CN110570092B - 一种lng船舶航行安全领域确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG船舶航行安全领域确定方法，首先分析LNG船舶通航特性及航行风险；然后提取LNG船舶航行安全领域主要影响因素；最后构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型。本发明实现对于LNG船舶航行安全领域范围的定量研究，为LNG船舶航行安全领域研究提供新思路和新方法；本发明模型综合考虑了LNG船舶自身因素及通航环境条件的影响，具有较好的适应性，能够为港口主管部门对于LNG船舶进出港的安全监管提供技术支持；本发明能够保证LNG船舶在港口水域的通航安全，维护航道通航秩序，为LNG船舶进出港交通组织和通航管理提供参考和技术支持。
Description
技术领域
本发明属于水上交通安全技术领域，具体涉及一种LNG船舶航行安全领域确定方法。
背景技术
20世纪60年代，日本学者藤井提出了船舶领域这一概念，该区域是基于避碰思想而提出的在本船周围禁止他船进入的一片水域，在船舶领域研究方面，相关理论方法已较为成熟，主要方法包括：基于统计方法，基于解析表达方法和基于智能技术的方法。但是在影响船舶领域的因素方面，考虑到人、船、环境等因素的综合研究较为复杂，部分影响因素难以进行定量描述，影响因素对船舶领域模型的作用关系难以进行准确表达，是船舶领域研究中的难点
为保障LNG船舶的通航安全，国外研究机构首先提出了LNG船舶移动安全区这一概念。与一般船舶领域有所不同，LNG船舶移动安全区设置的目的主要是为了降低LNG船舶事故的危害性后果，在LNG船舶一旦发生灾害性事故的情况下，确保在移动安全区范围内，事故对周围人员、设施造成的危害最小化。在LNG船舶移动安全区范围设置方面，目前国内外普遍采用绝对尺度和相对尺度两种设置方式，绝对尺度多设置为LNG船舶前后各0.5～2nmile，左右各150～500m；相对尺度多设置为LNG船舶前方8倍船长，后方3倍船长，左右各1倍船长。
针对LNG船舶移动安全区研究方面，丁镇强通过对LNG船舶移动安全的研究，指出LNG船舶移动安全区起源于船舶领域理论，并结合船舶操纵特性，提出移动安全区形式上是一个以LNG船舶为中心的椭圆，具体范围应经专项论证确定。鲍冯军]基于LNG船舶移动安全区的概念，针对Q-Max型LNG船的操控模式进行了研究。刘春荣]通过整理比对国内外有关LNG船舶移动安全区的有关数据，结合广州港的实际情况，提出了珠江口航道航行的LNG船舶移动安全区及停泊安全区设置范围，并针对此范围提出在某些航段有条件的实施双向通航的想法。文元桥等提出一种基于LNG船舶碰撞事故风险的LNG船舶安全区宽度界定方法，该方法通过计算LNG船舶在航行过程中的事故风险，并结合风险分布特征，定量分析LNG船舶安全区宽度，研究表明，LNG船舶安全区的宽度取决于船舶交通流量、排水量和速度的分布。张欢针对LNG船舶进出港安全区纵向和横向距离分别进行了研究，在纵向上利用船舶制动距离进行计算，得到了LNG船舶安全纵距；在横向上通过控制LNG船舶与其他会遇船舶的船间干扰力影响范围，得到了LNG船舶安全横距，但是在研究中并未充分结合LNG船舶的安全和风险特性。
Roberto Bubbico等从LNG船舶遭受恐怖袭击的角度探讨了LNG船舶发生泄漏的危害范围，认为LNG船舶泄漏发生池火的高温危害范围为700～1500m的圆形区域。国际气体船东及定期经营者协会(SIGTTO)指出，LNG船舶移动安全区是LNG船舶周围禁止其他船舶进入的水域，移动安全区范围尺度均应当根据港口的具体条件来进行确定。美国Sandia国家实验室[22]在关于LNG船舶水上泄漏风险的研究中提出了LNG船舶危险区的概念，并根据实验得到的LNG水上泄漏灾害事故发生时单位面积热流量大小，将危险区划分为三个不同层次，为LNG船舶移动安全区的设置和划分提供了一种定量分析方法。
目前，国内外针对LNG船舶移动安全区的设置尺度尚无统一标准，其设置方式主要是参考相关规范要求或基于管理人员主观判断，设置方式不够科学，对于在进出港航道等繁忙水域缺乏良好的适应性，实际应用中存在较大局限性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LNG船舶航行安全领域范围确定方法。
本发明所采用的技术方案是：一种LNG船舶航行安全领域确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分析LNG船舶通航特性及航行风险；
步骤2：LNG船舶航行安全领域主要影响因素提取；
首先对LNG船舶航行安全领域的影响因素进行选取，利用模糊层次分析与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型，对各影响因素的重要性进行分析，根据权重计算结果对各影响因素的重要性程度进行排序，进而提取影响权重大者的主要影响因素；
步骤3：构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型。
