基于蒙特卡洛的船桥碰撞概率探究
基于 的船舶碰撞危险度模型
基于的船舶碰撞危险度模型《我眼中的船舶碰撞危险度模型》嗨，大家好！今天我想和你们聊聊一个超级酷但又有点复杂的东西——船舶碰撞危险度模型。
你们可能会想，这是个啥呀？就像我一开始听到这个名字的时候，也是一头雾水呢。
我有个叔叔是在港口工作的。
有一次我去他那儿玩，看到港口里好多好多的大船。
那些船就像一个个巨大的怪物，在水面上慢慢地移动着。
我就问叔叔：“叔叔，这么多船在这儿，它们会不会撞到一起呀？”叔叔笑了笑说：“小宝贝，一般不会的，因为有很厉害的东西在帮忙呢，这其中就有船舶碰撞危险度模型。
”那这个船舶碰撞危险度模型到底是怎么一回事呢？我想啊，这就好比是给每一艘船都安排了一个超级聪明的小管家。
这个小管家呢，眼睛可尖了，它能看到周围其他船的位置、速度，还有它们行驶的方向。
就像我们在玩捉迷藏的时候，你得时刻知道小伙伴们在哪里，是朝着你这边来，还是往别的地方跑。
船舶碰撞危险度模型就是干这个事儿的。
比如说，有一艘大船它开得特别快，就像一阵风似的。
旁边还有一艘小船，慢慢地晃悠着。
这时候如果没有个什么东西来管管，那可就危险了。
大船可能就像一个莽撞的大力士，一下子就把小船给撞坏了。
但是呢，船舶碰撞危险度模型就会提前发现这个情况。
它就会像个小警察一样，拉响警报，告诉大船要慢一点，要小心旁边的小船。
我还有个小伙伴，他叫小明。
有一次我们一起在纸上画船玩。
我就跟他讲船舶碰撞危险度模型。
小明歪着脑袋说：“这听起来好神奇啊，它是怎么做到知道船要撞上的呢？”我就跟他解释说：“你看啊，这个模型它就像是一个有魔法的盒子。
这个盒子里装了好多关于船的秘密。
它知道船的大小，大的船就像大象，小的船就像小老鼠。
大象走路的时候得小心，不能踩到小老鼠呀。
而且这个魔法盒子还知道船的速度，速度快的船就像奔跑的马，速度慢的船就像慢慢爬的乌龟。
马跑起来的时候可不能撞到乌龟呢。
”其实啊，船舶碰撞危险度模型里有好多好多的计算。
就像我们做数学题一样，要加啊，减啊，乘啊，除啊。
船桥碰撞的动力分析
船桥碰撞的动力分析1船桥碰撞问题的研究现状随着世界经济的不断发展，船舶碰撞桥梁的事故时有发生。
据统计资料显示，美国在1970～1974年间，内河上共发生了811起船撞桥事故。
美国的阳光大桥、澳大利亚的塔斯曼大桥等都是在被船撞塌后重建的。
在我国，船撞桥事故也是频繁发生。
武汉长江大桥自从1957年建成以来发生了70余起船撞桥事故，其中直接经济损失超过百万元的事故就超过10起。
南京长江大桥自建桥至今已发生了约30起船撞桥事故。
重庆白沙沱大桥被船撞已达上百次之多。
东海大桥在施工期间基础就曾遭受船撞而断裂。
据不完全统计，仅发生在我国长江、珠江、黑龙江三大水系干线上的船撞桥事故就达到300起以上。
东海大桥在施工期间基础就曾遭受船撞而断裂，2007年广东九江大桥引桥被驳船撞塌是最近较为严重的事故。
严重的船撞桥事故除了引起人员伤亡和巨大的直接经济损失外，还可能阻断交通线而带来难以估量的间接经济损失和社会影响。
然而随着金融危机的爆发，国家为扩大内需更是投入了四万亿的资金，全国掀起了路桥建设的高潮。
与此同时，重大桥梁工程受船撞的威胁越来越受到关注。
这些跨江跨海的大型桥梁都具有通航密度大，下水桥墩数量多的特点，存在着较大的受船舶撞击的风险。
因此，桥梁船撞设计已成为跨通航流域桥梁的设计中不可缺少的一部分。
船撞桥分析的系统研究始于1978年。
此后美国和国际桥梁与结构工程协会等许多国家和专业学科组织通过一系列研究和举行学术研讨会取得了丰硕成果，加深了对船撞桥风险、机理、设计和防撞等方面的认识，并以设计指南、规范和专题报告、论文等形式总结了相关研究成果。
1991年，美国道路工程师协会（AASHTO）编写了美国的《公路桥梁船撞设计指南》[1]，专门针对美国的内河桥梁提出了基于风险的船撞设计技术标准和设计方法，内容涵盖了设计船舶的确定、碰撞概率分析、碰撞力的计算、船舶破损长度的计算、防撞保护系统设计等。
1994年，该指南的核心条款又写入了美国《公路桥梁设计规范》[2]。
船撞桥概率模型的比较与选用
船撞桥概率模型的比较与选用唐勇;金允龙;赵振宇【摘要】目前,桥梁防船撞概率模型主要采用统计分析方法和数学模型方法,其中最具代表性的有:AASHTO模型、KUNZI模型、三概率参数积分路径模型(改进的KUNZI模型).三概率参数积分路径模型由我国学者创立[1],系船撞桥概率模型近年来新的理论成果.现通过实际工程案例,具体分析了3种模型的优缺点,并提出相关的建议.【期刊名称】《上海船舶运输科学研究所学报》【年(卷),期】2010(033)001【总页数】6页(P28-33)【关键词】AASHTO模型;KUNZI模型;三概率参数积分路径模型;碰撞概率;航迹横向分布【作者】唐勇;金允龙;赵振宇【作者单位】上海船舶运输科学研究所,运输系统事业部,上海,200135;上海船舶运输科学研究所,运输系统事业部,上海,200135;上海船舶运输科学研究所,运输系统事业部,上海,200135【正文语种】中文【中图分类】U676.10 前言在我国,随着交通运输业的不断发展,跨海跨江河的大型桥梁越来越多。
与此同时,全世界的船舶也正向大型化、高速化发展,其流量和吨位都不断增加,这使得船桥碰撞的灾难性事故日益增多。
船撞桥事故不仅会带来巨大的经济损失,而且还会导致大量的人员伤亡和环境破坏,造成负面的社会影响。
船桥碰撞安全评估的核心内容之一就是桥梁遭受船舶撞击概率的计算,为了研究船舶撞击桥梁的风险概率,一批碰撞概率模型相继诞生。
概率模型主要采用统计分析方法和数学模型方法,其中最具代表性的有:AASHTO模型、KUNZI模型和三概率参数积分路径模型(改进的KUNZI模型)。
1 各模型特点介绍1.1 AASHTO模型[1]《美国公路桥梁防船撞设计指南》(2009)给出了桥梁各桥墩年倒塌频率的计算公式式中:N为船舶年通航量;PA,PG,PC分别为偏航概率、几何概率和倒塌概率。
其中,公式中去除PC后便是桥梁遭受船舶撞击的年频率。
偏航概率PA按式(2)进行计算式中:BR,RB,RC,RXC,RD分别为偏航基准概率、桥位修正系数、平行水流修正系数、横流修正系数和船舶交通密度修正系数。
带主梁的简化模型与响应面联合的桥梁船撞易损性分析方法
带主梁的简化模型与响应面联合的桥梁船撞易损性分析方法作者：樊伟孙洋申东杰刘斌来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第03期摘要：以往桥梁船撞动力分析以给定事件确定性分析为主，难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征，以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征. 为此，本文面向两类典型船舶，以桥梁墩柱受船舶撞击后的剩余承载能力作为损伤评估指标，较为系统地研究了桥梁船撞易损性. 首先，建立了受压RC墩柱受到侧向冲击后剩余承载能力的直接模拟方法，通过与试验结果进行对比，验证了该模拟方法的有效性. 然后，基于一座典型连续钢筋混凝土梁桥，建立了两种不同的有限元简化模型，并进行了比较和验证. 提出一种有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法，获得了两类典型船舶撞击下的桥梁易损性曲线. 结果表明：所建立的响应面具有良好的精度，可替代复杂的非线性有限元计算;两类船舶类型撞击下的桥墩剩余承载力的响应特征区别较大，在球艏船撞击下剩余承载能力随船速的增大而均匀减少，而在受驳船撞击时，剩余承载能力与临界船速密切相关，呈现出双折线的特征，在进行样本设计时需基于临界速度进行分段;在相同船速及质量的情况下，驳船撞击所造成的结构损伤以及失效的概率普遍要高于球艏船撞击，实际设计中应尤为关注.