）的所有細(xì)節(jié)，提供了一個(gè)基于世界對(duì)象和其他直觀類的接口.

3.2 船舶隨機(jī)產(chǎn)生模型

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

在確定航道船舶領(lǐng)域大小后（見圖1），可以用如下公式來計(jì)算某一航道單位時(shí)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(biāo)準(zhǔn)船長；V為平均船速.對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)船長和平均船速可以通過分析該航道內(nèi)航行船舶的構(gòu)成狀況，加權(quán)平均予以確定.

圖1 航道CAD測(cè)量數(shù)據(jù)圖

而對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶，其周圍領(lǐng)域要求更高.除了考慮船舶的外形尺寸外，還應(yīng)該綜合船舶所載危險(xiǎn)品的危險(xiǎn)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(xiǎn)品運(yùn)輸航行仿真模型圖

式中：e為由式（4）所定義的綜合危險(xiǎn)程度.交通流生成模型實(shí)際上就是依靠隨機(jī)數(shù)技術(shù)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(shí)質(zhì)反映了系統(tǒng)初始化的兩個(gè)隨機(jī)性，即船舶個(gè)體的隨機(jī)性和某段航道內(nèi)到達(dá)時(shí)刻的隨機(jī)性.在模擬過程中，選用船型、間距和航速作為表征動(dòng)態(tài)交通流的隨機(jī)變量.在現(xiàn)實(shí)的交通流中，船舶的到達(dá)是隨機(jī)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(jī)變量，實(shí)際應(yīng)用中隨機(jī)變量的分布假定服從［0，1］區(qū)間上的均勻分布.假設(shè)進(jìn)行仿真的水域有n個(gè)航路，各個(gè)航路的實(shí)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(shí)，產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的均勻隨機(jī)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(jié) 語

本文在充分分析了影響船舶航行基本因素基礎(chǔ)上，介紹了從船舶安全航行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和船舶碰撞危險(xiǎn)度模型，引入了危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶綜合危險(xiǎn)度指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)建立了基于危險(xiǎn)度分析的危險(xiǎn)品運(yùn)輸三維仿真模型，為研究危險(xiǎn)品運(yùn)輸航行中船舶優(yōu)化管理提供了可靠的仿真平臺(tái).但在如何引入實(shí)時(shí)的船舶交通流信息和航道動(dòng)態(tài)信息，為航道的優(yōu)化管理與決策提供更及時(shí)的參考資料等還待進(jìn)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］周江華，吳春杰.船舶碰撞危險(xiǎn)度模型的構(gòu)建［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2004，17（1）：61－64.

［4］嚴(yán)慶新.船舶碰撞危險(xiǎn)度評(píng)判模型［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)學(xué)報(bào).2009，30（1）：6－9.