Design and implementation of a visual monitoring system to ensure safety in the water surrounding a container vessel

Container vessels navigate among the world＇s ports, frequently passing through narrow and congested waters. Due to the many layers of containers on a container vessel＇s decks, it is difficult for the crew to be aware of all fishing vessels and other obstacles in a container vessel＇s radar observation blind zone. This greatly increases the risk of collisions and other accidents. Given such great challenges to safe navigation and safety management with container vessels, their security risks are severe. An effective visual monitoring system can improve the safety of the water area surrounding container vessel by eliminating a vessel＇s observation blind zone, providing an effective safety measure for vessels navigating fishing zones and other troublesome areas. The system has other functions, such as accident recording, ship security, and monitoring of loading and unloading operations, thus ensuring the ship operates safely. Six months＇ trial operation showed that the system facilitates safe navigation of container vessels.

基于STPA-BN的船舶航行人为风险因素分析与评估

人为因素是引发船舶事故的最主要因素之一,为了研究船舶人为风险因素的因果关系,从中国海事局发布的船舶事故报告出发,引入系统理论过程分析-贝叶斯网络(STPA-BN)模型对船舶航行人为风险因素进行分析和评估。采用系统理论过程分析(STPA)方法识别出船舶航行中存在的不安全控制行为,结合事故报告内容提取出12种人为风险因素,利用风险因素的内在因果关系和结构学习功能构建贝叶斯网络拓扑结构;将事故报告量化,并对网络进行参数学习,对模型进行验证。在此基础上,利用贝叶斯网络(BN)的推理功能得到船舶航行中7种突出的人为风险因素和3条事故核心致因链,为保障船舶安全航行与船员培训提供数据支持。

远程控制船舶内河航行风险评价研究

针对远程控制船舶内河航行风险定量评价问题,提出了一种不确定性建模与船模航行试验相结合的风险评价框架,分为模型构建、量化和验证3个部分。在模型构建方面,模型节点来自内河环境、通信、岸端、船端和风险5个方面辨识的船舶远程控制航行风险因素,根据专家经验和航行试验对初始模型结构进行迭代修正,形成了远程控制船舶内河航行风险评价的贝叶斯网络模型;在模型量化方面,为量化父子节点之间线性或非线性关系提出了条件概率计算方法,在内河连续桥区开展船模航行试验,获取了部分根节点的先验概率、航行事故或险情,以及试验人员对航行风险的评价等数据;在模型验证方面,从情景分析、敏感性分析、对比分析3个角度对模型进行了验证。结果表明:在统计的40起航行试验案例中,触碰/碰撞事故占比最高,试验发现了新的失效模式,即控制冲突、程序错误、信号丢失等;构建的贝叶斯网络模型能够有效评价不同情景下航行风险水平,并辨识了与远程控制船舶内河航行风险相关的重要节点。研究结果可以为实现内河船舶远程控制作业模式提供理论依据,也为内河远程控制船舶航行安全提供研究思路。

融合A^(*)与DWA算法的水面船艇动态路径规划

为解决水面船艇路径规划同时要求全局最优、实时避障和航迹安全可靠的问题,提出了一种基于融合A^(*)算法与动态窗口算法(DWA)的水面船艇路径规划方法。首先通过引入启发函数动态加权策略,提高A^(*)算法的搜索效率;然后综合考虑水面船艇的运动特性,采用一种路径转角节点角度削弱策略,减少转角,缩短全局路径长度;最后,基于全局因素影响与航迹安全约束对DWA算法的轨迹评价函数进行改进,并以全局路径提供子目标点引导DWA算法进行局部规划的方式完成算法融合。实验结果表明,融合算法相比于现有算法的总转向角度分别减少了45.6%、46.0%,验证了融合算法的有效性与可行性,并且相较于其他传统算法更具优越性。