本发明的有益效果是：
(1)基于LNG船舶制动特性及航行风险分析，构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型，实现对于LNG船舶航行安全领域范围的定量研究，为LNG船舶航行安全领域研究提供新思路和新方法。
(2)基于LNG船舶制动特性和LNG船舶航行风险分析，构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型。模型综合考虑了LNG船舶自身因素及通航环境条件的影响，具有较好的适应性，能够为港口主管部门对于LNG船舶进出港的安全监管提供技术支持。
(3)能够保证LNG船舶在港口水域的通航安全，维护航道通航秩序，为LNG船舶进出港交通组织和通航管理提供参考和技术支持。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图；
图2为本发明实施例的LNG船舶纵向安全领域长度计算模型示意图；
图3为本实施例的LNG船舶横向安全领域具体确定方法流程。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明分别针对LNG船舶航行安全领域纵向和横向两个方面进行研究和方法分析。在纵向方面，基于船舶制动距离模型和跟驰理论，构建纵向安全领域长度计算模型。在横向方面，从风险分析角度出发，综合LNG船舶航行事故概率和事故危害后果构建LNG船舶航行风险定量计算模型，通过对风险可接受标准的界定以实现针对LNG船舶航行安全领域宽度的确定。
请见图1，本发明提供的一种LNG船舶航行安全领域确定方法，包括以下步骤：
步骤1：分析LNG船舶通航特性及航行风险；
本实施例中，查阅相关文献，收集整理资料，分析LNG船舶通航特性及航行风险，包括LNG船舶危险特性分析、LNG船舶操纵特性分析、及进出港通航要求分析；
LNG船舶危险特性具体包括：
(1)火灾危害
LNG船舶发生火灾的原因主要为船舶碰撞及搁浅所造成的船体、管线破裂。LNG船舶火灾包括池火、喷射火和蒸气云燃烧等，其中，池火的危害程度最为严重。
LNG从船体液货舱泄漏后会形成一个液体池，液体快速挥发后形成蒸汽云。如没有被立即点燃，则可燃性气体云将在海面上扩散，甚至会覆盖周边的码头陆域。当在可燃浓度范围内并遇到点火源时，蒸气云会迅速燃烧形成闪火，闪火会回燃到水面的LNG液池，并在LNG泄漏点附近形成池火。
LNG船舶一旦发生池火灾害将给整个船舶和周围区域带来十分严重的后果。首先是发生事故船舶上的船员和设备将直接受到火焰的伤害。其次是事故现场周围的作业人员和港口设备会遭受强烈的热辐射危害。处于LNG闪火影响区域内或接近池火范围的人员都会因火焰燃烧和热辐射而遭受不同程度的伤害，甚至造成人员死亡。
(2)冻伤与低温损坏
LNG通常储存温度为-162℃，压力为1bar左右，整个运输过程中，LNG都处于低温深冷状态。当LNG与人体直接接触时，会大量地从皮肤上吸热，导致人体皮肤冻伤。冻伤严重程度由接触时间、接触面积以及人体体温散失率决定，如果人体皮肤与LNG接触时间过长，则会造成永久性损伤。
另外，LNG泄漏后如果和船体发生接触，由于局部冷却产生的应力会使船体产生自发性的脆裂、失去延展性，从而危及整个LNG船舶船体结构的安全。
(3)窒息
LNG挥发为气体后其体积将膨胀600倍以上。当船上船员处于高浓度甲烷环境下，则有可能发生人员窒息事故。
(4)快速相态转变(RapidPhaseTransformation，RPT)
RPT现象具有爆炸的特征，但RPT是物理变化，不是由可燃物引起的化学爆炸。相比之下，RPT影响较为有限，一般不会造成船体结构的破坏。
LNG船舶操纵特性具体包括：
(1)船舶惯性较大。LNG船舶液货舱体特点决定了LNG船舶的设计构造，使得LNG船舶的质量要比一般船舶大，导致船舶航行时惯性大、冲程长，因此，在航行过程中需要设置较大的缓冲区域范围。
(2)快速性。据统计，现有LNG船舶的船长与船宽比基本在5.0～8.0之间，是典型的快速船，且LNG船舶设计航速相比于一般船舶而言更高。
(3)旋回性差。LNG船舶长宽比较大，对船舶纵摇稳定性有利，但对船舶的旋回性不利，船舶旋回半径较大，转向相对困难，不易进行船舶旋回操纵。
(4)LNG船舶干舷较高，航行过程中受风、流影响比其他船舶更加明显。
(5)LNG船舶在低速时舵效会明显变差，停车淌航过程中丧失舵效的时机较早，需要利用大舵角加车克服或利用拖轮协助。
进出港通航要求具体包括：
2.3.1移动安全区设置要求
LNG船舶移动安全区的设置主要是为了保障LNG船舶航行及作业安全，并充分降低LNG船舶发生事故后对周围造成的危害性后果。SIGTTO对LNG船舶移动安全区的定义是指围绕LNG船舶周围不允许其他任何船舶进入的海域范围。美国Sandia国家实验室结合实验研究提出LNG船舶的危险区(Hazard Zone)可根据事故发生时某段时间单位面积内的热流量划分为不同区域，划分标准如表1所示。
表1 LNG船舶危险区边界划分