关键词：船撞;易损性;剩余承载能力;响应面;简化模型中图分类号：U447 文献标志码：AVessel-collision Vulnerability Analysis Method of Bridge StructuresBased on Simplified Model with Girders and Response SurfaceFAN Wei1，2†，SUN Yang1，SHEN Dongjie1，LIU Bin1（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;2. Hunan Provincial Key Laboratory for Wind and BridgeEngineering，Hunan University，Changsha 410082，China）Abstract：The past studies primarily performed the deterministic dynamic analysis of vessel-bridge collision for a given collision event，which hardly reflected the contingency and probability characteristics of ship collision，as well as the damage evolution of bridge under impacts with various energy. For this reason，this study systematically investigated the vulnerability of a bridge under collisions of two typical vessels，where the residual capacity of bridge piers after vessel impacts was used as the damage assessment index. Firstly，a direct finite element （FE） simulation method was established to predict the residual capacity of axially-loaded RC column after lateral impact. The rationality of the simulation method was verified by the test results. Then，based on a typical continuous girder bridge，two different simplified FE model were established，compared and validated. By combining the validated simplified FE model and the response surface method，a vulnerability analysis method of the vessel-bridge collision was established，and the vulnerabilitycurves of the bridge were obtained for the impacts of two kinds of typical ships. The results show that the response surface has good accuracy and is able to replace the complex nonlinear FE calculation;The response characteristics of the residual capacity of the pier are quite different for the impact of two types of vessels：the residual capacity of the pier under the impact of the bulbous-bow ship decreases uniformly with the increase of the ship speed，while the residual capacity is closely related to the critical ship speed under the impact of the barge and exhibits the bilinear characteristics so that the sample design needs to be segmented based on the critical speed;Under the same ship speed and quality，the probabilities of structural damage and failure caused by barge impacts are generally higher than those caused by bulbous-bow ship impacts，which should be paid special attention in the practical design.Key words：vessel-bridge collision;vulnerability;residual load capacity;responsesurface;simplified model船撞桥事故不但威胁着船舶通行的安全，也严重影响着桥梁的安全运营[1]，一旦发生船撞桥事故，桥梁结构可能承受巨大的侧向冲击荷载，因此在对通航水域的桥梁进行设计时，必须考虑船桥发生碰撞的可能性.20世纪60年代末，人们开始研究船桥碰撞问题，著名的米诺尔斯基（Minorsky）理论[2]就在那时被提出，该理论为后人研究船桥碰撞奠定了基础. 目前，桥梁船撞安全问题已经受到了广泛关注. 相关研究主要集中于撞击力估算[3]、船撞桥数值模拟[4-6]、桥梁防撞设施研究[7-10]等. 但是，以往的这些研究大多都是基于确定性的有限元仿真计算进行分析，难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征，以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征. 对桥梁进行船撞易损性分析可以预测结构在不同类型的船舶以及不同船速撞击下发生各级破坏的概率，对结构的设计、加固和维修决策具有实际工程应用价值.目前，桥梁的地震易损性研究已经受到国内外学者的广泛关注[11-15]. Singhal等[16]采用贝叶斯原理，分析1994年1月17日北岭加州地震混凝土框架建筑的地震损伤数据，采用Park-Ang地震损伤指数表示结构损伤，将地震易损性定义为在给定的地震强度下，损伤指标超过某一定值的条件概率. 目前，地震易损性的理论研究已经比较丰富.与地震易损性研究相比，关于桥梁船撞易损性的研究成果却寥寥无几. 首先，船撞领域尚未有人提出一个广泛令人接受和信服的判断桥墩船撞损伤等级的指标. 张太磊[17]通过数值仿真计算，得出以墩底转角作为评价桥梁损伤等级的指标，并指出混凝土桥墩在受到船舶撞击后的破坏形式与地震作用下的破坏形式有所不同. 但是其仅仅对矩形墩柱在船舶正向撞击方面进行了研究，因此其损伤指标的适用性还有待进一步研究.此外，前期研究[18]表明，桥梁船撞过程动力效应影响明显，对船撞下桥梁结构的影响进行合理的动力分析是必要的，因此，进行桥梁结构的易损性分析时，就需要大量样本的动力计算. 如果采用常规的精细化接触-碰撞有限元技术进行船桥碰撞的非线性显示动力分析，单个模型的计算将会消耗大量的计算时间，计算效率低. 若要进行大量样本计算，精细化全尺寸有限元模型必然会制约运算规模，因此，提高计算效率非常关键. 近年来也有学者[19-20]将响应面运用到了撞击下桥梁参数分析和可靠度分析中，极大地提高了计算效率. 其中就有张军等[19]提出运用响應面法进行船撞桥的可靠度计算，但是其并未进行非线性有限元动力碰撞计算，而是仅仅以规范的计算方法确定船撞力.由此可见，高精度高效率的有限元简化模型与响应面代理模型的联合是实现大样本分析的前提条件. 因此，本文提出有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法，为构建基于概率性的桥梁船撞设计与评估方法奠定基础.1 墩柱剩余承载能力试验与直接模拟方法1.1 墩柱剩余承载能力试验Fan和Liu等[21-22]对一组不同参数的受压RC墩柱进行了落锤冲击试验，并对受到落锤冲击后的受压RC墩柱进行了轴向加载试验. 试验共对10根不同参数的RC墩柱进行了轴向加载试验，其中有2根未受损伤的试件，还有8根受落锤冲击后的受损试件. 这8根受损试件中，有1根被完全砸断，还有2根出现了“反拱”现象[21]. Fan等[21]指出，反拱的现象具有偶然性，存在一定的不可重复性. 因此，在本次模型验证中排除了这2根“反拱”试件以及1根完全砸断的试件，对剩余的7根试件开展了数值模拟.1.2 墩柱剩余承载能力直接模拟方法为了研究墩柱受冲击后剩余承载能力的直接模拟方法，采用LS-DYNA显式非线性动力有限元软件建立了如图1所示的精细化有限元模型.