基于DEMATEL-ANP的重大件船舶大风浪航行安全指标选取

为了改善重大件船舶在大风浪条件下航行的安全性,保证船舶、船员、重大件货物安全到港,在查阅大量文献、咨询专家并结合实际经验后,构建了重大件船舶大风浪安全指标体系。首次将DEMATEL-ANP(决策试验与评价实验室-网络分析法)方法引入大风浪安全领域,建立了重大件船舶大风浪航行安全的DEMATEL-ANP结构。通过DEMATEL方法计算了指标间综合影响矩阵,并绘制因果图对各指标进行分类。借助综合影响矩阵和重大件船舶大风浪安全指标体系,通过ANP方法梳理网络结构并计算了混合权重。确定了对安全影响较大的指标,并对其进行管控。通过与AHP方法的对比,表明该方法更加合理、客观地考虑了指标间的相互影响,提出的DEMATEL-ANP结构合理、可行,能够很好地应用于大风浪安全领域,对保证船舶安全具有一定的指导意义。

广西防城港赤沙1号泊位港池水域通航安全分析

本工程远期为30万吨级专业散货码头,采用开敞式布置。码头回旋水域紧邻主航道(为主潮汐通道),船舶操纵难度大,30万吨级散货船靠离泊与单向航道相互影响较大,为使大型散货船进出港及靠离泊时满足安全、高效的前提,通过船舶操纵仿真模拟,合理优化连接水域切入回旋圆角度,减小炸礁工程量,对总平面布置方案提出科学的意见,并从拖轮配置、靠离泊限制条件、进出港操作方案、进出港通航保障措施及注意事项等给出全过程指导。结果表明设计长轴为847.5 m、短轴为678.0 m的椭圆,可满足6级大风、涨落潮最大流速下的安全靠离泊的要求。

基于航行状态的多元避碰周界研究

为实现船舶智能航行,建立基于船舶航行状态的多元避碰周界.通过识别船舶航行风险,分析避碰双方的主尺度、航速、航向等多元因素对航行安全的影响机制,提出危险周界和预警周界的解析表达方法,构建面向海上安全航行的多元避碰周界.通过实例分别模拟了多航行状态的船舶和复杂海上障碍物的数字化安全界限,初步验证了多元避碰周界的可行性,可作为船舶避碰决策、船舶智能航行的理论参考.

基于船舶领域的桥区水域范围划定方法

桥梁布设在通航水域的桥墩以及通航孔在一定程度上限制了船舶的航行,划定桥区水域对指导船舶安全航行具有重要意义。通过梳理当前桥区水域法规中船舶航行限制,分析划定桥区水域的影响因素;以桥梁涉水桥墩对航道内在航船舶的影响为依据,基于船舶领域理论设计了桥区水域宽度和纵向长度计算方法,可依据桥梁特点及航道水域特征对桥区水域进行划定,实现桥区水域划定的一桥一策;利用该方法对长江某大桥的桥区水域进行划定。结果表明,与传统桥区水域划定方法相比,该划定方法能够在保障船舶桥区航行安全的基础上,减少对航道内正常航行船舶的约束,同时可避免岸线资源的浪费。

智能船舶安全研究的热点问题分析与展望

近年来,随着自主导航、传感器、通信和网络技术的成熟,智能船舶的研究迅速发展。2023年9月,第33届欧洲安全与可靠性会议在英国南安普顿成功召开。会议主题聚焦于在互联世界中构建安全的未来,特别关注智能船舶安全性。在对514篇会议论文(其中19篇涉及智能船舶安全相关主题)进行全面分析的基础上,结合前2届会议情况,以及国内外近十年的相关研究,总结了智能船舶安全研究领域的4个热点问题:(1)自主性水平与相关法律法规:随着船舶自主性的提升,现有法律体系需要更新以适应新技术,研究集中在界定智能船舶的自主性水平,并探讨相应的法律和监管框架;(2)远程操作中的人因问题:远程操作引入了新的挑战,研究聚焦于设计远程操作系统,以减轻操作员的心理负担,提高沟通效率,并提供有效的决策支持以确保安全;(3)智能船舶风险评估:该研究领域致力于使用先进技术进行更精准的安全和风险评估,包括运用多维传感器数据、实时监控和多样化的数据分析模型;(4)人工智能与机器学习的应用:二者被视为智能船舶安全领域的创新方向,研究重点在于利用这些技术进行故障预测、航行路径优化和自动化安全监督。通过分析现有文献,从4个关键角度对未来智能船舶安全研究方向进行了展望:(1)通过采用基于模型的系统工程方法进行船舶安全分析,可以从设计初期开始识别并消除潜在的安全隐患,同时促进跨学科团队的协作,以提高安全与可靠性分析的精确性;(2)人因风险分析方面,认为功能共振分析方法更适合处理智能船舶这类复杂系统,通过评估系统功能之间的相互作用,识别故障并制定预防措施;(3)为了提高紧急情况下的干预效率,需要研究开发能辅助操作员迅速、准确作出决策的支持系统,同时须考虑到操作员的心理和生理状况;(4)应用人工智能和机器学习深化理论,开发能在复杂海洋环境中作出精确决策的自主决策模型,以及能整合多种数据源提供精确天气预报和航线优化的先进算法。