一般情况下，对于意外事故性泄漏，I区(Zone1)为LNG船舶周围0.135nmile；II区(Zone2)为LNG船舶周围0.135～0.405nmile，III区(Zone3)为LNG船舶外围0.405～0.810nmile。
随着ISPS规则(International Ship and Port Facility Security Code)的实施，针对LNG船舶设置进出港移动安全区成为了大多数国家保障LNG船舶航行安全的和港口安全的通常做法。本实施例统计了国内外典型LNG接收站现行做法、相关规范标准及行业通常做法中对于LNG船舶进出港移动安全区范围的设置情况，具体如表1所示。
表1LNG船舶进出港移动安全区设置情况统计表
目前，世界各国以及我国沿海各港口针对LNG船舶进出港移动安全区的设置尚无统一标准，通常是结合港口自身条件进行划定，缺少科学的设置方法，且未能充分结合LNG船舶自身特性及通航环境条件等因素进行综合考量。
交通运输部最新颁布的《船舶载运危险货物安全监督管理规定》指出，LNG船舶进出沿海港口应当保证安全距离，并应对安全距离进行论证。针对该规定，本文区别于原有LNG船舶移动安全区的概念，结合纵向安全距离和横向安全距离两方面的要求，从LNG船舶航行风险角度出发并充分借鉴船舶领域方面的研究经验，提出了港口水域LNG船舶航行安全领域这一概念。
针对LNG船舶航行安全领域的形状，本文参照最经典的藤井模型进行构建，即以本船为中心、长轴沿首尾线方向、短轴沿正横方向的一个椭圆；
2.3.2航行及作业条件要求
LNG船舶在进出港航行及作业过程中会受到一系列通航条件的限制，要求LNG船舶必须在气象和海况良好的条件下航行及作业。我国《液化天然气码头设计规范》(JTS165-5-2016)针对LNG船舶航行作业条件的规定如表3所示。
表3LNG船舶航行作业标准
国外典型LNG接收站对于LNG船舶航行及作业条件的要求如表4所示。
表4国外典型LNG接收站对于LNG船舶航行及作业条件要求
2.3.3航道条件要求
(1)航道宽度要求
为保证LNG船舶的航行安全，不同国家和组织根据各自的通航需求和LNG船舶的通航特性，针对LNG船舶进出港航道宽度提出了不同的要求。港口进出港航道在通航LNG船舶时，必须要保证足够的通航宽度，同时应充分考虑风、浪及潮流等自然条件对LNG船舶在航道中航行安全的影响，并留有一定富余量。
目前，国内外大多数港口在LNG船舶进出港时采取单向通航控制。而《液化天然气码头设计规范》(JTS165-5-2016)则针对LNG船舶与他船双向会遇时的通航宽度提供了理论计算方法。
国内外相关规范或标准针对LNG船舶进出港航道通航宽度要求如表5所示。
表5LNG船舶进出港航道通航宽度要求
(2)航道水深要求
航道通航水深主要取决于船舶吃水及富余水深，主要考虑的因素包括船舶吃水、船舶纵倾、船体下沉量、水密度修正量、操纵性能富余量、波浪富余深度及备淤深度等。LNG船舶在航道内航行时对水深条件要求较高，目前，绝大多数已建有LNG接收站的港口均规定LNG船舶进出港不宜乘潮。因此，LNG船舶在进出港航行过程中应保证航道有充足的通航水深。
国内外相关规范或标准针对LNG船舶进出港航道通航水深要求如表6所示。
表6LNG船舶进出港航道水深条件要求
2.3.4交通组织要求
(1)交通管制要求
为保证LNG船舶进出港航行安全，应当针对LNG船舶进出港实施交通管制，并提前发布航行通告和航行警告。我国《液化天然气码头设计规范》(JTS165-5-2016)规定，大型LNG船舶进出港航行应实行交通管制，中小型LNG船舶进出港航行是否实行交通管制应通过专题论证确定。
(2)护航要求
针对LNG船舶进出港实施全程护航是目前国内外所普遍采用的做法，LNG船舶进出港航行时，需要VTS中心实施交通管制并配备护航船舶以防止其他船舶穿越、靠近或追越LNG船舶，除护航船舶外，LNG船舶周围不得有其他无关船舶航行，具体护航方式应由港口主管部门结合实际情况确定。
(3)拖轮配置要求
LNG船舶靠离泊作业时需由拖轮协助完成。拖轮所具有的拖力必须保证LNG船舶能够在允许最大风力、波浪、潮流作用下进行安全靠离泊。
根据《液化天然气码头设计规范》(JTS165-5-2016)规定，大型LNG船舶靠泊时，可配置3～5艘轮船协助作业。离泊时，可配置2～3艘轮船协助作业，拖轮的总功率应根据当地自然条件和LNG船型等因素综合确定，单船最小功率不应小于3000kW。根据SIGTTO的设计指南和国外LNG泊位的运营经验，大型的LNG船舶在靠泊时一般需要4艘拖轮，每艘拖轮的最小功率不小于3000kW，离泊时需要3艘拖轮协助。
目前，国内外港口尚无关于LNG船舶拖轮配置的统一标准。在大多数港口，船东和引航员可以根据LNG船舶作业安全需要，合理选择所需拖轮的数量，并根据引航员的要求进行合理调配。
(4)引航员登离轮点要求
LNG船舶引航员登离轮点是LNG船舶交通组织中的重要因素。针对登离轮点的水域选址，主要应考虑选址位置、风浪条件和选址水深三方面的要求。由于LNG船舶引航员到达登离轮点的过程中需要利用拖轮接送，为保证到达的时效性并能够满足在第一时间引领LNG船舶进港，登离轮点设置不宜距离港口过远，通常选择在航道入口附近。考虑到引航员上下LNG船舶时的个人安全，登离轮点应设置在风浪条件较好的受掩护水域。此外，为充分保障LNG船舶的引航操纵安全，登离轮点附近应保证水深充足，避免LNG船舶发生搁浅事故。