其中，纵向和螺旋钢筋均采用 Hughes-Liu 积分梁单元模拟，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY材料本构，该材料本构可以采用试验测得的实际应力-应变关系来定义. 混凝土采用六面体单点积分实体单元模拟，材料模型采用连续盖帽本构模型*MAT_CSCM，该材料本构已被证明可以合理地模拟冲击荷载下受压RC柱的动力响应[22-23]. 钢筋的梁单元与混凝土的实体单元之间使用了*MAT_GENERAL_NONLINEAR_1DOF_DISCRERE_ BEAM非线性弹簧单元相连接，来模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系. 非线性弹簧单元的加载卸载曲线的定义参照欧洲规范[24]中的规定.为了模拟出落锤冲击后进行轴向加载的试验全过程，在建模过程中将三个试验阶段合并在一个计算模型中，如图1所示. 整个计算过程分为三个阶段，计算时间为0.14 s.第一阶段为初始轴力的预加载，时间为0 s～0.022 s. 模型中采用关键字*CONSTRAINED_ NODAL_RIGID_BODY将预应力钢筋的两端与试件两端的钢板固定起来，预应力钢筋由索单元模拟，通过定义材料*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM将初始应力赋给了预应力钢筋;第二阶段为落锤冲击阶段，时间为0.022 s ～ 0.08 s. 在初始轴力完成加载后，落锤将以给定的初速度下落并与受压RC柱发生碰撞，在早于0.08 s的某个时间点完成全部碰撞过程，撞击力归零，锤头与试件完全分离;第三阶段为轴向加载阶段，时间为0.08 s ～ 0.14 s. 通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET控制墩柱的两端钢板，在0.08 s时采用预先设定好的轴向位移开始压缩墩柱，即位移控制的轴向加载. 加载过程持续到墩柱失去轴向承载能力，结构失效.Key words：vessel-bridge collision;vulnerability;residual load capacity;responsesurface;simplified model船撞桥事故不但威胁着船舶通行的安全，也严重影响着桥梁的安全运營[1]，一旦发生船撞桥事故，桥梁结构可能承受巨大的侧向冲击荷载，因此在对通航水域的桥梁进行设计时，必须考虑船桥发生碰撞的可能性.20世纪60年代末，人们开始研究船桥碰撞问题，著名的米诺尔斯基（Minorsky）理论[2]就在那时被提出，该理论为后人研究船桥碰撞奠定了基础. 目前，桥梁船撞安全问题已经受到了广泛关注. 相关研究主要集中于撞击力估算[3]、船撞桥数值模拟[4-6]、桥梁防撞设施研究[7-10]等. 但是，以往的这些研究大多都是基于确定性的有限元仿真计算进行分析，难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征，以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征. 对桥梁进行船撞易损性分析可以预测结构在不同类型的船舶以及不同船速撞击下发生各级破坏的概率，对结构的设计、加固和维修决策具有实际工程应用价值.目前，桥梁的地震易损性研究已经受到国内外学者的广泛关注[11-15]. Singhal等[16]采用贝叶斯原理，分析1994年1月17日北岭加州地震混凝土框架建筑的地震损伤数据，采用Park-Ang地震损伤指数表示结构损伤，将地震易损性定义为在给定的地震强度下，损伤指标超过某一定值的条件概率. 目前，地震易损性的理论研究已经比较丰富.与地震易损性研究相比，关于桥梁船撞易损性的研究成果却寥寥无几. 首先，船撞领域尚未有人提出一个广泛令人接受和信服的判断桥墩船撞损伤等级的指标. 张太磊[17]通过数值仿真计算，得出以墩底转角作为评价桥梁损伤等级的指标，并指出混凝土桥墩在受到船舶撞击后的破坏形式与地震作用下的破坏形式有所不同. 但是其仅仅对矩形墩柱在船舶正向撞击方面进行了研究，因此其损伤指标的适用性还有待进一步研究.此外，前期研究[18]表明，桥梁船撞过程动力效应影响明显，对船撞下桥梁结构的影响进行合理的动力分析是必要的，因此，进行桥梁结构的易损性分析时，就需要大量样本的动力计算. 如果采用常规的精细化接触-碰撞有限元技术进行船桥碰撞的非线性显示动力分析，单个模型的计算将会消耗大量的计算时间，计算效率低. 若要进行大量样本计算，精细化全尺寸有限元模型必然会制约运算规模，因此，提高计算效率非常关键. 近年来也有学者[19-20]将响应面运用到了撞击下桥梁参数分析和可靠度分析中，极大地提高了计算效率. 其中就有张军等[19]提出运用响应面法进行船撞桥的可靠度计算，但是其并未进行非线性有限元动力碰撞计算，而是仅仅以规范的计算方法确定船撞力.由此可见，高精度高效率的有限元简化模型与响应面代理模型的联合是实现大样本分析的前提条件. 因此，本文提出有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法，为构建基于概率性的桥梁船撞设计与评估方法奠定基础.1 墩柱剩余承载能力试验与直接模拟方法1.1 墩柱剩余承载能力试验Fan和Liu等[21-22]对一组不同参数的受压RC墩柱进行了落锤冲击试验，并对受到落锤冲击后的受压RC墩柱进行了轴向加载试验. 试验共对10根不同参数的RC墩柱进行了轴向加载试验，其中有2根未受损伤的试件，还有8根受落锤冲击后的受损试件. 这8根受损试件中，有1根被完全砸断，还有2根出现了“反拱”现象[21]. Fan等[21]指出，反拱的现象具有偶然性，存在一定的不可重复性. 因此，在本次模型验证中排除了这2根“反拱”试件以及1根完全砸断的试件，对剩余的7根试件开展了数值模拟.1.2 墩柱剩余承载能力直接模拟方法为了研究墩柱受冲击后剩余承载能力的直接模拟方法，采用LS-DYNA显式非线性动力有限元软件建立了如图1所示的精细化有限元模型.其中，纵向和螺旋钢筋均采用 Hughes-Liu 积分梁单元模拟，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY材料本构，该材料本构可以采用试验测得的实际应力-应变关系来定义. 混凝土采用六面体单点积分实体单元模拟，材料模型采用连续盖帽本构模型*MAT_CSCM，该材料本构已被证明可以合理地模拟冲击荷载下受压RC柱的动力响应[22-23]. 钢筋的梁单元与混凝土的实体单元之间使用了*MAT_GENERAL_NONLINEAR_1DOF_DISCRERE_ BEAM非线性弹簧单元相连接，来模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系. 非线性弹簧单元的加载卸载曲线的定义参照欧洲规范[24]中的规定.为了模拟出落锤冲击后进行轴向加载的试验全过程，在建模过程中将三个试验阶段合并在一个计算模型中，如图1所示. 整个计算过程分为三个阶段，计算时间为0.14 s.第一阶段为初始轴力的预加载，时间为0 s～0.022 s. 模型中采用关键字*CONSTRAINED_ NODAL_RIGID_BODY将预应力钢筋的两端与试件两端的钢板固定起来，预应力钢筋由索单元模拟，通过定义材料*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM将初始应力赋给了预应力钢筋;第二阶段为落锤冲击阶段，时间为0.022 s ～ 0.08 s. 在初始轴力完成加载后，落锤将以给定的初速度下落并与受压RC柱发生碰撞，在早于0.08 s的某个时间点完成全部碰撞过程，撞击力归零，锤头与试件完全分离;第三阶段为轴向加载阶段，时间为0.08 s ～ 0.14 s. 通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET控制墩柱的两端钢板，在0.08 s时采用预先设定好的轴向位移开始压缩墩柱，即位移控制的轴向加载. 加载过程持续到墩柱失去轴向承载能力，结构失效.Key words：vessel-bridge collision;vulnerability;residual load capacity;responsesurface;simplified model船撞桥事故不但威胁着船舶通行的安全，也严重影响着桥梁的安全运营[1]，一旦发生船撞桥事故，桥梁结构可能承受巨大的侧向冲击荷载，因此在对通航水域的桥梁进行设计时，必须考虑船桥发生碰撞的可能性.20世纪60年代末，人们开始研究船桥碰撞问题，著名的米诺尔斯基（Minorsky）理论[2]就在那时被提出，该理论为后人研究船桥碰撞奠定了基础. 目前，桥梁船撞安全问题已经受到了广泛关注. 