考虑因子突变的客滚船海峡航行安全韧性动力学仿真

为有效评价影响因子扰动下客滚船海峡航行的安全韧性,提出了一种基于突变理论和系统动力学的安全韧性评估模型。首先,通过分析客滚船海峡航行安全与应急特征,构建鲁棒性、可恢复性、冗余性、多样性和适应性等航行安全韧性评价指标体系,分析客滚船海峡航行安全事故致因的因果循环关系;然后,引入突变动力学理论,建立客滚船航行安全韧性分析模型,分析客滚船海峡航行安全韧性特征,揭示各因子及不同特性对安全韧性的影响;最后,结合琼州海峡航行的场景数据开展安全韧性动力学仿真试验。结果表明:就客滚船航行而言,鲁棒性、可恢复性和冗余性的增加对韧性提升效果较为显著;环境条件中大风扰动下韧性水平较低。

基于改进DBSCAN算法的受限航道船舶会遇规律挖掘研究

受限航道船舶会遇态势复杂多变,为了识别潜在航行风险,提出一种基于SO-DBSCAN(self-optimal DBSCAN)算法的受限航道船舶会遇规律挖掘方法。首先,构建了基于船速比修正的受限航道动态船舶领域模型,考虑受限航道船舶安全间距以及航速对交通流的影响,引入船速比修正因子改进藤井模型;其次,提出一种基于动态舷角的会遇态势划分方法,结合国际海上避碰规则相关条款要求,采用船舶间动态舷角关系及航行速度作为引导划分出14种会遇态势;最后,引入Silhouette Coefficient和Calinski-Harabasz评估指标,并以加权和最大为目标函数自主求解最优的聚类策略,通过采集天津港受限航道的AIS数据进行实例验证,挖掘会遇时空规律并识别会遇热点。研究表明:该水域内船舶在15:00—17:00时间段内会遇较为频繁,会遇关键区域主要集中在42#~48#灯浮和22#~32#灯浮附近,结果符合航海实际;基于SO-DBSCAN算法的受限航道船舶会遇规律挖掘方法不仅能够解决传统基于密度聚类算法调参复杂的问题,还能够有效识别会遇高风险区域。

船舶航行安全分析研究

为了船舶航行安全,探讨船舶航行安全主要影响因素,针对性采取措施是船舶航行安全的关键。本研究采用协同学(Synergetics)理论方法,构建船舶海上航行安全模型;运用船舶航行安全运动力学对船舶海上航行安全主要影响因素,导致船舶处于危险局面的因素C和处于安全情形的因素E之间相互转换的规律做出了进一步的探讨,并通过动态动力方程,推导出C和E之间的转换概率流方程,分析出了对某类型船舶处于不同航行动态对应某一船时的定态求解结果,对海上交通安全监管机关、船公司和船舶加强管理,保障船舶海上航行安全,提供理论支持。

北极航线的海冰风险计算与航段安全评估

为保障船舶在北极航线的航行安全,研究基于多源冰情数据的海冰风险评估流程。根据海冰密集度、海冰厚度、海冰类型等遥感冰情数据,基于极地操作限制评估风险指数系统(Polar Operational Limit Assessment Risk Indexing System,POLARIS)改进不同冰级船舶的海冰风险指数计算方法,建立北极航线的航段安全评估模型,以呈现北极海冰对不同冰级船舶和不同航段的危险程度。结果表明:该流程能够融合多源冰情数据,反映不同冰级船舶在某一位置点的海冰风险数值,全面显示北极航线上各航段的海冰风险程度。研究成果可为北极航行的船舶操作与航线优化提供参考。

夜航船舶驾驶室光环境评价指标体系构建

为了客观、综合地评价夜航船舶驾驶室光环境质量,保障船舶夜航安全,从船舶驾驶室光环境的特点出发,分析夜航船舶的驾驶室光环境对驾驶人员视觉和心理的影响,找出影响驾驶人员视觉和心理的光环境影响因素,建立了夜航船舶驾驶室光环境评价指标体系.为提升该评价体系的科学性、合理性和可操作性,发放调查问卷,利用AHP(层次分析法)计算各评价指标权重.结果显示:准则层仪器仪表光源特性权重最高,指标层驾驶人员视觉舒适感、仪表眩光和仪器仪表亮度权重较高.该评价指标体系可为船舶驾驶室光环境的设计和评价奠定基础.