2.3.5时间窗口要求
时间窗口是指针对船舶进出港及靠离泊来说所开放的特定时间段，是船舶进出港通航组织方面的一个重要概念。针对LNG船舶而言，考虑到LNG船舶航行及作业对风、流等限制标准要求较为严格，大部分港口无法满足LNG船舶在任何时间都能够进出港航行及靠离泊作业，使得LNG船舶必须结合实际风、流情况选择合适的靠离泊时机和进出港时机。以潮流限制为例，大部分港口要求LNG船舶在缓流时段进行靠离泊作业，由于一天之中缓流时间较为有限，满足潮流流速限制条件要求的时间主要集中在码头前沿平潮时段，因此，LNG船舶必须在平潮缓流时段的时间窗口内进港靠泊和离泊出港。
2.3.6夜航要求
我国沿海港口针对LNG船舶夜航方面规定为，正常情况下，LNG船舶限于白天能见度良好时进出港，LNG船舶不宜在夜间进出港航行和靠离泊作业，当需要夜间靠离泊或航行时，应编制相应的应急预案并经过专项安全论证。
国外港口针对LNG船舶夜航方面的要求相对宽松，美国、澳大利亚等国家的部分港口规定，在能见度允许的情况下，LNG船舶可全天24小时进出港航行和靠离泊作业。
2.3.7引航要求
我国港口主管部门针对LNG船舶进出港来说一般要求强制引航，并在全程实施交通管制。执行港口LNG船舶引航任务的引航员应保证配置不少于2人，持有一级引航员证书，并经LNG安全知识及安全操作培训合格。在引航过程中，LNG船舶引航员应加强与船长沟通，适时核对船位，修正航向，控制速度，掌握转向时机。相比于一般船舶而言，LNG船舶对港口引航员的要求更为严格。
步骤2：LNG船舶航行安全领域主要影响因素提取；
首先对LNG船舶航行安全领域的影响因素进行选取，利用模糊层次分析与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型，对各影响因素的重要性进行分析，根据权重计算结果对各影响因素的重要性程度进行排序，进而提取影响权重大者的主要影响因素；
LNG船舶航行安全领域的影响因素总体可分为：人的因素、船舶因素、通航环境因素及通航管理因素四大类，本实施例在研究过程中结合LNG船舶特性针对影响因素进行选取。
(1)人的因素
人的因素是指人的身心状态、技术水平和安全意识等对一特定系统产生的影响。对于LNG船舶而言，其在航行操纵过程中对于驾驶员的技术水平和安全意识要求较高，并且在进出港过程中需要采取强制引航，LNG船舶的航行安全领域会直接受到LNG船舶驾驶员和港口引航员技术水平和操作状态的影响。
LNG船舶驾引人员的身体和精神状态会影响到LNG船舶的制动操纵反应时间，驾引人员的技术水平将影响到对于船舶之间安全距离的把握。
(2)船舶因素
Goodwin在对北海水域船舶领域进行观测统计研究时发现船舶领域的尺度和形状受船舶相对速度、船舶长度及交通流密度的影响明显。对于LNG船舶进出港航行而言，影响其航行安全领域的船舶因素包括船长、船宽、航速和载况等。
结合LNG船舶实际操纵经验可以看出，通常情况下，LNG船型尺度越大、航速越高时，LNG船舶与周围他船之间所保持的安全距离也越大。LNG船舶在满载航行时惯性更大，相比于压载状态而言所需的安全缓冲距离更大。
(3)通航环境因素
影响LNG船舶航行安全领域的通航环境因素包括风、浪、流和能见度等。由于LNG船舶的船体结构特点造成LNG船舶航行过程中受风面积较大，受风影响较一般船舶而言更为显著，大风时LNG船舶更易产生明显的风致漂移，使船舶偏离航行路线。浪主要会影响LNG船舶的操纵性能。流对LNG船舶航行的影响主要是造成船舶在航行过程中产生流致漂移并影响船舶舵效，相比一般船舶而言，LNG船舶航行及作业对流速的要求较为苛刻，通常需要选择平潮缓流时段进出港。能见度条件会直接影响船舶视距，进而影响LNG船舶操纵者对周围通航态势的评判，LNG船舶航行时对能见度条件要求较高，在能见度较差时港口管理部门将禁止LNG船舶进出港航行。
(4)通航管理因素
通航管理因素主要是港口管理部门通过VTS等手段针对LNG船舶航行进行管控，管理部门会根据港口通航安全管理规则，要求其他船舶与LNG船舶之间保持一定范围的安全距离，并针对LNG船舶采取护航等手段以保证其航行安全领域范围不受侵犯。
基于上述分析，得到LNG船舶航行安全领域影响因素集如表7所示。
表7LNG船舶安全领域影响因素集
本实施例利用模糊层次分析与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型；
(1)模糊层次分析法
模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP)的基本思路是将层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)中的专家“判断矩阵”替换为“模糊矩阵”。本文采用三角模糊数方法构建矩阵以表示判断的模糊性。
三角模糊数根据其隶属度函数可定义为：