相关研究主要集中于撞击力估算[3]、船撞桥数值模拟[4-6]、桥梁防撞设施研究[7-10]等. 但是，以往的这些研究大多都是基于确定性的有限元仿真计算进行分析，难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征，以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征. 对桥梁进行船撞易损性分析可以预测结构在不同类型的船舶以及不同船速撞击下发生各级破坏的概率，对结构的设计、加固和维修决策具有实际工程应用价值.目前，桥梁的地震易损性研究已经受到国内外学者的广泛关注[11-15]. Singhal等[16]采用贝叶斯原理，分析1994年1月17日北岭加州地震混凝土框架建筑的地震损伤数据，采用Park-Ang地震损伤指数表示结构损伤，将地震易损性定义为在给定的地震强度下，损伤指标超过某一定值的条件概率. 目前，地震易损性的理论研究已经比较丰富.与地震易损性研究相比，关于桥梁船撞易损性的研究成果却寥寥无几. 首先，船撞领域尚未有人提出一个广泛令人接受和信服的判断桥墩船撞损伤等级的指标. 张太磊[17]通过数值仿真计算，得出以墩底转角作为评价桥梁损伤等级的指标，并指出混凝土桥墩在受到船舶撞击后的破坏形式与地震作用下的破坏形式有所不同. 但是其仅仅对矩形墩柱在船舶正向撞击方面进行了研究，因此其损伤指标的适用性还有待进一步研究.此外，前期研究[18]表明，桥梁船撞过程动力效应影响明显，对船撞下桥梁结构的影响进行合理的动力分析是必要的，因此，进行桥梁结构的易损性分析时，就需要大量样本的动力计算. 如果采用常规的精细化接触-碰撞有限元技术进行船桥碰撞的非线性显示动力分析，单个模型的计算将会消耗大量的计算时间，计算效率低. 若要进行大量样本计算，精细化全尺寸有限元模型必然会制约运算规模，因此，提高计算效率非常关键. 近年来也有学者[19-20]将响应面运用到了撞击下桥梁参数分析和可靠度分析中，极大地提高了计算效率. 其中就有张军等[19]提出运用响应面法进行船撞桥的可靠度计算，但是其并未进行非线性有限元动力碰撞计算，而是仅仅以规范的计算方法确定船撞力.由此可见，高精度高效率的有限元简化模型与响应面代理模型的联合是实现大样本分析的前提条件. 因此，本文提出有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法，为构建基于概率性的桥梁船撞设计与评估方法奠定基础.1 墩柱剩余承载能力试验与直接模拟方法1.1 墩柱剩余承载能力试验Fan和Liu等[21-22]对一组不同参数的受压RC墩柱进行了落锤冲击试验，并对受到落锤冲击后的受压RC墩柱进行了轴向加载试验. 试验共对10根不同参数的RC墩柱进行了轴向加载试验，其中有2根未受损伤的试件，还有8根受落锤冲击后的受损试件. 这8根受损试件中，有1根被完全砸断，还有2根出现了“反拱”现象[21]. Fan等[21]指出，反拱的现象具有偶然性，存在一定的不可重复性. 因此，在本次模型验证中排除了这2根“反拱”试件以及1根完全砸断的试件，对剩余的7根试件开展了数值模拟.1.2 墩柱剩余承載能力直接模拟方法为了研究墩柱受冲击后剩余承载能力的直接模拟方法，采用LS-DYNA显式非线性动力有限元软件建立了如图1所示的精细化有限元模型.其中，纵向和螺旋钢筋均采用 Hughes-Liu 积分梁单元模拟，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY材料本构，该材料本构可以采用试验测得的实际应力-应变关系来定义. 混凝土采用六面体单点积分实体单元模拟，材料模型采用连续盖帽本构模型*MAT_CSCM，该材料本构已被证明可以合理地模拟冲击荷载下受压RC柱的动力响应[22-23]. 钢筋的梁单元与混凝土的实体单元之间使用了*MAT_GENERAL_NONLINEAR_1DOF_DISCRERE_ BEAM非线性弹簧单元相连接，来模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系. 非线性弹簧单元的加载卸载曲线的定义参照欧洲规范[24]中的规定.为了模拟出落锤冲击后进行轴向加载的试验全过程，在建模过程中将三个试验阶段合并在一个计算模型中，如图1所示. 整个计算过程分为三个阶段，计算时间为0.14 s.第一阶段为初始轴力的预加载，时间为0 s～0.022 s. 模型中采用关键字*CONSTRAINED_ NODAL_RIGID_BODY将预应力钢筋的两端与试件两端的钢板固定起来，预应力钢筋由索单元模拟，通过定义材料*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM将初始应力赋给了预应力钢筋;第二阶段为落锤冲击阶段，时间为0.022 s ～ 0.08 s. 在初始轴力完成加载后，落锤将以给定的初速度下落并与受压RC柱发生碰撞，在早于0.08 s的某个时间点完成全部碰撞过程，撞击力归零，锤头与试件完全分离;第三阶段为轴向加载阶段，时间为0.08 s ～ 0.14 s. 通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET控制墩柱的两端钢板，在0.08 s时采用预先设定好的轴向位移开始压缩墩柱，即位移控制的轴向加载. 加载过程持续到墩柱失去轴向承载能力，结构失效.Key words：vessel-bridge collision;vulnerability;residual load capacity;responsesurface;simplified model船撞桥事故不但威胁着船舶通行的安全，也严重影响着桥梁的安全运营[1]，一旦发生船撞桥事故，桥梁结构可能承受巨大的侧向冲击荷载，因此在对通航水域的桥梁进行设计时，必须考虑船桥发生碰撞的可能性.20世纪60年代末，人们开始研究船桥碰撞问题，著名的米诺尔斯基（Minorsky）理论[2]就在那时被提出，该理论为后人研究船桥碰撞奠定了基础. 目前，桥梁船撞安全问题已经受到了广泛关注. 相关研究主要集中于撞击力估算[3]、船撞桥数值模拟[4-6]、桥梁防撞设施研究[7-10]等. 但是，以往的这些研究大多都是基于确定性的有限元仿真计算进行分析，难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征，以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征. 对桥梁进行船撞易损性分析可以预测结构在不同类型的船舶以及不同船速撞击下发生各级破坏的概率，对结构的设计、加固和维修决策具有实际工程应用价值.目前，桥梁的地震易损性研究已经受到国内外学者的广泛关注[11-15]. Singhal等[16]采用贝叶斯原理，分析1994年1月17日北岭加州地震混凝土框架建筑的地震损伤数据，采用Park-Ang地震损伤指数表示结构损伤，将地震易损性定义为在给定的地震强度下，损伤指标超过某一定值的条件概率. 目前，地震易损性的理论研究已经比较丰富.与地震易损性研究相比，关于桥梁船撞易损性的研究成果却寥寥无几. 首先，船撞领域尚未有人提出一个广泛令人接受和信服的判断桥墩船撞损伤等级的指标. 张太磊[17]通过数值仿真计算，得出以墩底转角作为评价桥梁损伤等级的指标，并指出混凝土桥墩在受到船舶撞击后的破坏形式与地震作用下的破坏形式有所不同. 但是其仅仅对矩形墩柱在船舶正向撞击方面进行了研究，因此其损伤指标的适用性还有待进一步研究.此外，前期研究[18]表明，桥梁船撞过程动力效应影响明显，对船撞下桥梁结构的影响进行合理的动力分析是必要的，因此，进行桥梁结构的易损性分析时，就需要大量样本的动力计算. 如果采用常规的精细化接触-碰撞有限元技术进行船桥碰撞的非線性显示动力分析，单个模型的计算将会消耗大量的计算时间，计算效率低. 若要进行大量样本计算，精细化全尺寸有限元模型必然会制约运算规模，因此，提高计算效率非常关键. 近年来也有学者[19-20]将响应面运用到了撞击下桥梁参数分析和可靠度分析中，极大地提高了计算效率. 其中就有张军等[19]提出运用响应面法进行船撞桥的可靠度计算，但是其并未进行非线性有限元动力碰撞计算，而是仅仅以规范的计算方法确定船撞力.由此可见，高精度高效率的有限元简化模型与响应面代理模型的联合是实现大样本分析的前提条件. 因此，本文提出有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法，为构建基于概率性的桥梁船撞设计与评估方法奠定基础.1 墩柱剩余承载能力试验与直接模拟方法1.1 墩柱剩余承载能力试验Fan和Liu等[21-22]对一组不同参数的受压RC墩柱进行了落锤冲击试验，并对受到落锤冲击后的受压RC墩柱进行了轴向加载试验. 