构皮滩通航建筑物中间渠道船舶航行特性试验研究

中间渠道船舶航行特性与通航建筑物通航效率和船舶航行安全息息相关。利用牵引船模缩尺试验,研究构皮滩水电站通航建筑物中间渠道内船舶上下行过程中的航行特性,分析了不同航速下船舶的升沉特性,基于试验结果拟合了船舶在中间渠道内最大下沉量与航速、渠道水下面积、船舶舯断面水面以下部分面积以及初始水深的关系,建立了可准确预测船舶最大下沉量的无量纲公式。研究结果表明:1)相同航速下,船舶出船厢下沉量远大于进厢,船舶出厢过程是船舶下沉量的控制工况;2)中间渠道断面系数小于3.0时,断面系数变化对船舶下沉量影响较为明显,且断面系数越小对船舶下沉量影响越显著;中间渠道断面系数大于4.0后,断面系数增大对船舶下沉量的影响迅速减小。

船舶事故时空特征及致因关联规则挖掘方法

为准确掌握洋山水域船舶事故特征,提高通航安全和减少船舶事故的发生,选取2016—2020年洋山水域船舶事故数据,采用关联规则对事故特征进行时空挖掘,构建关联规则网络图,基于Apriori算法挖掘洋山水域特定通航环境下的事故潜在风险因素。结果表明:洋山水域船舶事故多发生于南支航道延伸段、漕泾东支线航道等水域;500总吨以下船舶与事故关联程度较高;易在大潮汛期间发生自沉、碰撞等事故;春冬两季为事故潜在高发时段。依据上述结果,给出针对性的管理建议,为洋山水域海事管理机构更有效实施现场监管、保障船舶通航安全提供参考。

自适应船舶执行安全预警网络算法分析

由于船舶航行安全预警方案传统算法耗时长耗资源量大、算法运行过程中存在大量数据丢失的情况,研究新的船舶航行防堵塞预警网络很有必要。通过建立网络FSO/RF切换算法模型,设立功能实时转换;运用Reason域对航行船舶流堵塞预警方案进行优化,实现对网络预警控制和节点距离的匹配,对预警网络实行自适应算法的管理。相同条件下测验结果证明,新的算法相比两种传统算法节点丢失分别减少了25个和21个,由此可知新的算法不仅减少了丢失数据数量,而且提高了应用价值。

极地航行船舶桅杆积冰预报

在极地航行船舶开展科考活动和航运过程中,所处寒冷多雾的环境极易造成桅杆积冰,影响航行安全。利用Fluent和Fensap-ice对桅杆进行积冰预报,研究不同气象条件下的积冰分布情况。数值模拟结果表明:随着风速从2 m/s增加至10 m/s,桅杆积冰量从0.10 g增加至3.66 g;随着液态水含量的增加,桅杆积冰量从1.11 g增加到5.55 g,并且呈线性增加。但液态水含量不会改变桅杆表面的水滴收集系数,随着平均水滴直径的增加,桅杆表面的积冰量随之增加。本文研究对提高极地航行船舶的航行安全具有一定指导意义。

LNG船舶夜航风险及安全管理

通过对影响LNG船舶夜航的安全风险因素进行分析,结合天津海事局从2021年12月至今开展的三次应急夜航实船试验,提出对LNG船舶夜航的安全管理建议,为国内其他港口、LNG码头和政府管理机关提供参考。

氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系研究

氢燃料电池动力船是一种新型绿色船舶,航行安全是其成功应用的关键。本文结合水文气象、航道条件、交通管理等指标,从总体目标出发构建了氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系,采用多级综合法建立了氢燃料电池动力船航行环境安全指数,对氢燃料电池动力船航行环境安全状况评价提供了评判依据。