其中，m是三角模糊数的中值，l与m分别为相应的左端点和右端点。
在实际的语言表达过程中，通常会存在模糊性的表达，因此本文采用三角模糊数来表示语言表达中的模糊性。三角模糊数评估标度如表8所示。
表8三角模糊数评估标度
根据上表中的判断标准，可对各指标的重要程度进行两两判断。假设指标集内有n个因素，则第i个因素对于第j个因素的相对重要度用aij表示，则判断矩阵A可以表示为：
构建模糊判断矩阵后，需要计算影响因素的权向量，根据模糊层次分析法，首先计算模糊判断矩阵A行向量之和：
计算权向量的三角模糊数，计算过程采用归一化方法：
公式(4)中用三角模糊数来表示指标的权重，第i个三角模糊数用Si表示，模糊判断矩阵A的特征向量为(S1,...,Sn)T。
下一步是去模糊化的过程，计算两两三角模糊数的可能比较值。模糊化的比较原则如下：
定义一：M1(l1,m1,u1)和M2(l2,m2,u2)是三角模糊数。则将M1>M2的可用度定义为：
定义二：将一个模糊数大于其他K个模糊数的可能度定义为：
V(M≥M1,M2,…,Mk)＝minv(M≥Mi),i＝1,2,…k (6)
将每个指标计算得到的可能度值进行标准化，得出所有指标的最终权重。
模糊三角数的一致性检验需要先去模糊化，取三角模糊矩阵每个模糊数的的中间值组成非模糊的判断矩阵B，取(S1,...,Sn)T中各个三角模糊数的中间值组成非模糊的权向量W(w1,...,wn)，按照层次分析法一致性检验规则进行计算：
其中，CI表示一致性指标，取值如表9所示。当CI<0.1，认为判断矩阵的一致性可以接受。
表9随机一致性指标RI取值表
其中，n表示判断矩阵中指标的个数。
(2)改进集合经验模态分解
改进集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decompositionwith Adaptive Noise，CEEMDAN)是由法国学者Colominas提出的一种信号处理方法，该方法将非平稳信号进行分解，得到多个本征模函数(Intrinsic Mode Function，IMF)之和。与传统的经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)相比，CEEMDAN将自适应白噪声加入到模态分解过程中的每一个阶段，计算得到唯一的残余信号，从而能更加有效的提高数据分解的精准度。
CEEMDAN的详细计算过程如下：
1)将m次高斯白噪声ωi～N(0,σ2)添加到待处理信息序列x(t)，将新生成得m组信息序列进行经验模态分解，得到第1个IMF分量，然后计算其平均值，记做
2)继续采用上述计算方法向r1(t)中添加噪声并进行分解，进而可以对第2个IMF分量的平均值进行求解。假设经验模态分解后的第j个IMF分量为Ej(·)，则x(t)的第2个IMF分量如下所示：
3)对于k＝2,3,…,n，按照前述的求解方法，第k个残余分量为：
4)对第2步进行重复，分解至平均包络线为零即可，得到第k+1个IMF分量为：
5)对以上所有步骤进行重复，直到IMF条件分量不能满足条件时，停止计算，得到余量信号为：
其中，残余函数rn表示信息序列的平均走向趋势。在分解过程中，通常情况下，m取值为102数量级，εi的取值为10-2数量级。
3.2.2基于FAHP-CEEMDAN的影响因素重要性分析
在实际评价过程中，通常所邀请的评价专家对LNG船舶航行安全领域方面都有较为深入的研究，但是不同的评价专家根据其工作经验不同，给出评价结果也不尽相同。因此，基于上述分析，采用FAHP方法得到的指标权重值极有可能是一系列非平稳的数据。可以将不同专家的评价结果当作非平稳信息序列，通过利用改进集合经验模态分解进行信息序列提取处理，从而获得信息序列的平稳客观趋势信息，该方法能够使专家评价结果更具客观性和有效性。
在专家调研的过程中共发放15份调查问卷，调研对象包括3位LNG船舶的船长、3位具有LNG船舶引航经验的高级引航员、4位航海院校的教授、3位海事主管机关的管理人员、2位LNG接收站码头运营操作人员，所调研人员的评价权重按照相同计算。
在影响因素分析的基础上，选取影响重要程度较大的LNG船舶航速、船型尺度、船舶载况和风、流影响因素展开进一步研究。对于人的因素影响方面，则在LNG船舶制动反应时间上进行体现。
步骤3：构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型；
本实施例分别针对纵向和横向两个方面进行模型构建。
(1)在纵向方面，从避免LNG船舶与其他船舶发生碰撞的角度出发，基于跟驰理论和船舶制动距离模型，构建LNG船舶纵向安全领域长度计算模型；
请见图2，针对LNG船舶纵向安全间距进行计算，其表达式为：
S0＝Sb1+St+Sm
其中，S0为LNG船舶纵向安全间距；Sb1为LNG船舶制动距离；St为反应距离；Sm为安全余量；
针对LNG船舶的制动距离进行计算，其表达式为：
其中，P为LNG船舶主机倒车功率；V为LNG船舶航速；M为LNG船舶排水量；VC为流速；Vyw为纵向上的相对风速；Ayw为船体水面以上纵向受风面积；L为船长；T为船舶吃水；B为船宽；