试验共对10根不同参数的RC墩柱进行了轴向加载试验，其中有2根未受损伤的试件，还有8根受落锤冲击后的受损试件. 这8根受损试件中，有1根被完全砸断，还有2根出现了“反拱”现象[21]. Fan等[21]指出，反拱的现象具有偶然性，存在一定的不可重复性. 因此，在本次模型验证中排除了这2根“反拱”试件以及1根完全砸断的试件，对剩余的7根试件开展了数值模拟.1.2 墩柱剩余承载能力直接模拟方法为了研究墩柱受冲击后剩余承载能力的直接模拟方法，采用LS-DYNA显式非线性动力有限元软件建立了如图1所示的精细化有限元模型.其中，纵向和螺旋钢筋均采用 Hughes-Liu 积分梁单元模拟，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY材料本构，该材料本构可以采用试验测得的实际应力-应变关系来定义. 混凝土采用六面体单点积分实体单元模拟，材料模型采用连续盖帽本构模型*MAT_CSCM，该材料本构已被证明可以合理地模拟冲击荷载下受压RC柱的动力响应[22-23]. 钢筋的梁单元与混凝土的实体单元之间使用了*MAT_GENERAL_NONLINEAR_1DOF_DISCRERE_ BEAM非线性弹簧单元相连接，来模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系. 非线性弹簧单元的加载卸载曲线的定义参照欧洲规范[24]中的规定.为了模拟出落锤冲击后进行轴向加载的试验全过程，在建模过程中将三个试验阶段合并在一个计算模型中，如图1所示. 整个计算过程分为三个阶段，计算时间为0.14 s.。
基于碰撞圆的船舶避碰决策模型及仿真
基于碰撞圆的船舶避碰决策模型及仿真引言船舶避碰是航海中至关重要的一环，它涉及到船舶与船舶之间或船舶与其他水上物体之间的相互避让。
由于船舶的运动速度快、惯性大，加上复杂多变的海上环境，使得船舶避碰决策成为一项具有挑战性的任务。
随着航海技术的不断发展，基于碰撞圆的船舶避碰决策模型及仿真成为了研究的热点之一。
本文将介绍基于碰撞圆的船舶避碰决策模型及仿真的相关研究现状，并提出一种新的碰撞圆模型，并通过仿真实验验证其有效性。
一、船舶避碰决策模型的研究现状船舶避碰决策模型是指用数学模型描述船舶避碰决策的过程，旨在提高船舶自动避碰系统的决策能力，降低船舶避碰事故的发生率。
在过去的研究中，一些学者提出了基于避碰规则的决策模型，例如“国际船舶避碰规则（COLREGs）”中对于船舶避碰的标准规则；另一些学者提出了基于碰撞概率的决策模型，利用概率模型来评估碰撞风险，从而进行决策。
但是这些模型在实际应用中存在一些问题，比如基于规则的模型依赖于避碰规则的准确执行情况，而基于概率的模型需要大量的碰撞概率数据来支撑，因此在海上环境中的实时性和准确性都不足。
基于碰撞圆的船舶避碰决策模型受到了广泛关注。
碰撞圆理论是由海军军事理论引申而来，它指的是通过计算船舶预定时间段内可能出现的位置及其可能移动方向，并取其所有可能移动方向的终点所构成的圆，这些圆称为碰撞圆。
基于碰撞圆的船舶避碰决策模型是建立在此理论基础之上，它主要包括以下几个要素：1. 船舶的运动模型：包括船舶的速度、加速度、转向能力等参数。
2. 碰撞圆的构建：通过船舶当前位置、速度和预定时间段内的加速度等参数构建碰撞圆。
3. 避碰策略：确定避碰的决策策略，主要包括规避、转向和减速等方式。
4. 风险评估：通过碰撞圆的位置和大小，结合其他船舶的运动参数，对碰撞风险进行评估。
在仿真实验中，我们设定了几艘船舶在海上相遇的情景，并使用了基于碰撞圆的船舶避碰决策模型来进行避碰决策。
实验结果表明，在相同的环境中，基于碰撞圆的船舶避碰决策模型能够更准确地评估碰撞风险，并且提供更加合理的避碰决策，比传统的基于规则或概率的模型具有更高的有效性和实用性。
船舶碰撞危险度模型优化
船舶碰撞危险度模型优化船舶碰撞是海上交通运输中的一种常见事故类型，给人们的生命与财产安全带来了巨大的威胁。
为了提高海上交通的安全性，研究人员一直致力于发展船舶碰撞危险度模型，以评估碰撞风险并采取适当的预防措施。
本文将探讨船舶碰撞危险度模型的优化方法，并介绍相关的研究成果和实践应用。
一、船舶碰撞危险度模型概述船舶碰撞危险度模型是研究船舶碰撞风险的数学模型，主要用于评估碰撞事故的概率和严重程度。
该模型通常考虑以下几个方面的因素：船舶的特性、环境条件、航道规则、交通流量等。
通过分析这些因素的相互关系，可以较为准确地预测碰撞事故的概率，并为船舶运输提供安全性评估指标。
然而，传统的船舶碰撞危险度模型存在一些问题，例如对于船舶运行状态的不准确描述、环境条件的简化假设以及数据不完备等。
因此，优化船舶碰撞危险度模型是一个重要的研究方向，可以提高模型的准确性和应用效果。
二、优化方法及成果介绍1. 数据挖掘技术在船舶碰撞危险度模型中的应用数据挖掘技术可以从大量的历史交通数据中挖掘和发现隐藏在数据中的规律与特征，为优化船舶碰撞危险度模型提供支持。
研究人员通过分析海上交通数据中的船舶特征、航道规则、环境条件等信息，建立了基于数据挖掘的船舶碰撞危险度模型。
这种模型利用历史数据中的统计特征和关联规则，可以更准确地评估碰撞风险，并为船舶运输提供科学决策支持。
2. 仿真技术在船舶碰撞危险度模型中的应用仿真技术是一种重要的优化方法，可以用来模拟船舶碰撞事故的发生过程，评估碰撞后的损失程度。
研究人员通过建立船舶碰撞仿真模型，考虑船舶的运行状态、操纵特性以及环境条件等因素，模拟不同情况下的碰撞风险。
通过大量的仿真实验，可以优化模型参数，并提供相应的安全建议。
三、实践应用与案例分析优化的船舶碰撞危险度模型已经在实际应用中取得了一定的成效。
例如，在航行辅助系统中，船舶碰撞危险度模型被用来提供实时的碰撞预警和风险评估，为船舶操纵员提供安全导航建议。
桥梁船撞风险评估理论体系及软件系统
2、桥梁船撞风险研究现状及存在问题
2.2 标准或规范
国外 1、美国AASHTO《公路桥梁船撞设计指南》，2009版； 2、欧洲统一规范 Eurocode 1.2.7分册，1997版
国内 1、交通部《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2004； 2、铁道部《铁路桥涵设计基本规范》 TB10002.1-2005； 3、地方标准《重庆市三峡库区跨江桥梁船撞设计指南》 DBJ/T50-106-2010（第一部我国专门的船撞设计指南）
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1、前言
长 江：29 嘉陵江：21 乌 江：20
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1、前言
美国 瑞典
美国
澳大利亚
中国
中国
招商局重庆交通科研设计院有限公司
1、前言
船撞桥事故统计及趋势
4
4
3
3
2
2
1
0 1960
1970
1980
1990
年份
2000
国外严重桥梁船撞事故年度统计
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2、桥梁船撞风险研究现状及趋势
方法2：欧洲规范模型 1997年，欧洲在其统一规范（Eurocode）第一卷
（Eurocode 1）第2.7分册中，碰撞概率计算借鉴KUNZI的 积分路径方法：
AASHTO 规范计算方法
桥梁构件极限强度 船舶撞击力
图1 倒塌概率分布
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倒塌概率
2、桥梁船撞风险研究现状及存在问题
美国AASHTO《公路桥梁船撞设计指南》：
年倒塌频率
3.0x10-3 2.5x10-3
船撞桥事故概率研究
事故总数 事故数
２９ ６ ４７ ９８ ５１ ２．９ ０．６ ４．７ ９．８ １０．２
累计事故数 事故数
２９ ３５ ８２ １８０ ２３１ ２．９ １．７５ ２．７３ ４．５ ５．１３
累计年平均
武汉理工大学硕士学位论文
航路，给我国水路运输安全带来了新的挑战。从１９９６年统计到２００４年，我国
发生的船舶撞击桥梁事故达到了２３１起之多，经济损失和人员伤亡较大。系统 研究已建桥梁的船撞事故，对我国桥梁安全设计以及船舶安全管理方面具有重
要的意义。
目前，针对桥梁船撞事故的研究较多，在事故分析以及撞桥概率等方面都
发展形成了一些新的理论，但是这些理论还需要通过不断的研究工作来进行修 正和完善。２００２年，由我国学者提出的船撞桥概率简易模型可以很好的应用到
ｐｒｏｐｏｓｅｄ． （３）１１１ｅ ｍａｊｏｒ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ
ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｈｉｐ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ
ａｎａｌｙｚｅｄ
ａｎｄ
ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ
ｒａｎｇｅ
ｖａｌｕｅ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｉｓ
ｓｃｈｏｌａｒｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ
ｓｉｍｐｌｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ
ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｎｅｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ
武汉理工大学硕士学位论文
而得出不同船型船舶撞桥的概率影响系数。 （５）分析计算结果，证明修正后的船撞桥概率简易模型的适用性。 关键词：船撞桥概率，影响因素，紊流宽度，航迹分布，碰撞影响系数
运营期桥梁风险评估综述
第20卷 第10期 中 国 水 运 Vol.20 No.10 2020年 10月 China Water Transport October 2020收稿日期：2020-07-14作者简介：张荣凤（1994-），女，山东建筑大学交通工程学院，硕士生。
通讯作者：亓兴军（1974-），男，教授，博士，主要研究方向为桥梁健康监测与状态评估。
基金项目：山东省交通运输厅科技计划项目（2020B69）；山东省高等学校土木结构防灾减灾协同创新中心项目（XTM201904）。
运营期桥梁风险评估综述张荣凤1，亓兴军1，2*（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101；2.山东省高校土木结构防灾减灾协同创新中心，山东 济南 250101）摘 要：桥梁在运营期阶段暴露于自然环境中，面临复杂繁多的风险，为保证桥梁在役时期的安全性，通过风险评估对其进行安全评价。
对国内外桥梁风险评估文献的分析，探究目前运营期桥梁风险评估的研究状况，总结为船桥相撞、车桥相撞、火灾、地震、超载等单因素风险以及多风险因素。
探究不同因素下桥梁风险评估理论，发现其中的不足，以便找到进一步的研究方向。
研究结果表明：桥梁风险研究起于船撞风险，现已在设计阶段出现规避风险的设计规范，运营期间相关评估理论较丰富；车桥相撞以及超载风险相关研究较少，需要进一步完善相关理论；多因素风险更加符合现实中桥梁所面临的风险，需要进一步研究形成风险评估体系。
关键词：风险评估；船桥相撞风险；桥梁火灾风险；桥梁地震风险；风险理论中图分类号：TU723 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）10-0123-03引言风险管理的概念由德国提出，20世纪70年代被大多数西方国家接受，80年代人们普遍接受这个概念并在各行业进行全面研究。
风险管理应用于工程后，逐渐形成工程风险，然而工程风险并没有一个统一的定义，各国不同学者给出不同的定义。
由于工程风险科学基础理论和体系的不明确使得工程风险评估早期未能深入发展，工程领域的风险评估起步于20世纪70年代的核工业[1]。
船舶碰撞危险度的新模型
第28卷 第2期大连海事大学学报Vol.28,No.2 2002年5月Journal of Dalian Maritime U niversity May,2002文章编号:100627736(2002)022*******船舶碰撞危险度的新模型Ξ郑中义,吴兆麟(大连海事大学航海学院,辽宁大连 116026)摘要:为了建立船舶自动避碰决策系统,分析了船舶碰撞危险度的本质,提出了空间碰撞危险度和时间碰撞危险度的概念,并对其进行了解释.基于刺激2行动的理论、船舶领域的概念及最晚施舵点,建立了空间碰撞危险度、时间碰撞危险度和碰撞危险度模型.这一研究成果发展和完善了船舶碰撞危险度的概念和模型,更符合逻辑,具有应用价值.关键词:船舶;空间碰撞;时间;危险度;数字模型中图分类号:U675.96 文献标识码:A0 引 言在船舶避碰及自动避碰决策系统研究中,碰撞危险度是十分重要的,因此许多专家学者进行了很多研究.根据对以前研究成果的概括总结,船舶碰撞危险的量化研究基本上经历了四个阶段:第一阶段是基于交通流理论,以船舶会遇率(或会遇次数等)、特定水域历史碰撞事故等,评价特定水域的碰撞危险度.第二阶段是从微观的角度,根据人体行为学及心理学等,以船舶领域或动界评价碰撞危险度.第三阶段在确定船舶碰撞危险度时,应该综合考虑d DCPA和t TCPA两方面的影响.第四阶段是实现t TCPA与d DCPA确定碰撞危险度.为此,本文认为以d DCPA和t TCPA为主所确定的碰撞危险度,实际上体现的是时间的和空间的碰撞危险度的合成.所以,在综合前人研究的基础上,本文提出了时间碰撞危险度(Time Collision Risk———TCR)和空间碰撞危险度(Space Collision Risk—SCR)的概念,并在本文中建立时间碰撞危险度和空间碰撞危险度的模型,最后建立碰撞危险度模型.1 SCR的概念和模型1.1 SCR的定义SCR定义为:存在碰撞危险会遇两船中的一船,以他船初始最近会遇距离(d DCPA)、初始最近会遇点的方位、他船相对于本船的相对方位及两船最低安全会遇距离为主要指标所确定的两船发生碰撞可能性大小的度量.这一概念的含义是:第一,空间碰撞危险度主要以他船初始最近会遇距离(d DCPA)、初始最近会遇点的方位及他船相对于本船的相对方位为主要因素.这是由于: (1)根据国际海上避碰规则规定,除极少数会遇局面外,存在直航船和让路船之分,而判断直航船和让路船责任的依据主要是来船的相对方位,且由于发生碰撞后责任不同,从驾驶员心理上感觉到的碰撞危险也不相同.通常让路船感觉到的碰撞危险相对较大.(2)一船领域的大小是其舷角的函数.第二,在特定会遇局面中,一船与另一船的空Ξ收稿日期:20022012151基金项目:国家自然科学基金资助项目(60172044)1作者简介:郑中义(19642),男,河北安国人,副教授,主要从事海上安全定量的研究1间碰撞危险度不一定相同.第三,空间碰撞危险度反映的是船舶碰撞可能性的度量.这是和时间碰撞危险度所反映的碰撞紧迫性相对应的.这种说法符合船员通常所说的:在两船都不采取避碰行动前提下,他船最近会遇距离小,碰撞危险度就大,反之则小的说法.第四,在特定的会遇局面中,以他船的初始最近会遇距离、初始最近会遇点的相对方位为主要指标,并不是不考虑其他方面的因素.根据参考文献[1],在特定水域、特定会遇局面及特定的两船会遇中,船舶之间的作用力与两船相对速度的大小、船舶大小有关.因此,在建立空间碰撞危险度模型时,还应考虑其他方面的因素.1.2 影响SCR的因素根据收集到的研究成果及对空间碰撞危险度拟合后的重复调查,影响船舶空间碰撞危险度SCR的主要因素包括:d DCPA、最近会遇点的相对方位(relative bearings of d DCPA)、最低安全通过距离、驾驶员心理感觉危险度为零的边界、来船相对方位、领域边界的模糊性及d DCPA观测误差.d DCPA是影响空间碰撞危险度的主要因素,这在过去许多研究中都有体现.在碰撞危险度的研究中,最初仅以d DCPA0为标志,以后又用d DCPA与t TCPA综合考虑,都反映了d DCPA对船舶碰撞危险度影响的重要性.而d DCPA反映的是会遇并存在碰撞危险两船空间上的间隔距离,当会遇两船的d DCPA大于某一值时,不论根据客观实际还是驾驶员的心理感觉,两船都不存在碰撞危险;若d DCPA小于某一值时,虽然在客观上不存在碰撞危险,但驾驶员心理上并不一定感觉到安全.而界于驾驶员感觉安全与不安全之间的d DCPA的临界值或根据客观实际当d DCPA小于某一值时两船则肯定会发生碰撞.该临界值就可定义为两船最低安全会遇距离.在实践中,由于最低安全会遇距离是模糊的,并不十分确定.驾驶员在避碰时,有时即使本船与他船以最低安全会遇距离或在略小于该距离上通过,也不一定采取避碰行动;而有时,即使本船与他船之间以略大于最低安全会遇距离通过,也可能采取避碰行动.由于在测定d DCPA值时,所使用的设备存在误差,在避碰决策或自动避碰决策系统中应予以考虑.在本文中,取驾驶员心理感觉到的临界值作为最低安全通过距离.主要是由于船舶是由驾驶员控制并进行避碰操纵的.来船相对方位大小不同,要达到一定的安全会遇距离,要求船舶避让转向幅度并不相同.若对不同方位的来船在相同的距离上采取避碰行动,则来船的舷角越大需要转向的幅度也越大;反之则越小.总之对不同方位的来船,本船转向避让的困难程度并不完全相同.另外,根据日本学者藤井及英国学者G oodwin的船舶领域概念可知,对不同方位的来船,本船所要求的最低安全通过距离并不相同.因此,为了在空间碰撞危险度模型中反映上述两方面的影响,来船的相对方位也是影响船舶空间碰撞危险度的重要因素之一.1.3 定义(1)船舶安全会遇领域d1这是指本船周围所保持的与他船间的最低安全会遇距离[2].在该区域内,本船拒绝他船侵入.在确定本船空间碰撞危险度时,可认为若他船侵入该领域,则空间碰撞危险度为1.(2)d1与船舶领域概念的区别和联系d1是与船舶领域有密切联系的概念,它以船舶领域为基础,考虑了领域边界模糊和船舶观测设备的观测误差.一般认为G oodwin的观测最适宜于海上.其观测结果为:对于本船右舷0°～112.5°的来船,d1为0.85n mile;对于112.5°～247.5°的来船,d1为0.45n mile;对于247.5°～360°的来船,d1为0.70n mile.在确定d1时,考虑到观测d DCPA0时存在的误差和d DCPA模糊边界问题,参考文献[3]认为:当d DCPA与d DCPAS(船舶领域)相差很小时,驾驶员也可能不采取行动.为此,调查结果得出:FB D=0.276d DCPAS.为保证安全,则d1≈domin+|0.276d DCPAS|+|mean error|(1) 根据上式,在G oodwin观测的基础上修正的d1见表1.表1 围绕本船周围的d1值与本船相对舷角/(°)000090180270 d1/n mile1.11.00.60.9根据表1,拟合的d1与来船相对舷角关系见图1.1.4 空间危险度零边界的确定根据调查与观测,在海上对于通过左舷的来2 大连海事大学学报 第28卷 船,当d DCPA为1.5n mile时,有98%的船舶不采取任何避碰行动.对于通过右舷或通过本船船首的来船,当d DCPA为1.5n mile时,有94.3%的船舶不采取任何避碰行动;当d DCPA为1.6n mile 时,所有的船舶都不采取任何避碰行动.对于通过本船船尾的船舶,当初始d DCPA为0.8n mile时,有98.3%的船舶不采取任何避碰行动;当d DCPA0为0.9n mile时,100%的船舶不采取避碰行动.因此可得出:d2在左舷约为1.5n mile,在右舷和船首约为1.6n mile,在船尾约为0.9n mile.考虑到观测使用设备如ARPA的误差和边界的模糊性,可令d2≈2d1,见表2所示.表2 围绕本船周围的d2值与本船相对舷角/(°)000090180270 d2/n mile2.22.01.21.8 1.5 空间碰撞危险度在d1～d2之间的分布在1956年,S.S.Stevens[4]证明了心理感应强度公式为=k(φ-φ0)n式中, 为心理感应强度;φ为刺激量大小;k为常数,取决于心理感应强度的大小;n为一变量,其大小随不同感官(如视觉、听觉)而异.根据其测定,n值在0.33～3.5之间.其中视觉对光亮度取n=0.33,对电击n=3.5.由于对来船d DCPA的确定等,即空间碰撞危险度主要是依靠视觉从海上或从雷达上确定的,且S.S.Stevens在确定对光变化的心理感应强度时,是随光强度的增加而变化的,因此为适宜于本船确定的空间碰撞危险度,在本文中取n= 1/0.33=3.03.1.6 空间碰撞危险度的确定在确定了d1与d2后,设:本船与他船的初始会遇距离d DCPA的变化域为U d,空间碰撞危险度集为U d T,则建立的U d T的隶属度函数为u d T=1d2-|d DCPA|d2-d13.03|d DCPA|<d1d1≤|d DCPA|≤d2d2<|d DCPA|(2)式中:d DCPA0=R T・sin(φR-αT-π)图1 d1依θT分布图d1=ρ(θT)=1.1-θT180°×0.2 0°≤θT≤112.5°1.0-θT180°×0.4 112.5°<θT≤180°1.0-360°-θT180°×0.4 180°<θT≤247.5°1.1-360°-θT180°×0.4 247.5°<θT≤360°1.5ρ(θT)2 TCR的概念及考虑的因素2.1 TCR的概念对TCR的定义为:存在碰撞危险会遇两船中的一船驶近到其最晚施舵点的时间上的紧迫程度.这一概念的含义是:第一,会遇两船各自的时间碰撞危险度不一定相同.这主要是由于各自的最晚施舵点不相同.第二,TCR应以多因素加以确定.第三,它是碰撞紧迫程度的度量.2.2 确定TCR应考虑的因素时间碰撞危险度是碰撞紧迫程度的度量.在建立TCR模型时应考虑他船的t TCPA,他船从本船最晚施舵点至最近会遇点的时间,他船位于本船ARPA常用的长扫描距离(12n mile)到最近会遇点的时间及本船驾驶员的感觉.而在确定本船最晚施舵点时,考虑了会遇两船速度、速度比、本船长度、本船转向90°的前进距离、本船转向90°的横移距离、本船转向90°的速度降低、本船转向90°时间内他船的前进距离、d DCPA及在两船会遇态势下驾驶员通常的转向避让方向等因素.2.3 时间碰撞危险度模型3第2期 郑中义,等:船舶碰撞危险度的新模型 如图2所示,位于坐标原点的为本船,设D 1为本船最晚施舵点;根据船舶会遇运动要素图有t TCPA =R T cos (φR -αT -π)/vR 图2 t 1和t 2与时间碰撞危险度关系图式中,R T 为本船与他船的距离;φR 为他船相对本船的运动航向;αT 为他船相对本船的真方位;v R 为他船相对运动速度.其中,t TCPA 为“+”表示他船还未驶到最近会遇点;t TCPA 为“-”则表示他船已驶过最近会遇点.设最低安全会遇距离为d 1.根据对最晚施舵点的定义,若他船接近到与本船的距离小于D 1时,则本船转向90°肯定不能保证两船在最低安全会遇距离通过.因此,可设他船从A 点到CPA 点的时间为t 1,则t 1=D 21-d 2DCPA 0v R即,若他船到最近会遇点的时间小于t 1,则单凭本船采取大幅度转向行动(90°),两船肯定不能在最低安全会遇距离上通过,因此可定义他船到最近会遇距离点的时间小于t 1时,时间碰撞危险度为1,即若t TCPA ≤t 1,则TCR =1在日常生活中,人们感觉到的危险是以发现危险目标为前提的,若在海上驾驶员未发现任何船舶,通常不认为存在碰撞危险.因此,考虑到海上以视觉或雷达望的实际情况,定义当来船与本船距离大于12n mile 时,来船驶到最近会遇点的时间为t 2,且时间碰撞危险度为零,即t 2=122-d 2DCPAv R若t TCPA >t 2,则TCR =0 当确定了时间碰撞危险度两个边界值后,关键问题是确定时间碰撞危险度在两边界之间的变化.同样根据S.S.Stevens [4]的研究成果,在t 1～t 2之间,TCR 为TCR =kt 2-t TCPAt 2-t 13.03 记本船与他船的初始会遇时间t TCPA 的变化域为U t ,并记时间碰撞危险度集为U t T ,则建立的U t T 的隶属度函数u t T 为:(1)当t TCPA >0时u t T =1t 2-t TCPA t 2-t 13.03 t TCPA ≤t 1t 1<t TCPA ≤t 2t TCPA >t 2 (2)若t TCPA ≤0u t T =1t 2+t TCPA t 2-t 13.03 t TCPA ≤t 1t 1<t TCPA ≤t 2t TCPA >t 2式中t 1=D 21-d 2DCPA 0v Rt 2=122-d 2DCPAv R3 碰撞危险度模型碰撞危险度是时间碰撞危险度和空间碰撞危险度的组合,碰撞危险度集合定义为u T =u d T ・u t T 根据避碰实际,上述算子的定义是[5]:(1)若u d T =0,则u T =0;(2)若u d T ≠0,u t T =0,则u T =0;(3)若u d T ≠0,u t T ≠0则u T =max [u d T ,u t T ].4 结论为了建立船舶自动避碰决策系统,基于对前人研究成果的分析和海上避碰实践,提出了空间碰撞危险度和时间碰撞危险度的概念,分别建立了其模型.本研究的特点是:4 大连海事大学学报 第28卷 (1)使船舶碰撞危险度的内涵更加明确,并将其分为空间碰撞危险度和时间碰撞危险度;(2)基于前人的研究成果,并与海上避碰实践相结合;(3)碰撞危险度模型是多因素的;(4)在建立空间碰撞危险度和时间碰撞危险度模型时,引用了刺激2行为(反应)理论;(5)该模型特别适用于自动避碰决策系统与自动避碰决策系统之间的避碰及自动避碰决策系统与人之间的避碰.