(2)在横向方面，从LNG船舶航行风险分析入手，考虑事故概率和事故危害后果两个方面的影响，首先利用IWRAP船舶碰撞概率计算模型和火灾事件数分析法建立LNG船舶航行事故概率计算模型；
发生交叉碰撞事故概率Pc计算方法如下：
其中，QLNG和Qj分别为航路中单位时间内LNG船舶和其他船舶的交通流量；VLNG和Vj分别为航路中LNG船舶的航速和和其他船舶的航速；DjLNG为当交叉相遇的两船不做任何避让行动时的碰撞区域直径；VjLNG为两船的相对航速；θ为航路交叉角度；fC为致因因子；
LLNG和BLNG为LNG船舶的船长和船宽，Lj和Bj为他船的船长和船宽；
LNG船舶发生碰撞后引发火灾事故的概率计算公式为：
Pi＝Pi1×Pi2×Pi3×Pi4×Pi5×Pi6；
其中，Pi1是LNG船舶为被撞船的概率，Pi2是LNG船舶装载有LNG的概率，Pi3是LNG船舶被撞位置为液货舱的概率，Pi4是LNG船舶严重受损的概率，Pi5是LNG船舶有LNG泄露的概率，Pi6是LNG船舶有火源点的概率；
其中，LNG船舶严重受损是指LNG船舶在发生碰撞事故后，可能造成双层船壳甚至液货舱破损，导致LNG液货泄漏，LNG泄漏后会迅速挥发为气体，在遇到点火源时将形成火灾事故；
其中，Pi1、Pi2、Pi3、Pi4、Pi5、Pi6用事件树分析法进行计算；
事件树分析(Event Tree Analysis，ETA)是根据事故发展的先后顺序对事故逻辑进行描述，在确定事故初始事件的前提下，分析该事故分别是由哪些原因诱导而发生的，该方法能够对事故进行有效的量化分析。
LNG船舶在发生碰撞事故后，如船体舷侧受到撞击且碰撞受损严重，则可能造成双层船壳甚至液货舱破损，导致LNG液货泄漏，LNG泄漏后会迅速挥发为气体，在遇到点火源时将形成火灾事故。针对LNG船舶发生碰撞后引发火灾事故的概率可用事件树分析法进行计算。
根据碰撞导致火灾事故的事件数，LNG船舶在碰撞后发生火灾的概率为上述各事件序列发生概率的乘积，即：Pi＝Pi1×Pi2×Pi3×Pi4×Pi5×Pi6。
进而得到LNG船舶在航行过程中发生碰撞而导致火灾的航行事故概率P为：
基于IWRAP碰撞概率计算模型和事件树分析法构建的LNG船舶发生碰撞导致火灾的航行事故概率计算模型，可以看出，LNG船舶航行事故概率与周围船舶交通流量、LNG船舶及他船航速、船型尺度和交叉相遇角度有关。
针对事故后果方面，根据LNG船舶船体碰撞破损、LNG泄漏和LNG池火危害影响，建立LNG船舶事故后果危害计算模型；
首先，回归分析得到碰撞破口面积S的计算关系式为：
S＝0.022m0V相对 2sinθ-3.88
其中，破口面积S、撞击船质量m0、撞击角度θ、撞击速度V相对；
当计算得到S为负值时，S取0，表示碰撞未造成LNG船舶内层船壳破损；当LNG船舶与他船发生交叉碰撞，他船排水量小于5万吨且碰撞相对速度小于6kn的情况下，一般不会形成LNG船舶内层船壳破损，不易造成LNG泄漏。
当LNG船舶液货舱破损后，在装载状态下将会有LNG从液货舱向外泄漏，并在周围形成LNG液池；根据伯努利方程，LNG从液货舱泄漏时的泄漏速率计算方法为：
其中，qm为泄漏速率；C为泄漏因子；ρL为LNG密度；S为破口面积；pt为容器内部绝对压力；pa为大气绝对压力；h为液货舱中的液位高度，对于不同船型的LNG船舶来说h不同，应当结合不同船型进行取值。
LNG泄漏后的燃烧速率通过下式计算：
v＝vmax(1-e-0.46D)
其中，D为池火直径；vmax为最大燃烧速率，美国Sandia实验室通过大规模水上池火实验总结得到LNG水上池火的最大燃烧速率约为0.15kg/(m2·s)。
进而得到LNG泄漏后所形成的LNG池火直径D为：
LNG池火形成的火焰锋面呈现不规则的几何形状，难以使用经典热辐射计算公式确定其热辐射通量值，因此，通常将池火火焰假设为一个具有发射性的几何点，即点火源。
点火源模型是一种不考虑火焰几何参数的火焰模型，点火源模型假定火的辐射能由一点向外辐射，当目标离火源的距离大于数倍火源直径时，点火源模型计算效果较好。考虑到LNG发生池火时燃烧范围与周围人员或船舶距离相对较远，因此，本实施例采用点火源模型对LNG池火热辐射的危害范围进行计算。
池火火源中心对周围人员产生的热辐射通量计算方法为：
其中，q’为周围目标所接受的热通量；r为热传导系数；Q为总辐射能量，表达为Q＝vA△H，v为质量燃烧速率，△H为燃烧热值，A为LNG池火表面积，通过池火直径D计算；l为目标到池火中心的距离；
LNG池火灾造成周围人员伤亡概率的计算方法为：通过计算得到距离池火区域周围某位置处的热辐射通量数值，进而利用火灾热辐射伤害的概率方程来确定该位置的人员个体伤亡概率；利用Pietersen所提出的热辐射伤害概率方程对人员伤亡概率进行计算：
其中，Vt为人员个体伤亡概率；Y为概率单位；q’为人体接受到的池火热辐射通量；t为人员暴露时间；
基于船体撞击破损面积、LNG泄漏速率、泄漏形成池火面积、火灾热辐射影响范围以及人员伤亡率计算模型，得到LNG池火灾所造成的人员个体死亡率C与距离池火中心l之间的关系；