其局限性有:(1)所建立的碰撞危险度模型没有考虑意外情况,如在会遇过程中,一船的舵设备突然失灵等;(2)模型只适用于不受限水域;(3)空间碰撞危险度与时间碰撞危险度合成算子的适用性也是值得进一步研究的.参 考 文 献:[1]EDWARD T G.Maritime Accidents 2What Went Wrong[R ],1989.51.[2]G OODWIN E M.A Statistical Study of Ship Domains[J ].Journal of Navigation ,1975,28(3):3282344.[3]赵劲松.船舶驾驶员主观碰撞危险测度[J ].大连海运学院学报,1990,16(1):29231.[4]STEV ENS S ,S.The Surprising Simplicity of Sensory Metrics[J ].Am Psychol ,1962,27:29239.[5]郑中义.船舶自动避碰决策系统的研究[D ].大连:大连海事大学,2000.N e w model of collision risk bet w een vesselsZHEN G Zhong 2yi ,WU Zhao 2lin(N avigation College ,Dalian Maritime Univ.,Dalian 116026,China )Abstract :In order to establish automatic decision 2making system of vessel collision avoidance ,the essence of vessel collision risk is analyzed ,the concept of space collision risk (SCR )and time collision risk (TCR )are explained ,based on summary and analysis on the relative researches done before.On the basis of stimulat 2ing 2action theory ,the concepts of vessel ’s domain and the last opportunity to use helm ,the models of SCR ,TCR and collision risk (CR )are established.The results of this paper develop and improve the concept and model of vessel collision risk ,which have more logic and applicable value.K ey w ords :vessel ;space collision ;time ;risk ;mathematical model5第2期 郑中义,等:船舶碰撞危险度的新模型 。
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可 能在 现实 中完 成 相关 分析 ， 因 而选 取 仿 真 模 拟 的方法 。船 舶 在 失 控 时 的状 态 具 有 一 定 的 随 机 性， 比如 说 失 控 时 的 船 位 、 船速 、 风速 和流速等 。
为 了方便 研究 ， 本 文 拟 选 取 失 控船 位 为一 级 随 机
变量 ， 不 同时 刻 的风速作 为二 级 随机变 量 （ 船速 和 流 速变量 暂作 常数 值考 虑） 进 行 大量 的重 复试验 ， 该情 形具 有 蒙特 卡 洛方 法 的特 征 ， 故 而 可 应 用 蒙 特 卡洛进 行 仿 真 实验 。同 时 ， 将 船 舶 在 失 控 时 的 距 桥距离 和桥 墩 间 距作 为 随机 船 位 初 始 状 态 ， 进 行碰 撞概 率 问题 的分析 。
２ 船舶 失控 漂移 的分 析
究， 并藉 以指导 实际 工作 。
１ 蒙特 卡 洛方 法简 介 蒙 特 卡 洛 （Ｍｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ ） 方 法， 即 随机 模 拟
方法， 是用 计 算 机 模 拟 随机 现 象 ， 通 过 仿 真试 验 ， 得 到实 验数 据 ， 再 进行 分 析推 断 ， 得 到某 些 现象 的
研究 ； 胡 云平 针 对 船 舶 各 种 应 急 操 纵 制 动措 施 及 其制 动效 果进 行 比较 ， 对 桥 区水 域 的量 化 提 出
的方法是 在 相 同条 件 下进 行大 量 重 复 试 验 ， 采集 试 验数 据 ， 再 对 数 据 进行 统 计 分 析 ， 得 出 其 规 律 ］ 。但 是 ， 这 样需 要耗 费大 量 的人力 、 物力 和 财 力， 尤其 当试 验周期 较 长甚 至是破 坏性 试验 时 ， 通 过 试验 采集 数据 几 乎无 法 实行 ， 此 时蒙 特 卡 洛 方
马 全 党 张 晓 闯
（ １ ． 武汉 理 工 大 学 航 运 学 院 湖 北 省 内河 航 运 技 术 重 点 实 验 室 武汉 ６ ３ ０ ０ ４ ３ ； ２ ． 长 江 引航 中 心 江阴 ２ １ ４ ４ ３ １）
摘
要
分 析 不 同 的 船 舶 失 控 位 置 和 桥 梁 跨 度 下 船 桥 的 碰 撞 规 律 具 有 一 定 的 积 极 意 义 。 文 中运
逆 等 。 本文 研究 的是 船 桥 之 间的 碰撞 概率 问题 ， 不
了相 应 的计 算 模 型 ； 朱 日春［ ３ 针 对 内河桥 区水 域 的量化计 算 做 了相 关 的探 讨 ， 并 提 出 了相 应 的计 算 方法 。根 据 统计 资 料 ， 在 以往 的船 桥 碰 撞 事 故
展， 大量 的跨 江 、 跨海 大桥 已经建 成或 正在 规划 建 造 中 。这 些 桥梁 的建 成 和 投 产 ， 一 方 面 为 陆 路 交 通 运输 提供 了巨大 的便 利 ， 方 便 了 民众 生 活 并 促 进 了 区域 经 济发 展 ； 另 一 方 面又 给 水 路 交 通 运 输 带来 诸 多不 利影 响 ， 如桥 区水 域船 一桥 、 船 一船 碰 撞 事故 增 多 ， 以及 因 桥 梁建 设 占用 部 分 通 航 水 域 而 导致 的其 他水 上交 通安 全事 故 等 。上述 不利 影 响的存 在 ， 无 疑 是 对 桥 梁建 造 单 位 和水 上 交 通 安 全 管理工 作 的 巨大考 验 。 与本 文 较近 的 国 内相 关研 究 主要 有 ： 徐言民、 刘 明俊 关 于桥 区水域 船舶 临界失 控水 动力 干 扰
用船舶在 风流条件下漂移量建模 ， 以 蒙 特 卡 洛 方 法 模 拟 不 同工 况 条 件 和 不 同 时 刻 船 舶 位 置 的船 桥 碰撞概率 ， 并 加 以分 析 研 究 ， 以 指 导 船 舶 驾 引 人 员 的实 际操 控 。 关 键 词 蒙 特 卡 洛 船 桥 碰 撞 风 流 漂 移 船 舶 位 置
法 不失 为最 简单 、 经济 、 实用 的 方法Ｌ ５ ］ 。
蒙 特卡 洛方法 研究 的问题 大致可 分 为 ２种类 型： ① 问题本 身是 随机 的 ； ② 问题 本身 虽是 确定 性
问题 ， 但 可 以建立 它 的解 与 特定 随机 变 量 或 随 机
过 程 的数 字 特征 或 分 布 函数 之 间 的联 系 ， 因而 也 可用随机模拟方法解决 ， 如计算多重积分 ， 求解 积 分方程 、 微 分 方程 、 非 线性 方 程组 ， 求 矩 阵 的
总第 ２ ６ ０ 期 ２ ０ １ ３年 第 ５期
交
通
科
技
Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｓｅ ｒ ｉ ａ ｌ ＮＯ． ２６ ０ ＮＯ． ５ Ｏｃ ｔ ．２ ０１ ３
基 于 蒙 特 卡 洛 的船 桥 碰撞 概 率 探究
中， 所谓 的人 为 失误 大 多 与机 械 故 障有 着 密切 的
联 系 。主要 体 现在 人 为失 误 导 致 机 械 故 障 ， 机 械
故 障进 一步 导致 人 员 的操 纵 失 误 ， 最 后 导 致发 生 碰撞 事故 。因此 ， 本 文试 图从 船 舶 操 纵 学 的 角 度 出发 ， 运 用 蒙特 卡 洛仿 真模 拟 对 桥 区水 域 船 舶 各 种失 控工 况 下 ， 船 桥碰 撞进 行 理论 化 、 系统化 的探
随着 我 国 国 民经 济 和 交 通 运 输 业 的飞 速 发
规 律或 某些 问 题 的 求解 方 法 。例 如 在 许 多 工程 、 通信、 金 融等 技术 问题 中 ， 所 研 究 的控 制 过程往 往 不 可避 免地伴 有 随 机 必 须把 这些 因素 考虑进 去 ， 理想 化