综合LNG船舶航行事故概率计算模型和LNG池火灾所造成的人员个体死亡率C建立LNG船舶航行风险定量计算模型，通过对风险可接受标准的研究和界定，以实现对于LNG船舶横向安全领域宽度的确定。
针对LNG船舶横向安全领域，主要从LNG船舶的航行风险入手，通过研究LNG船舶航行事故的概率以及火灾事故的危害性后果，构建LNG船舶航行风险定量计算模型，通过对风险可接受标准的界定，以实现针对LNG船舶横向安全领域宽度的确定。请见图3，为本实施例的LNG船舶横向安全领域具体确定方法流程。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种LNG船舶航行安全领域确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分析LNG船舶通航特性及航行风险；
所述分析LNG船舶通航特性及航行风险，包括LNG船舶危险特性分析、LNG船舶操纵特性分析、及进出港通航要求分析；
所述LNG船舶危险特性具体包括火灾危害、冻伤与低温损坏、窒息、快速相态转变；
所述LNG船舶操纵特性具体包括船舶惯性大、快速性、旋回性差、LNG船舶干舷高、LNG船舶在低速时舵效会明显变差；
所述进出港通航要求具体包括移动安全区设置要求、航行及作业条件要求、航道条件要求、交通组织要求；所述航道条件要求包括航道宽度要求、航道水深要求；所述交通组织要求包括交通管制要求、护航要求、拖轮配置要求、引航员登离轮点要求、时间窗口要求、夜航要求、引航要求；
步骤2：LNG船舶航行安全领域主要影响因素提取；
首先对LNG船舶航行安全领域的影响因素进行选取，利用模糊层次分析法与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型，对各影响因素的重要性进行分析，根据权重计算结果对各影响因素的重要性程度进行排序，进而提取影响权重大者的主要影响因素；
所述LNG船舶航行安全领域的影响因素包括人的因素、船舶因素、通航环境因素及通航管理因素四大类；
所述人的因素，是指LNG船舶的航行安全会直接受到LNG船舶驾驶员和港口引航员技术水平和操作状态的影响；LNG船舶驾引人员的身体和精神状态会影响到LNG船舶的制动操纵反应时间，驾引人员的技术水平将影响到对于船舶之间安全距离的把握；
所述船舶因素，对于LNG船舶进出港航行而言，影响其航行安全领域的船舶因素包括船长、船宽、航速和载况；
所述通航环境因素，影响LNG船舶航行安全的通航环境因素包括风、浪、流和能见度；
所述通航管理因素，是管理部门根据港口通航安全管理规则，要求其他船舶与LNG船舶之间保持一定范围的安全距离，并针对LNG船舶采取护航手段以保证其航行安全领域范围不受侵犯；
所述利用模糊层次分析与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型；
所述模糊层次分析法是将层次分析法中的专家“判断矩阵”替换为“模糊矩阵”；其中，采用三角模糊数方法构建矩阵以表示判断的模糊性；
三角模糊数根据其隶属度函数定义为：
其中，m是三角模糊数的中值，l与u分别为相应的左端点和右端点；
其中，采用三角模糊数来表示语言表达中的模糊性；三角模糊数评估标度如表1所示；
表1三角模糊数评估标度
根据表1中的判断标准，对各指标的重要程度进行两两判断；假设指标集内有n个因素，则第i个因素对于第j个因素的相对重要度用aij表示，则判断矩阵A表示为：
构建模糊判断矩阵后，计算影响因素的权向量，根据模糊层次分析法，首先计算模糊判断矩阵A行向量之和：
计算权向量的三角模糊数，计算过程采用归一化方法：
公式(4)中用三角模糊数来表示指标的权重，第i个三角模糊数用Si表示，模糊判断矩阵A的特征向量为(S1,...,Sn)T；
下一步是去模糊化的过程，计算两两三角模糊数的可能比较值；模糊化的比较原则如下：
定义一：M1(l1,m1,u1)和M2(l2,m2,u2)是三角模糊数；则将M1>M2的可用度定义为：
定义二：将一个模糊数大于其他K个模糊数的可能度定义为：
V(M≥M1,M2,…,MK)＝minV(M≥Mll),ll＝1,2,…K (6)
将每个指标计算得到的可能度值进行标准化，得出所有指标的最终权重；
模糊三角数的一致性检验需要先去模糊化，取三角模糊矩阵每个模糊数的中间值组成非模糊的判断矩阵B，取(S1,...,Sn)T中各个三角模糊数的中间值组成非模糊的权向量W(w1,...,wn)，按照层次分析法一致性检验规则进行计算：
其中，RI表示随机一致性指标，取值如表2所示；CI表示一致性指标；当CR<0.1，认为判断矩阵的一致性可以接受；
表2随机一致性指标RI取值表
其中，n表示判断矩阵中指标的个数；
所述改进集合经验模态分解的详细计算过程如下：
1)将M'次高斯白噪声ω(ii)～N(0,σ2)添加到待处理信息序列x(t)，将新生成得M'组信息序列进行经验模态分解，得到第1个IMF分量，然后计算其平均值，记做
2)继续采用上述步骤1)中方法向r1(t)中添加噪声并进行分解，进而可以对第2个IMF分量的平均值进行求解；假设经验模态分解后的第jj个IMF分量为Ejj(·)，则x(t)的第2个IMF分量如下所示：
3)对于z＝2,3,…,G，按照前述步骤1)-步骤2)中的求解方法，第z个残余分量为：
4)对步骤2)进行重复，分解至平均包络线为零即可，得到第z+1个IMF分量为：
5)对以上步骤1)-步骤4)进行重复，直到IMF条件分量不能满足条件时，停止计算，得到余量信号为：
其中，残余函数rG表示信息序列的平均走向趋势；
步骤3：构建LNG船舶航行安全领域范围计算模型；
分别针对纵向和横向两个方面进行模型构建；
(1)在纵向方面，从避免LNG船舶与其他船舶发生碰撞的角度出发，基于跟驰理论和船舶制动距离模型，构建LNG船舶纵向安全领域长度计算模型；
针对LNG船舶纵向安全间距进行计算，其表达式为：
S0＝Sb1+St+Sm (16)
其中，S0为LNG船舶纵向安全间距；Sb1为LNG船舶制动距离；St为反应距离；Sm为安全余量；
针对LNG船舶的制动距离进行计算，其表达式为：
其中，P0为LNG船舶主机倒车功率；V LNG为LNG船舶航速；M LNG为LNG船舶排水量；VC为流速；Vyw为纵向上的相对风速；Ayw为船体水面以上纵向受风面积；LLNG为LNG船舶的船长；T为船舶吃水；BLNG为LNG船舶的船宽；
(2)在横向方面，从LNG船舶航行风险分析入手，考虑事故概率和事故危害后果两个方面的影响，首先利用IWRAP船舶碰撞概率计算模型和火灾事件数分析法建立LNG船舶航行事故概率计算模型：
发生交叉碰撞事故概率Pc计算方法如下：
其中，QLNG和Qj分别为航路中单位时间内LNG船舶和其他船舶的交通流量；VLNG和Vj分别为航路中LNG船舶的航速和和其他船舶的航速；DjLNG为当交叉相遇的两船不做任何避让行动时的碰撞区域直径；VjLNG为两船的相对航速；θ为航路交叉角度；fC为致因因子；
LLNG和BLNG为LNG船舶的船长和船宽，Lj和Bj为他船的船长和船宽；
LNG船舶发生碰撞后引发火灾事故的概率计算公式为：
Pi＝Pi1×Pi2×Pi3×Pi4×Pi5×Pi6； (20)
其中，Pi1是LNG船舶为被撞船的概率，Pi2是LNG船舶装载有LNG的概率，Pi3是LNG船舶被撞位置为液货舱的概率，Pi4是LNG船舶严重受损的概率，Pi5是LNG船舶有LNG泄露的概率，Pi6是LNG船舶有火源点的概率；
其中，LNG船舶严重受损是指LNG船舶在发生碰撞事故后，可能造成双层船壳甚至液货舱破损，导致LNG液货泄漏，LNG泄漏后会迅速挥发为气体，在遇到点火源时将形成火灾事故；
其中，Pi1、Pi2、Pi3、Pi4、Pi5、Pi6用事件树分析法进行计算；
进而得到LNG船舶在航行过程中发生碰撞而导致火灾的航行事故概率P为：
针对事故后果方面，根据LNG船舶船体碰撞破损、LNG泄漏和LNG池火危害影响，建立LNG船舶事故后果危害计算模型；
首先，回归分析得到碰撞破口面积S的计算关系式为：
其中，破口面积S、撞击船质量m0、撞击角度撞击速度V相对；
当计算得到S为负值时，S取0，表示碰撞未造成LNG船舶内层船壳破损；
当LNG船舶液货舱破损后，在装载状态下将会有LNG从液货舱向外泄漏，并在周围形成LNG液池；根据伯努利方程，LNG从液货舱泄漏时的泄漏速率计算方法为：
其中，qm为泄漏速率；C为泄漏因子；ρL为LNG密度；S为破口面积；pt为容器内部绝对压力；pa为大气绝对压力；h为液货舱中的液位高度；
LNG泄漏后的燃烧速率通过下式计算：
v0＝vmax(1-e-0.46D) (24)
其中，D为池火直径；vmax为最大燃烧速率；
进而得到LNG泄漏后所形成的LNG池火直径D为：
采用点火源模型对LNG池火热辐射的危害范围进行计算；
池火火源中心对周围人员产生的热辐射通量计算方法为：
其中，q’为周围目标所接受的热通量；χr为热传导系数；Q为总辐射能量，表达为Q＝vA池火△H，v为质量燃烧速率，△H为燃烧热值，A池火为LNG池火表面积，通过池火直径D计算；l0为目标到池火中心的距离；
LNG池火灾造成周围人员伤亡概率的计算方法为：通过计算得到距离池火区域周围某位置处的热辐射通量数值，进而利用火灾热辐射伤害的概率方程来确定该位置的人员个体伤亡概率；利用Pietersen所提出的热辐射伤害概率方程对人员伤亡概率进行计算：
其中，Vt为人员个体伤亡概率；Y为概率单位；q’为人体接受到的池火热辐射通量；t0为人员暴露时间；
基于船体撞击破损面积、LNG泄漏速率、泄漏形成池火面积、火灾热辐射影响范围以及人员伤亡率计算模型，得到LNG池火灾所造成的人员个体死亡率与距离池火中心l0之间的关系；
综合LNG船舶航行事故概率计算模型和LNG池火灾所造成的人员个体死亡率C建立LNG船舶航行风险定量计算模型，通过对风险可接受标准的研究和界定，以实现对于LNG船舶横向安全领域宽度的确定。
2.根据权利要求1所述的LNG船舶航行安全领域确定方法，其特征在于：步骤2中所述利用模糊层次分析与改进集合经验模态分解法构建LNG船舶航行安全领域影响因素分析模型，采用专家评价法对各影响因素的重要性进行分析。
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